регистрация / вход

Проектирование и расчет низкочастотного усилителя

Министерство образования Российской Федерации Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра технической кибернетики 26.2.070107.421ПЗ

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра технической кибернетики

26.2.070107.421ПЗ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Общая электротехника и электроника»

по теме:

Проектирование и расчет низкочастотного усилителя

Выполнил:

студентка гр. САУ-302

Иванова И.

Проверила:

доцент кафедры ТК

Костюкова Л. П.

Уфа 2007

Введение

Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Усилители, одни из самых широко используемых устройств в радиотехнике. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь) и через трансформатор (трансформаторная связь).

Все характеристики усилителя можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

Часто работа усилителя необходима в определенном спектре частот. Одним из вариантов решения подобных задач заключается в использовании усилителей низкой частоты.

Курсовой проект посвящен исследованию и разработке функциональных блоков и устройств информационных систем. К таким блокам относится усилитель низкой частоты.

Выходное сопротивление генератора очень мало. С целью его наилучшего использования, необходимо создать такое сопротивление нагрузки генератора, которое, как минимум, на порядок превышает его внутреннее сопротивление:

Rн =10*Rген =10*10 кОм=100 кОм=0.1 МОм.

1. функциональная схема усилителя

В данной работе для реализации была выбрана следующая схема:

Входным каскадом является на основе неинвертирующей схемы включения операционный усилитель (К140УД6), который обеспечивает высокое входное сопротивление (1 МОм). Это необходимо для согласования усилителя с источником входного сигнала, за счет снятия нагрузки с источника входного сигнала.

Каскад предварительного усиления является многозвеньевым и обеспечивает заданную форму логарифмической амплитудной характеристики.

Выходным каскадом является усилитель мощности, который обеспечивает согласование с нагрузкой и обеспечивает выходной сигнал по мощности.

В качестве усилителя мощности наиболее часто применяются бестрансформаторные усилители, которые характеризуются простотой схемного построения, отсутствием нестандартных деталей, высокими качественными показателями, малыми габаритами и весом. Наиболее удобно применение двухтактных усилителей мощности, выполненных на транзисторах с дополнительной симметрией и работающих в режимах классов В и АВ. Такие усилители хорошо сопрягаются с ОУ и могут с ними охватываться общей отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька». С этой целью рекомендуется использовать режим работы класса АВ.

2. Расчет и проектирование элементов усилителя

2.1 Р асчет усилителя мощности

Рассчитаем усилитель по схеме:

Определяется амплитудное значение коллекторного напряжения одного плеча:

= =

Определим необходимое напряжение источника питания:

, где Uk min примем равным 1,5 В.

По полученному значению Ek выберем из ряда стандартных напряжений ближайший в сторону увеличения стандартный номинал напряжения источника питания. В нашем случае это 6,3 В (Ek =6,3 В).

Определим амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT3(VT4):

.

Определяем среднее значение тока, потребляемое от источника питания оконечным каскадом:

=,

где Iok – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4
(примем Iok =25 мА).

Определяем мощность, потребляемую от источников питания оконечным каскадом при номинальной выходной мощности

=.

Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора оконечного каскада

=.

По рассчитанным значениям Pk , 2Ek , (Ikm +30%)
и требованиям к частотным свойствам (n³20 кГц) подбираем транзисторы VT3 и VT4. При этом они должны иметь одинаковые параметры и ВАХ.

Итак, должны выполняться следующие условия:

, т.е. ()

, т.е. ()

, т.е. ()

Этим условиям удовлетворяют параметры транзисторов КТ819А (n-p-n) и КТ818А (p-n-p). Они подходят по максимально допустимым параметрам и имеют одинаковые параметры и ВАХ.

По статическим характеристикам транзисторов VT3(VT4) определяем амплитудное значение тока базы Iб m и напряжение на базе Uбm (Рис 1):

Iб m = 180 мA,

Uб m =0,42 В.

Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока:

Rвх T3~ ==

Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT3,VT4):

Uвхт3 = Uб m +Ukm = 0,42+2,83 =3,25 В

Определяем величину сопротивлений резисторов R3 и R4. Она выбирается в 5÷10 раз больше значения входного сопротивления переменному току транзисторов VT3 и VT4 при максимальном входном сигнале:

R3=R4=(5÷10)Rвх T3~ =.

По полученному значению R3 (R4) выберем из ряда стандартных сопротивлений резисторов ближайший в сторону увеличения стандартный номинал сопротивления резисторов R3 (R4). В данном случае R3=R4=150 Ом

Находим сопротивление эмиттерной нагрузки транзисторов VT1 и VT2:

Rнт1 =.

Рассчитаем режим работы транзисторов VT1 и VT2. Найдем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT1:

IkmT 1 =.

Определяем среднее значение тока

I0 = ,

где Iok - начальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 примем равным 1,5 мА.

Определяем мощность при номинальной выходной мощности:

Р0 =.

Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора:

Рк ==.

Аналогично вышеуказанному способу, выбираем пару транзисторов VT1 и VT2. В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем соответственно транзисторы КТ503А(n-p-n) и КТ502А (p-n-p):

, т.е. ()

, т.е. ()

, т.е. ()

По статическим характеристикам транзисторов VT1(VT2) определяем амплитудное значение тока базы Iбм и напряжение на базе Uбм (Рис 2):

Iб m =5,3 мА, Uб m =186 мВ.

Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока:

Rвх T 1~ ==.

Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT1,VT2):

UвхТ1 =Uб mТ1 +UkmT 1 =0.186+3,25=3,436B, заметим, что UkmT 1 =UвхТ3 =3,25 В.

Так как Rвх T 1~ < 1 кОм, значит RвхУМ < 1 кОм (RвхУМ = Rвх T 1~ | | R1 ).

{Находим делитель R1 -VD1-VD2-R2 по Iд = 7.5·I T1 =0,375мА, по
Uд ≈ U0 bT1 =0,34 В. Определяем диод по этим параметрам: выбираем КД514А.

Определяем R1 (R2 ):

R1 =R2 ==. Выбираем сопротивление из стандартного ряда (±5%): R1=R2=33 кОм.

Найдем входное сопротивление усилителя мощности:

RвхУМ =.}

2.3 Расчет теплоотвода для транзисторов выходного каскада

Подводимая к усилителю электрическая мощность рассеивается в основном помимо нагрузки, на транзисторах оконечного каскада. Вследствие этого температура внутренних областей и корпуса прибора превышает температуру окружающей среды. Температура p – n – переходов является важнейшим фактором, от которого зависят не только величины основных параметров, но и общая работоспособность приборов.

С целью удержать температуру на допустимом уровне используют теплоотводящие радиаторы.

Определим требуемую площадь радиатора, изготовленного из алюминия с коэффициентом теплопроводности К=0,0013 Вт/см2 *градус.

Примем температуру окружающей среды равной

=50 .

=125 - максимальная температура переходов для транзисторов VT3 и VT4 с радиатором (взята из справочника).

=4.73 Вт - суммарная мощность рассеивания на переходах транзисторов VT3 и VT4,

Тепловое сопротивление между полупроводником и корпусом:

TK определяется по графику (Рис. ): TK =380 К=107 0 C

Необходимая поверхность охлаждения приближенно равна:

2.4 Расчет коэффициента нелинейных искажений и параметров цепи обратной связи.

Для учета неполной идентичности плеч двухтактного каскада считают, что их коэффициенты передачи, а значит, и амплитуды всех гармоник выходных токов отличаются от средних в 1+v/2 раз, причем в разных плечах в разные стороны.(v=0,1….0,2) В результате амплитуды нечетных гармоник токов транзисторов в выходном колебании каскада оказываются удвоенными, а у четных гармоник ввиду их вычитания остается нескомпенсированная часть, равная v.

Для расчета нелинейных искажений используем метод пяти ординат заполняем таблицу и строим косинусоиду:

1

2

3

4

Ik (мА)

800

1800

2900

3800

Iб (мА)

20

46

118

200

Uбэ (В)

0,78

0,86

0,98

1,2

Ec (В)

0,917

1,175

1,787

2,568

Ec =Uвх +iвх Rс

Ec =Uбэ +iб Rс

Rс =rэт1 ==

Ec 1 =0,78+0,002·6,84=0,917 В

Ec 2 =0,86+0,046·6,84=1,175 В

Ec3 =0,98+0,118·6,84=1,787 В

Ec4 =1,2+0,2·6,84=2,568 В

Рис.3

I1 =800 мА

I2 =2150 мА

I3 =3200 мА

I4 =3800 мА

a=сos(3/8)=0.383

b=cos(/4)=0.707

c=cos(/8)=0.924

IA =(I1 -2I2 +I3 +I4 /2)/2b=(800-2·2150+3200+1900)/2·0.707=1131,54 мА

IB =I4 /2-I1 =3800/2 – 800=1100 мА

IM =[a(I4 +I3 /b)-2I2 ]/c=[0.383· (3800 + 3200/0.707) – 2·2150]/0.924= – 1202мА

IN =I4 -I3 /b=3800 – 3200/0.707= – 726,17мА

Считаем гармоники:

Im1 =(I4 +I3 /b)/2=(3800 + 3200/0.707)/2=4163 мА

Im2 =v(IB + IA )/4=0.1· (1100 + 1131,54)/4=55,79 мА

Im3 =( IN + IM )/4=(-726,17 - 1202)/4= – 482 мА

Im4 =v(I1 -I3 +I4 /2)/4=0.1· (800 – 3200 + 1900)/4= – 125 мА

Im5 =( IN - IM )/4=(–726,17 + 1202)/4=118,96 мА

Im 6 =v(IB -IA )/4=0.1· (1100 – 1131,54)/4=-0,79 мА

Считаем коэффициент нелинейных искажений:

KГ ==

KГос =

K* =KУМ ·KОУ

KУМ =

ОУ выбирается по следующим параметрам: Ek =6.3B, UвхУМ =3,45B,
R вхУМ =1.485 кОм, Iб mT 1 =0.09 мА. Выбираем 140УД1.

KОУ =1350

K=0.82·1350=1107

Находим коэффициент усиления:

=

Найдем сопротивления R1 и R2 ОУ:

=

Примем R1 = 5 кОм

тогда

Сопротивления R1 и R2 удовлетворяют условию: <<

Найдем коэффициент передачи ОУ и УМ:

, значит нужен расчет каскада предварительного усиления.

2.5 Выбор и расчет каскадов предварительного усиления

Найдем коэффициент передачи по напряжению всей схемы:

K0 ==

Найдем коэффициент передачи по напряжению каскада предварительного училения:

K2 ==

K2 =1+

Примем R3=0.5 кОм, тогда

Сопротивления R3 и R4 удовлетворяют условию: <<

Заключение

Итак, согласно заданию к курсовой работе, я спроектировал и рассчитал усилитель низкой частоты, удовлетворяющий всем заданным условиям.

Для охлаждения транзисторов в усилителе используется алюминиевый радиатор площадью 31,6 см2 .


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник. 2-е изд.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-384с.

2. Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник. 2-е изд.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-640с.

ОТКРЫТЬ САМ ДОКУМЕНТ В НОВОМ ОКНЕ

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ  [можно без регистрации]

Ваше имя:

Комментарий