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:

   R_н=10*R_ген=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 Расчет усилителя мощности

    Рассчитаем  усилитель по схеме:

    Определяется  амплитудное значение коллекторного  напряжения одного плеча:

     = =

    Определим  необходимое напряжение источника  питания:

     _, где U_{k min} примем равным 1,5 В.

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

    Определим амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT3(VT4):

     .

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

     = ,

где  I_ok – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4  
(примем I_ok=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 P_k, 2E_k, (I_km+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 I_бm и напряжение на базе U_бm(Рис 1):

    I_бm= 180 мA,

    U_бm=0,42 В.

    Далее определяем входное сопротивление  транзистора для переменного  тока:

    R_вхT3~ = =

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

    U_вхт3 = U_бm+U_km = 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)R_вхT3~= .

    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:

    R_нт1= .

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

    I_kmT1= .

    Определяем  среднее значение тока

    I₀ = ,

где I_ok - 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:

    Р_к= = .

    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 I_бм и напряжение на базе U_бм (Рис 2):

    I_бm=5,3 мА, U_бm=186 мВ.

    Далее определяем входное сопротивление  транзистора для переменного тока:

    R_вхT1~ = = .

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

    U_вхТ1=U_бmТ1+U_kmT1=0.186+3,25=3,436B, заметим, что U_kmT1=U_вхТ3=3,25 В.

    Так как R_вхT1~ < 1 кОм, значит R_вхУМ < 1 кОм (R_вхУМ = R_вхT1~ | | R₁).

    {Находим делитель R₁-VD1-VD2-R₂ по I_д = 7.5·I_0бT1=0,375мА, по  
U_д ≈ U_0bT1 =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:

    R_вхУМ= .} 

    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:

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

    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:

E_c=U_вх+i_вхR_с

E_c=U_бэ+i_бR_с

R_с=r_эт1= =

E_c1=0,78+0,002·6,84=0,917 В

E_c2=0,86+0,046·6,84=1,175 В

E_c3=0,98+0,118·6,84=1,787 В

E_c4=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

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

I_B=I₄/2-I₁=3800/2 – 800=1100 мА

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

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

Считаем гармоники:

I_m1=(I₄+I₃/b)/2=(3800 + 3200/0.707)/2=4163 мА

I_m2=v(I_B+ I_A)/4=0.1· (1100 + 1131,54)/4=55,79 мА

I_m3=( I_N+ I_M)/4=(-726,17 - 1202)/4= – 482 мА

I_m4=v(I₁-I₃+I₄/2)/4=0.1· (800 – 3200 + 1900)/4= – 125 мА

I_m5=( I_N- I_M)/4=(–726,17 + 1202)/4=118,96 мА

I_m6=v(I_B-I_A)/4=0.1· (1100 – 1131,54)/4=-0,79 мА

Считаем коэффициент нелинейных искажений:

K_Г= =

K_Гос=

K^*=K_УМ·K_ОУ

K_УМ=

ОУ выбирается по следующим параметрам: E_k=6.3B, U_вхУМ=3,45B,  
R _вхУМ=1.485 кОм, I_бmT1=0.09 мА. Выбираем 140УД1.

K_ОУ=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.