Проектирование усилителя низкой частоты

Министерство образования и  науки РФ 
Государственное образовательное учреждение высшего 
профессионального образования 
"Самарский государственный аэрокосмический 
Университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)"

 

Кафедра радиотехники и МДС

Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

 

Проектирование усилителя низкой частоты

 

Пояснительная записка к курсовому  проекту

 

 

                        Выполнил: Дементьев А.А.

                        Группа:        543

                        Руководитель проекта: Днищенко В.А.

                       Дата сдачи на проверку:

                       Оценка и дата защиты:

 

 

 

 

 

 

САМАРА 2012

 

Задание № 37 на курсовой проект студенту Дементьеву А.А. гр. 543

 

1. Содержание задания

1.1 Спроектировать усилитель низкой частоты.

1.2 Смоделировать  процесс настройки усилителя  на ЭВМ.

1.3 Оформить ПЗ и графическую часть курсового проекта.

2. Исходные данные для проектирования:

2.1 Нижняя частота полосы пропускания,  f_н              – 15 Гц

2.2 Верхняя частота  полосы пропускания, f_в               – 15 кГц

2.3 Допустимые искажения на нижней  частоте, М_н            – 2 дБ

2.4 Допустимые искажения на верхней  частоте, Mв              – 3 дБ

2.5 Активное сопротивление нагрузки, R_н                    – 7 Ом

2.6 Сопротивление источника сигнала, R_ист           – 700 Ом

2.7 Номинальная амплитуда входного сигнала, U_вх.m                        – 0,35 В

2.8 Выходная мощность усилителя , Р_вых               – 7 Вт

2.9 Допустимый коэффициент гармоник при номинальной амплитуде

выходного сигнала, К_г                                                                            – 3%

2.10 Диапазон рабочих температур                                       – (+20; +60)ºС

3. Перечень и объем графических  и текстовых документов.

3.1 Усилитель. Схема принципиальная  электрическая и 

спецификация.                                                                                     – 1л.А4

3.3 Пояснительная записка                                                           – 43л.А4

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Курсовой проект.

Пояснительная записка: 43 с., 16 рис., 11 табл., 10 источников.

Графическая документация: 1 л. А4.

 

 

 

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ, ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ НА ЭВМ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 

 

 

Произведены выбор функциональной и принципиальной схем усилителя  низкой частоты. Выполнены эскизный и электрический расчеты усилителя в соответствии с заданными параметрами. Произведено моделирование настройки усилителя на ЭВМ. Проанализированы влияние разброса параметров элементов и изменения температуры.

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Усилительные устройства являются важной частью радиотехнических аналоговых электронных устройств.

Они применяются в передающей и  приемной радиоаппаратуре, а так же во вспомогательных устройствах преобразования сигналов и электропитания. Современные усилители строятся по схемам, близким к схемам операционных усилителей.

В курсовом проекте производится проектирование современного усилителя низкой частоты и моделирование его настройки с помощью ЭВМ. Курсовой проект является завершающей частью изучения дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств». В процессе выполнения курсового проекта приобретаются практические навыки по расчету и настройке многокаскадного усилителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ

1.1 Выбор функциональной схемы

Решая  вопрос об использовании  ООС необходимо учитывать, что применение ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом расширяет полосу пропускания (связи типа H и Y), повышает стабильность коэффициента усиления (в том числе и термостабильность), уменьшает нелинейные искажения. В тех случаях, когда положительное действие ООС имеет существенное значение, принимают решение об использовании ООС.

При использовании ООС, её глубину определим исходя из требуемого

уменьшения нелинейных искажений  по формуле:

 

 

С учетом ООС следует  выбирать общий расчетный коэффициент  усиления (при разомкнутой ООС) по формуле:

 

 

 

 

Для P_{нагр. зад} >0,2 Вт на выходе усилителя  используем комплементарный повторитель, обладающий высоким коэффициентом полезного действия. Его коэффициент усиления приблизительно равен единице. Так как K_{расчетн} >50,  функциональная схема усилителя, должна содержать следующие каскады:

1-й каскад (входной) – дифференциальный,

2-й каскад (предвыходной) – с  общим эмиттером,

3-й каскад (выходной) – комплементарный.

Функциональная схема усилителя  показана на рисунке 1

 

Рисунок 1 – Функциональная схема  усилителя

1.2 Выбор и описание принципиальной схемы усилителя и назначение элементов

Определив количество и типы каскадов разрабатываемого усилителя, следует  конкретизировать их внутреннюю структуру (рисунок 2).

Первый (дифференциальный) каскад выполнен с использованием источника тока, что значительно повышает коэффициент ослабления синфазного сигнала, а значит улучшает качество усилителя. Источник тока в эмиттерной цепи выполнен по схеме токового зеркала для уменьшения температурной нестабильности. Так как  не требуется большой коэффициент усиления, то в коллекторной цепи используется один коллекторный резистор.

Второй каскад выполняется по схеме  с общим эмиттером. В его коллекторной цепи должен находиться источник напряжения смещения для выходного комплементарного каскада. Источник смещения выполнен из последовательно соединенных диодов, включенных в прямом направлении. Второй каскад должен выполняться с местной ООС. Это необходимо потому, что на его вход поступает выходное напряжение первого каскада, которое усилено по сравнению со входным сигналом усилителя. Если не применять во втором каскаде местную ООС, то нелинейные искажения в этом каскаде будут недопустимо велики. Здесь можно использовать ООС типа Z, так как ООС типа Z обеспечивает большое входное сопротивление и легко согласуется с выходным сопротивлением первого каскада. В качестве коллекторного сопротивления второго каскада использован резистор, что позволяет расширить полосу пропускания.

Третий каскад выполнен по схеме  комплементарного повторителя, т.к. заданная мощность в нагрузке позволяет подобрать комплементарную пару транзисторов. В данном курсовом проекте нелинейные искажения ограничиваются на достаточно низком уровне. Поэтому в выходном каскаде должно быть предусмотрено напряжение смещения между плечами комплементарного каскада, которое обеспечит минимальные искажения у выходных транзисторов. При этом велика опасность самоуничтожения комплементарного каскада. Поэтому в выходном каскаде предусмотрены статические транзисторные цепи защиты выходных транзисторов от перегрузки.

При использовании входного дифференциального каскада внешнюю ООС удобно реализовать по типу H.

С учетом изложенного электрическая  схема проектируемого усилителя  низкой частоты имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Электрическая схема  усилителя низкой частоты

 

Работа усилителя происходит следующим  образом. Входной сигнал поступает  на транзистор VT1, где усиливается  и инвертируется. Усиленный и  проинвертированный сигнал поступает  на транзистор VT5, где еще раз усиливается  и инвертируется. Сигнал с коллектора VT5 поступает на выход усилителя через комплементарный повторитель на транзисторах VT9…12. С выхода усилителя через делитель цепи ООС (R_ос.1, R_ос.2, C_ос.1, C_ос.2) часть выходного сигнала поступает на второй вход дифференциального каскада (VT2). Транзистор VT2 повторяет сигнал обратной связи на эмиттере VT1, чем и реализуется ООС типа H.

Назначение вспомогательных фрагментов схемы усилителя следующее:

Для задания эмиттерного тока в  дифференциальном каскаде используется источник стабильного тока на транзисторах VT3 и VT4, собранный по схеме токового зеркала.

Для создания динамической нагрузки в коллекторной цепи VT5 используется источник стабильного тока на транзисторе VT6.

Для создания источника напряжения смещения используются диоды VD1…VD3 включенные в прямом направлении.

Для защиты выходного каскада от перегрузки по выходу используются цепи статической транзисторной защиты, включающие в себя транзисторы VT7 и VT8, а так же резисторы R₁₃ и R₁₄ и диоды VD4, VD5.

Цепь ООС типа H реализуется на элементах R_ос.1, R_ос.2, C_ос.1, C_ос.2.

Для согласования параметров дифференциального  каскада с напряжением питания  используются резисторы R_бал и R₅.

Для выравнивания сопротивлений во входных цепях транзисторов VT1 и VT2 предназначен резистор R_доб.

1.3 Распределение заданных параметров усилителя по отдельным каскадам

На этом этапе заполняется таблица 1.

Общий коэффициент нелинейных искажений  приблизительно равен сумме коэффициентов  нелинейных искажений отдельных каскадов:

где К_1г – коэффициент нелинейных искажений первого каскада;

     К_2г – коэффициент нелинейных искажений второго каскада;

     К_3г – коэффициент нелинейных искажений третьего каскада;

Т.к. выбором напряжения смещения в  комплементарном повторителе можно  существенно уменьшить нелинейные искажения третьего каскада, а так же учитывая то, что второй каскад (с общим эмиттером) создает нелинейные искажения больше, чем первый, примем:

Тогда получаем рекомендацию по выбору K_1г в виде следующей формулы:

 

 

Учитывая, что для первого (дифференциального) каскада:

,

можем определить значение амплитуды  требуемого входного напряжения первого  каскада /7/ следующим образом:

Обеспечить требуемое значение входного напряжения можно при использовании общей ООС типа H со следующей глубиной:

1.4 Распределение коэффициентов усиления по отдельным каскадам

Распределение коэффициентов усиления по отдельным каскадам следует начинать с выходного каскада.

,

где  S_вых.тр – общая крутизна коллекторного тока пар выходных транзисторов VT10, VT11 и VT12, VT13; – термопотенциал p-n–перехода.

                                0,985

 

где К₃ – коэффициент усиления по напряжению выходного каскада.

Далее следует определить значение коэффициента передачи входной цепи. Для чего на этапе эскизного расчета положим: . Тогда:

Выбор значения сопротивления  R_ос1 производится на основании следующих критериев: во-первых, обязательно R_ос.1 ³ 3 R_н = 3 6 = 18 Ом;                                           во-вторых, обязательно R_ос.1 ³ R _ист = 2000 Ом; в-третьих, желательно выбрать минимальное значение R_доб = R_ос.1 – R _ист для уменьшения шумов на выходе.

На основании этих критериев выбирается R_ос.1 = 680 Ом.

Тогда коэффициент передачи входной  цепи определится, исходя из выражения:

Учитывая, что  , и выбирая , определим значение коэффициента усиления первого каскада по формуле:

_.

Для определения глубины местной  ООС типа Z зададимся значением амплитуды требуемого выходного напряжения второго каскада /7/:

.

Тогда глубина местной ООС во втором каскаде определится как:

1.5 Распределение частотных искажений по отдельным каскадам

При распределении частотных искажений  по отдельным каскадам необходимо учитывать, что для низких частот все частотные  искажения обусловлены только элементом С_ос.2 . Для верхних частот частотные искажения должны распределяться с учетом частотных свойств отдельных каскадов (наилучшими частотными свойствами обладает комплементарный повторитель, а наихудшими – каскад с общим эмиттером). С учетом вышеизложенного распределение частотных искажений по каскадам показано в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Эскизное распределение  параметров усилителя по каскадам

 
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ

Электрический расчет усилителя ведется от выхода к входу. На рисунке 3 представлена упрощенная электрическая схема, на основе которой удобно выполнять первый этап электрического расчета усилителя по постоянному току.

Рисунок 3 – Упрощенная электрическая  схема усилителя

 

2.1 Расчет по постоянному току для упрощенного варианта схемы

а) Определение напряжения питания.

   (15)

Здесь запланировано внутреннее падение  напряжения в источнике питания  в размере 5% от (min E_п).

Тогда с учетом (15) получим:

Выбирается  =21 В.

б) Выбор транзисторов VT11, VT12, VT9, VT10 производится по четырем параметрам: max U_кэ; max I_{к.средн}.; max P_трз; f^*_верх, значения которых не должны превышать значений, приведенных в справочнике.

 

;

.

 

 

 

 

 

 

Для транзисторов VT11, VT12:

 

                 (16)

здесь М_в.3 – коэффициент частотных искажений для третьего каскада в абсолютных единицах. 

 

 

Для выбранных транзисторов составлена таблица 2 /2/.

Таблица 2 – Выбор транзистора VТ11, VТ12.

Для транзисторов VT9, VT10:                         (17)

Получается:

Для выбранных транзисторов составлена таблица 3 /2/.

 Таблица 3 – Выбор транзистора VТ9, VТ10.

в) Определение сопротивления резисторов R₁₁, R₁₂:

                                     (18)             

Выбор сопротивлений резисторов R₁₃, R₁₄, отложим до пункта выбора элементов динамической защиты.

Примечание: сопротивление резисторов R11,R12 может быть изменено при выполнении расчета для средних частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) Выбор транзисторов VT5, VT6 производим с помощью следующих величин:

 

                            

здесь  M_в.2 – коэффициент частотных искажений для второго каскада (в абсолютных единицах);

           b^* - эскизное значение (b^* » 100).

Выбор транзистора VT5, VT6 оформим в виде таблицы 4.

Таблица 4 – Выбор транзистора  VT5, VT6

д) Определение сопротивления резистора R₈:

е) Определение электродвижущей  силы смещения (E_см.):

,

 здесь U_{бэ.пок.11}=0,4В; U_{бэ.пок.9}=0,65В если VT9,10 одиночный транзистор и U_{бэ.пок.9}=1,3В, если VT9,10 составные транзисторы.

ж) Определение сопротивления резистора R^*₁:

 

з) Выбор транзисторов VT1, VT2 производим с помощью следующих величин:

 

где М_в.1 - коэффициент частотных искажений для первого каскада (в абсолютных еденицах).

Выбор транзисторов VT1 и VT2 оформим в виде таблицы 5.

Таблица 5 – Выбор транзисторов VT1, VT2

и)Определение силы тока I_э.и.:

I_э.и. = 2Iк.пок.1 =

к) Определение сопротивления резистора R_доб:

R_доб = R_ос.1 – R_ист=1.3 кОм

На этом расчет упрощенной схемы  по постоянному току закончен.

2.2 Расчет параметров цепи динамической защиты выходного каскада от перегрузки по току

Сила тока в нагрузке при коротком замыкании:

;                                                                   (19)

 

При динамической защите сопротивление ограничивающего резистора

                                                               (20)

 

Сопротивления        (21)

 

                                                                          (22)

                                  

Проверим правильность расчета:

При коротком замыкании в нагрузке, сила тока в резисторе  :

;                                            (23)

Падение напряжение на резисторе  :

;                         (24)

  Напряжение на базо-эмиттерном переходе VT7:

 ;                          (25)

Получаем, что расчет динамической защиты произведен верно.

2.3 Расчет дополнительных элементов по постоянному току

а) Выбор транзисторов защиты VT7, VT8 производится с помощью следующих величин:

Выбор транзисторов VT7 и VT8 оформим в виде таблицы 6.

Таблица 6 – Выбор транзисторов VT7, VT8 

Наименование расчетного параметра	Значение Расчетного Параметра	Наименование справочного параметра	Значение справочного параметра	Наименование выбранного транзистора	Парамет ры
					b	Cк, пФ
max Uкэ, В	1,342	Uкэ.доп, В	25	2N5320 (n-p-n) BD244A (p-n-p),	40	60
max Iк, А	0,864	Iк.доп, А	1
max Pтр, Вт	1,159	Pтр.доп, Вт	25

 

б) Выбор диодов VD1…VD5:

Диоды VD1…VD3 предназначены для формирования ЭДС смещения.

Требуемое напряжение смещения можно  получить либо с помощью кремниевых  диодов, либо  светодиодов или  стабилитронов.

Выбор диодов VD1… VD3 следует производить  по силе тока, т.е. Iдоп. должен быть не менее Iк.п.5(7мА). Выбираются диоды 1N3611 I_доп=750 мА.

Выбор диодов VD4,5 производим по силе тока, которая не превышает maxI_к.кз.7.  Выбираются те же диоды 1N3611 (I_п.max.=1A).

 

в) Выбор элементов  источника тока на основе транзистора VT6:

В качестве транзистора VT6 выбираем комплементарный с VT5.

             (26)

г) Выбор элементов источника тока в эмиттерной цепи дифференциального каскада:

Для обеспечения глубокой ООС типа Z необходимо обеспечить

        (27)

Затем выбираем транзисторы VT3 и VT4, для чего определяем следующие  величины:

Выбор транзисторов VT3 и VT4  оформим в виде таблицы 7.

Таблица 7 – Выбор транзисторов VT3, VT4

Наименование расчетного параметра	Значение Расчетного Параметра	Наименование справочного параметра	Значение справочного параметра	Наименование выбранного транзистора	Парамет ры
					b	Cк, пФ
max Uкэ, В	5	Uкэ.доп, В	30	2N5192 n-p-n	100	7
max Iк, А	0,0035	Iк.доп, А	0,1
max Pтр, Вт	0,018	Pтр.доп, Вт	0,2

 

 

Далее определяем сопротивления  резисторов R₃ и R₄:

  (28)          

Определение сопротивления  резистора R₅:     

U_R5 » E_п – U_бэ.1 – maxU_кэ.3– I_э.и. ×R₂ = ;

 

2.4 Расчет для средних частот

а) Определение сопротивления  резистора R_ос.2:

 

 

 

 

 

 

 

б) Проверка значения коэффициента усиления первого каскада:

 

K^*₁ » K_{1.эскизн.}, значит можно перейти к рассмотрению второго каскада.

в) Проверка значения коэффициента усиления второго каскада.

 

 

K^*₂ < K_2.эскиз  Для увеличения K^*₂ уменьшим ток I_к.пок.9 и соответственно увеличим сопротивление резисторов R₁₁ и R₁₂.

После пересчета K^*₂ = 51,05, необходимое усиление выполняется.

г) Определение коэффициента полезного действия усилителя.

2.5 Расчет для нижних частот 

Емкость конденсатора С_ос.2 определяется по формуле /7/:

где М_н – заданные допустимые искажения на нижней частоте в абсолютных единицах.

2.6 Расчет для верхних частот.

 а) Определение постоянной времени входной цепи :

          (29)

б) определение постоянной времени межкаскадного соединения первого и второго каскадов:     

     (30)

в) Определение постоянной времени межкаскадного соединения второго и третьего каскадов :

               (31)

Так как для УНЧ емкость нагрузки не задана, то постоянную времени выходной цепи определять не следует.

г) Определение частот среза (по уровню –3дб), соответствующих постоянным времени межкаскадных соединений (без ООС).

Значения частот следует определять по формуле:

 

Результаты вычислений постоянных времени и соответствующих частот среза записать в таблицу 8.

      

                       Таблица 8 – Постоянные времени и частоты среза.

Каскады	Вх. цепь	1й-2й каскады	2й-3й каскады
	0,518	0,926	2,357
f, кГц	306,8	171,8	67,51

 

Асимптотический график АЧХ  и расчетная  АЧХ приведены на рисунке  4.

     

 Гц;

 Гц.

f^#=0,355 МГц;

;

 >

Значит, следует ввести в схему  усилителя конденсатор С_ос.1 , значение емкости которого необходимо рассчитать по формуле:

    (32)                            

Рисунок 4 – Асимптотическая  и  расчетная  ЛАЧХ

На этом электрический расчет закончен. Его результаты представлены в таблице 8.

 

Таблица 9 – Результаты электрического расчета.

 

Обозначение элемента на схеме	Тип или номинал
VT1,VT2, VT3,VT4 VT5  VT6 VT7  VT8 VT11 VT12 VT9 VT10	2N4123 2N5192 BC557A 2N4123 2N5320 BD244A TIP29 TIP30 Q2N4141 Q2N4143
VD1…VD5 VD4…VD5	1N3611 1N3611
R1, R2 R8,R10 R3 R4 R5 R6 R11,R12 R13,R14 R15,R17 R16,R18 R7	454 Ом, 0,125Вт 90 Ом, 0,125Вт 22 Ом, 0,125Вт 1,9 кОм, 0,125Вт 128 Ом, 0,125Вт 2,2 кОм, 0,125Вт 11 кОм, 0,125Вт 572 Ом, 0,125Вт 0,2 Ом, 0,5 Вт 238 Ом, 3 Вт 6 Ом, 0,125Вт 454 Ом, 0,125Вт  2кОм, 0,125Вт 71 Ом, 0,125Вт
Coc.1 Coc.2	5,3 нФ 0,6 мкФ

 

Предварительный выбор параметров схемы закончен.

 

 

 

 

 

 

 

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ УСИЛИТЕЛЯ  НА ЭВМ

На рисунке 5 представлена электрическая схема исследуемого усилителя выполненная в среде OrCAD 9.2 /4/.

Рисунок 5 –Электрическая схема усилителя для настройки на ЭВМ