Расчет усилителя мощности. 2
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Полоцкий государственный
Кафедра радиоэлектроники
Курсовая работа
по курсу: «Аналоговые электронные устройства»
на тему: «Расчет усилителя мощности»
Выполнил: студент гр. 05-РТ
Ковалева Н.А.
Проверил: Капралов М.Е.
Содержание
Введение………………………...…………………………
- Задание и исходные данные……………………………………………..5
- Определение числа каскадов…………………..………………………..6
Схема принципиальная…………………………………………
- Расчет выходного каскада…………………………………...…………..8
- Выбор транзистора…………………………………………………
…8
3.2.1. Расчет
трансформатора…………………………………………
3.2.2. Расчет
требуемого режима транзистора…
3.2.3 Расчет цепей питания……………………………………………......
3.2.4. Расчет
основных характеристик
3.2.5. Оценка
нелинейных искажений…………………………
4. Расчет
промежуточного каскада……………………
4.1. Расчет требуемого
режима транзистора…………………………….
4.2. Расчет основных
характеристик промежуточного
4.3. Расчет цепей питания………………………………………………….17
4.4. Оценка нелинейных искажений……………………………………...18
5. Особенности
расчета входного каскада………………
5.1. Расчет требуемого
режима транзистора…………………………….
5.2. Расчет основных
характеристик входного
5.3. Расчет цепей
питания……………………………………………….....
5.4. Оценка нелинейных искажений……………………………………...23
6. Номиналы
разделительных емкостей схемы…
7. Заключение……………………………………………………
8. Список
литературы……………………………………………………
Приложение 1……………………………………………………………….28
Приложение 2……………………………………………………………….29
Эскиз…………………………………………………………………
Спецификация………………………………………………
Введение
Электронные усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой частоты fн до какой-то частоты fв. Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.
Особенности УНЧ, требования
к их показателям во многом определяются
характером нагрузки и условиями
их применения. Нагрузка в подавляющем
большинстве случаев носит
Круг требований к
УНЧ с довольно широкой полосой
рабочих частот связан, в основном,
с интервалом рабочих частот, в
пределах которого полезный сигнал должен
усиливаться с допустимыми
Транзисторные усилители
имеют сравнительно небольшую верхнюю
граничную частоту усиления, если
в оконечном каскаде
Для оценки возможности
использования таких
Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении свойств УНЧ. Эти задачи усложняются требованиями сохранения работоспособности усилителя в широком температурном диапазоне окружающей среды и значительным техническим разбросам параметров транзисторов.
1.Задание и исходные данные
1. Составить структурную схему
усилителя и принципиальную
2. При окончательном
расчете усилителя определить
номинал каждого элемента
Исходные данные:
Рн=1 Вт;
Rн=6 Ом;
Кг=≤5 %;
Fн=100 Гц;
Fв=10 кГц;
Mн=3 дБ;
Mв=6 дБ;
Eс=0,5 В;
Rс=50 кОм;
Uпит=15 В.
В ходе данной работы будут использоваться обозначения:
Еп= Uпит,
Rг= Rс,
Ег=Ес.
2. Определение числа каскадов.
Для многокаскадного усилителя (рис.1)
Рисунок 1. – Структурная схема усилителя.
Для определения числа каскадов необходимо знать коэффициент усиления усилителя. Его можно рассчитать по следующим формулам:
Uвыхмах= (В) – амплитуда выходного напряжения;
Кu= (дБ) – коэффициент усиления усилителя;
Исходя из этих формул определим число каскадов:
n=lgKu=lg 9,78=0,99≈1.
Значит число каскадов должно быть не меньше одного. В своей работе я возьму три каскада. Принципиальная схема изображена на рисунке 2:
Рисунок 2. – Схема принципиальная.
3. Расчет выходного каскада.
3.1. Выбор транзистора.
Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:
- граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:
fгр≥(10…100) fв,
fгр≥1 МГц;
- предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:
Uкэмах>(2…3)Uвыхмах,
Uкэмах>10,38 В;
- предельно допустимого тока коллектора:
Ікмах>(2…3) Uвыхмах/Rн,
Ікмах>1,73 А.
Исходя из этих предельных параметров возьмем транзистор КТ817А.
Типовая схема оконечного каскада приведена на рисунке 3:
Рисунок3 – Схема выходного каскада.
3.2.1. Расчет трансформатора
Pkmax≥P≈max;
Pkmax=1, значит выберем мощность трансформатора равную (0,1-1)Вт, тогда =(0,7-0,85)
Сопротивление нагрузки в цепи с трансформатором:
Rн*=(Uпит-Uкэмах)2/(2 P≈max),
Rн*=(15-25)2/(2·0,85)=58,8 (Ом);
Параметры трансформатора:
1. Коэффициент трансформации:
n2=
2. Индуктивность намагничивания трансформатора:
LT2>> (Гн)
3.Активное сопротивление первичных и вторичных обмоток:
r21=0,58Rн* · (1- )=0,58·58,8· (1-0,85)=5,11 (Ом)
r22= (Ом)
3.2.2. Расчет требуемого режима транзистора.
Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:
Rк=(1…2) Rн*,
Rк=2·58,8=117,6 (Ом);
Задаемся падением напряжения на Rэ:
URэ=(0,1…0,2)Еп
URэ=0,1·15=1,5 (В);
Определяем
эквивалентное сопротивление
Rэкв=(Rн* ·Rк)/(Rн*+ Rк)
Rэкв =(58,8·117,6)/(58,8+117,6)=39,
Определим точки для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ817А:
Uкэ= Еп=15 (B) Iк=Еп /Rн=15/6=2,5 (A)
Рисунок 4 – Входные и выходные динамические характеристики.
Ток коллектора в рабочей точке:
Ік0=0,6А
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:
Uкэ0=12В
3.2.3. Расчет цепей питания.
Наиболее широкое распространение получила схема эмиттерной термостабилизации (рис. 3). Проведем расчет этой схемы:
Определим потенциал в точке а:
Ua=URэ+Uбэ0 , где Uбэ0 напряжение база-эмиттер в рабочей точке,
Ua=1,5+0,8=2,3 (В)
Зададимся током делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:
Ід=(3…10)Іб0 , где Іб0=Ік0/h21э
Іб0=0,6/30=0,02(А);
Ід=60 (мА)
Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:
Rэ=URэ/( Ік0+ Іб0),
Rэ=1,5/(0,6+0,2)=2,4 (Ом)
Rб1= Ua/ Ід,
Rб1=2,3/0,06=38,3 (Ом)
Rб2=(Eп-Ua)/( Ід+ Іб0),
Rб2=(15-2,3)/(0,06+0,02)=158,
Сэ=115пФ – справочное значение.
3.2.4. Расчет основных характеристик выходного каскада.
τос=1/2πfгр - постоянная времени цепи
τос=1/(2·3,14·3·106)=0,05·10-6
rб= τос/Ск
rб= 0,05·10-6/(60·10-12)=833 Ом
Δr=(1,5…2,0) Ом
Iэ=Iк0+Iб0
Iэ=600+20=620 (мА);
rэ=25,6/Іэ
rэ=25,6/620=0,04 (Ом)
Определим коэффициент усиления каскада:
К0=S0*Rэкв,
где S0 – низкочастотное значение крутизны транзистора в рабочей точке
S0=h21э/(rб+(1+h21э)*( rэ+Δr));
Значит :
S0=30/(833+(1+30)(0,04+1,5))=
Ко=0,034·39,2=1,33
Определим требуемое значение постоянной времени:
τ′в= ,
Мві=Мв/(n+1);
Мві=6/2=3 дБ;
Значит :
τ′в= =0,5·10-3 с;
Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени:
τв= , (Cн≈(2…5)пФ)
τв= =1,5·10-6
Найдем Rвх выходного каскада:
Rвх=
Rвхт=rб+(1+h21)(rэ+Δr)
Rвхт=833+(1+30)(0,04+1,5)=880,
R12=
R12= =30,85 (Ом)
Значит Rвх= =30,11 (Ом)
Рассчитаем входную динамическую емкость каскада:
Свхд=τ/rб+Ск(1+К0), где τ=
=(0,034·833)/(2·3,14·3·106)=1,
Свхд=((1,5·10-6)/833)+60·10-12
3.2.5 Оценка нелинейных искажений.
Построим сквозную характеристику:
Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·30,11=(60,
Выберем Rс=100 (Ом)
Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице1.
Таблица 1 - Данные для построения сквозной характеристики:
Іб, мА |
Ік, мА |
Uбэ, В |
Іб· Rс, В |
Ес= Іб· Rс+ Uбэ, В |
1 |
200 |
0,7 |
0,1 |
0,8 |
3 |
300 |
0,75 |
0,3 |
1,05 |
5 |
600 |
0,8 |
0,5 |
1,3 |
7 |
700 |
0,85 |
0,7 |
1,55 |
10 |
800 |
0,9 |
1,0 |
1,9 |
Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Сквозная характеристика.
По сквозной характеристике определяем коэффициент гармоник:
Кг=100·
Іm1= (мА)
Іm2= (мА)
Іm3= (мА)
Іm4= (мА)
Значит Кг=100· %
4. Расчет промежуточного каскада.
Исходными данными для проектирования промежуточного каскада являются:
- требуемый коэффициент усиления К0;
- максимально допустимый коэффициент частотных искажений Мв;
- максимальное выходное
напряжение сигнала Uвыхмах;
- величина и характер нагрузки.
Оценим значение Uвыхмах:
Uвыхмах=U′выхмах/ К′0 ,
где U′выхмах – максимальное выходное напряжение следующего каскада;
К′0 – коэффициент усиления следующего каскада.
Нагрузкой промежуточных каскадов является Rвх следующего каскада.
Т.е. расчет промежуточного каскада в принципе не отличается от расчета оконечного каскада. Только при использовании соотношений, приведенных в подразделе 3, следует Rн и Сн соответственно заменять на Rвх и Свхд. Значит Rн=20,9 Ом, Сн=1,9·10-9 Ф
Схема промежуточного каскада с ОЭ приведена на рисунке 6.
При расчете требуемого режима транзисторов промежуточного каскада будем ориентироваться на соотношения, приведенные в п.3.2.2.
Значит аналогично 3.1 выберем транзистор:
Uвыхмах=U′выхмах/ К′0
Uвыхмах=3,46/1,33=2,6В
Uкэмах>(2…3)Uвыхмах,
Uкэмах>2,6·3=7,8В;
Ікмах>(2…3) Uвыхмах/Rн,
Ікмах>2·2,6/30,11=0,17А.
Исходя из этих предельных параметров возьмем транзистор КТ815А
Рисунок 6 – Промежуточный каскад
Чтобы питать все каскады от одного источника питания, промежуточные каскады следует подключать к нему через фильтрующую цепь Rф Сф.
4.1. Расчет требуемого режима транзистора.
Выберем источник питания Еп для промежуточного каскада:
Еп не должно превышать Uкэмах, значит Еп не должно превышать значения 7,8В и должно соответствовать рекомендованному ряду:
Еп=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)В
Исходя из этого возьмем значение Еп=6В.
Построим входную и выходную характеристики транзистора КТ815А:
Рисунок 7 – Входные и выходные динамические характеристики.
Ток коллектора в рабочей точке:
Ік0=470мА
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:
Uкэ0=12,5В
4.2. Расчет основных характеристик промежуточного каскада.
Расчет проводим аналогично расчету выходного каскада
τос=1/2πfгр
τос=1/(2·3,14·3·106)=0,05·10-6
rб= τос/Ск
rб= 0,05·10-6/(60·10-12)=833 Ом
Δr=(1,5…2,0) Ом
Iб0=Ік0/h21=0,47/40=0,01175 (А)
Iэ=Iк0+Iб0
Iэ=11,75+470=481,75 (мА);
rэ=25,6/Іэ
rэ=25,6/481,75=0,053 (Ом)
Исходя из этих данных:
Rвхт=rб+(1+h21)(rэ+Δr)
Rвхт=833+(1+40)(0,053+1,5)=
4.3 Расчет цепей питания.
URэ= (0,1…0,2)Еп
URэ=1,2 (В)
Определим потенциал в точке а:
Ua=URэ+Uбэ0 ,
Ua=1,2+0,7=1,9 (В)
Зададимся током делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:
Ід=(3…10)Іб0 , где Іб0=Ік0/h21э
Ід=35,25 (мА)
Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:
Rэ=URэ/( Ік0+ Іб0),
Rэ=1,2/(0,47+0,01175)=2,49 (Ом)
Rб1= Ua/ Ід,
Rб1=1,9/0,03525=53,9 (Ом)
Rб2=(Eп-Ua)/( Ід+ Іб0),
Rб2=(6-1,9)/(0,03525+0,01175)=
Сэ=75пФ – справочное значение
Исходя из этих данных находим R12:
R12=
R12= =33,31 (Ом)
Найдем Rвх:
Rвх=
Rвх= =32,11 (Ом)
Исходя из этих данных можно определить Rэкв:
Rэкв= = =2,31 (Ом)
Зная Rэкв можно определить Rк:
Rэкв= ,
51,59Rк=124,509
Rк=2,41 (Ом)
Рассчитаем Rф и Сф:
При параллельном включение фильтрующей цепи ее номиналы определяются из следующих соотношений:
Rф= ,
Сф= ,
где Ек ок – напряжение источника питания оконечного каскада,
Rф=(15-6)/(0,47+0,03525+0,
Сф=(10…20)/(2·3,14·100·17,4)=
Определим коэффициент усиления каскада:
S0=Н21э/(rб+(1+Н21э)*( rэ+Δr)),
S0=40/(833+(1+40)(0,053+1,5))=
К0=S0*Rэкв
Ко=0,044·2,31=0,1
4.4 Оценка нелинейных искажений.
Построим сквозную характеристику:
Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·32,11=(64,
Выберем Rс=120 (Ом)
Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице2.
Таблица 2 - Данные для построения сквозной характеристики:
Іб, мА |
Ік, мА |
Uбэ, В |
Іб· Rс, В |
Ес= Іб· Rс+ Uбэ, В |
1 |
300 |
0,65 |
0,12 |
0,77 |
5 |
470 |
0,7 |
0,6 |
1,3 |
10 |
680 |
0,78 |
1,2 |
1,98 |
15 |
800 |
0,82 |
1,8 |
2,62 |
20 |
950 |
0,9 |
2,4 |
3,3 |
Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 8.
Рисунок 8 – Сквозная характеристика.
По сквозной характеристике определяем коэффициент гармоник:
Кг=100·
Іm1= (мА)
Іm2= (мА)
Іm3= (мА)
Іm4= (мА)
Значит Кг=100· %
5. Особенности расчета входного каскада.
Обычно от входного каскада
требуется обеспечение
Рисунок 9 – Входной каскад.
Аналогично промежуточному каскаду находим Rн:
Rн=Rвх промежуточного каскада, Rн=32,11.
Значит аналогично выберем транзистор:
Uвыхмах=U′выхмах/ К′0
Uвыхмах=2,6/0,1=26В
Uкэмах>(2…3)Uвыхмах,
Uкэмах>26·3=78В;
Ікмах>(2…3) Uвыхмах/Rн,
Ікмах>2·26/32,11=1,6А.
Исходя из этих предельных параметров возьмем транзистор КТ816Г.
5.1. Расчет требуемого режима транзистора.
Выберем источник питания Еп для входного каскада:
Еп не должно превышать значения 78В и должно соответствовать рекомендованному ряду:
Еп=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)В
Исходя из этого возьмем значение Еп=12,6В.
Построим входную и выходную характеристики транзистора КТ816Г:
Рисунок 10 – Входные и выходные динамические характеристики.
Ток коллектора в рабочей точке:
Ік0=1,2А
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:
Uкэ0=10В
5.2. Расчет основных характеристик входного каскада.
Расчет проводим аналогично расчету выходного каскада
τос=1/2πfгр
τос=1/(2·3,14·3·106)=0,05·10-6
rб= τос/Ск
rб= 0,05·10-6/(60·10-12)=833 Ом
Δr=(1,5…2,0) Ом
Iб0=Ік0/h21=1,2/25=0,048 (А)
Iэ=Iк0+Iб0
Iэ=48+1200=1248 (мА);
rэ=25,6/Іэ
rэ=25,6/1248=0,02 (Ом)
Исходя из этих данных:
Rвхт=rб+(1+h21)(rэ+Δr)
Rвхт=833+(1+25)(0,02+1,5)=872,
5.3 Расчет цепей питания.
URэ= (0,1…0,2)Еп
URэ=0,2·12,6=2,52 (В)
Определим потенциал в точке а:
Ua=URэ+Uбэ0 ,
Ua=2,52+0,8=3,32 (В)
Зададимся током делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:
Ід=(3…10)Іб0 , где Іб0=Ік0/h21э
Ід=144 (мА)
Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:
Rэ=URэ/( Ік0+ Іб0),
Rэ=2,52/(0,048+1,2)=2,019 (Ом)
Rб1= Ua/ Ід,
Rб1=3,32/0,144=23,05 (Ом)
Rб2=(Eп-Ua)/( Ід+ Іб0),
Rб2=(12,6-3,32)/(0,144+0,048)=
Сэ=115пФ – справочное значение
Исходя из этих данных находим R12:
R12=
R12= =15,6 (Ом)
Найдем Rвх:
Rвх=
Rвх= =15,3 (Ом)
Исходя из этих данных можно определить Rэкв:
Rэкв= = =2,6 (Ом)
Зная Rэкв можно определить Rк:
Rэкв= ,
Rк=2,93 (Ом)
Рассчитаем Rф и Сф:
Rф= , где Екок – питание промежуточного каскада
Сф= ,
Rф=(15-12,6)/(1,2+0,144+0,048)
Сф=(10…20)/(2·3,14·100·1,72)=
Определим коэффициент усиления каскада:
S0=Н21э/(rб+(1+Н21э)*( rэ+Δr)),
S0=25/(833+(1+25)(0,02+1,5))=
К0=S0*Rэкв
Ко=0,028·2,93=0,08
5.4 Оценка нелинейных искажений.
Построим сквозную характеристику:
Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·15,3=(30,6÷
Выберем Rс=70 (Ом)
Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице3.
Таблица 3 - Данные для построения сквозной характеристики:
Іб, мА |
Ік, мА |
Uбэ, В |
Іб· Rс, В |
Ес= Іб· Rс+ Uбэ, В |
0,5 |
600 |
0,65 |
0,035 |
0,685 |
1 |
950 |
0,7 |
0,07 |
0,77 |
5 |
1200 |
0,8 |
0,35 |
1,15 |
10 |
1450 |
0,9 |
0,7 |
1,6 |
15 |
1600 |
1 |
1,05 |
2,05 |
Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Сквозная характеристика.
По сквозной характеристике определяем коэффициент гармоник:
Кг=100·
Іm1= (мА)
Іm2= (мА)
Іm3= (мА)
Іm4= (мА)
Значит Кг=100· %
6. Определим номиналы разделительных емкостей схемы.
Ср= ,
Rл – сопротивление, стоящее слева от Ср, Rп – сопротивление, стоящее справа от Ср.
М′н=Мн/N, Мн – в разах, N – количество Ср в схеме.
М′н=3/4=0,75дБ,
М′н=100,75/20=1,09 раз
Исходя из этого:
Ср1= (Ф)
Ср2= (Ф)
Ср3= (Ф)
Ср4= (Ф)
8. Список литературы.
1. А.С. Красько. Аналоговые
2. А.С. Красько. Схемотехника аналоговых электронных устройств.
3. Г.В. Войшвилло. Усилительные устройства.
4. Л.В. Кропочева. Усилительные устройства.
5. А.В. Бердников, М.В.
Семко. Проектирование и
6. В.И. Галкин, А.Л. Булычев, П.М. Лямин. Полупроводниковые приборы. Транзисторы.
7. Заключение.
Выполненная курсовая работа представляет собой расчет усилителя мощности на биполярных транзисторах.
В ходе работе выполнен полный электрический расчет усилителя, разработан конструктивный чертеж устройства.
Выходной каскад содержит трансформатор.
Трансформаторные усилители мощности имеют небольшой КПД за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора .
Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике из-за ряда существенных недостатков:
-малое КПД
-большие частотные
искажения за счет
-большие нелинейные
искажения за счет тока
-невозможность реализации в виде интегральных микросхем.