Расчет усилителя мощности

Министерство  образования Республики Беларусь 
 
 

Учреждение  образования «Полоцкий государственный  университет» 
 
 
 

     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………………………...……………………………………...…..3

1. Задание и исходные данные……………………………………………..5
2. Определение числа каскадов…………………..………………………..6

Схема принципиальная………………………………………………….7

3. Расчет выходного каскада…………………………………...…………..8
1. Выбор транзистора……………………………………………………8

3.2.1. Расчет трансформатора……………………………………………….9

3.2.2. Расчет требуемого  режима транзистора…………………………....9

3.2.3 Расчет цепей питания……………………………………………......10

3.2.4. Расчет основных  характеристик выходного  каскада…………...11

3.2.5. Оценка нелинейных  искажений……………………………………12

4.  Расчет промежуточного  каскада………………………………………14

4.1. Расчет требуемого  режима транзистора…………………………….15

4.2. Расчет основных  характеристик промежуточного  каскада……...16

4.3. Расчет цепей питания………………………………………………….17

4.4. Оценка нелинейных  искажений……………………………………...18

5.    Особенности расчета  входного каскада…………………………..…20

5.1. Расчет требуемого  режима транзистора…………………………….20

5.2. Расчет основных  характеристик входного  каскада……………….21

5.3. Расчет цепей питания……………………………………………….....22

5.4. Оценка нелинейных  искажений……………………………………...23

6.  Номиналы разделительных  емкостей схемы………………………..25

7.  Заключение………………………………………………………………26

8.  Список литературы……………………………………………………..27

Приложение 1……………………………………………………………….28

Приложение 2……………………………………………………………….29

Эскиз…………………………………………………………………………30

Спецификация……………………………………………………………...31

 

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 комплексный характер, являясь электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УНЧ определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.

      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  частотными и нелинейными искажениями. УНЧ с узкой или фиксированной рабочей частотой  предназначены, в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазо-частотной характеристикой. Однако отмеченные особенности УНЧ не исключают общего подхода к проектированию.

      

      Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую  верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном каскаде использован  мощный транзистор. Вместе  комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

      Для оценки возможности использования  таких транзисторных усилителей сопоставляются основные параметры с требованиями, которые к ним часто предъявляются. Требования повышения точности работы системы в различных климатических устройствах вынуждают стабилизировать коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования предъявляются к частотным искажениям, а в усилителях системы автоматики, управляющих двигателями переменного тока, к уменьшению фазового сдвига. Обычно, без специальных мер, транзисторные усилители не удовлетворяют этим требованиям.

      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 схему  выходного каскада, выбрать усилительный прибор и определить основные параметры выходного каскада.

     2. При окончательном расчете усилителя  определить номинал каждого элемента  схемы. 

     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:

L_T2>> (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:

     U_Rэ=(0,1…0,2)Еп

     U_Rэ=0,1·15=1,5 (В); 

     Определяем  эквивалентное сопротивление  нагрузки:

     Rэкв=(Rн^* ·Rк)/(Rн^*+ Rк)

     Rэкв =(58,8·117,6)/(58,8+117,6)=39,2 (Ом); 

   Определим точки для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ817А:

        U_кэ= Е_п=15 (B)                        I_к=Е_п /R_н=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=U_Rэ+U_бэ0 , где U_бэ0 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)І_б0 , где І_б0=І_к0/h_21э

     І_б0=0,6/30=0,02(А);

     Ід=60 (мА) 

     Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:

     Rэ=U_Rэ/( І_к0+ І_б0),

     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+ І_б0),

     Rб2=(15-2,3)/(0,06+0,02)=158,75 (Ом) 

     Сэ=115пФ – справочное значение. 

     3.2.4. Расчет основных характеристик выходного каскада. 

     τ_ос=1/2πf_гр - постоянная времени цепи 

     τ_ос=1/(2·3,14·3·10⁶)=0,05·10^-6; 

     r_б= τ_ос/Ск

     r_б= 0,05·10^-6/(60·10^-12)=833 Ом 

     Δr=(1,5…2,0) Ом 

     Iэ=I_к0+I_б0

     Iэ=600+20=620 (мА); 

     r_э=25,6/Іэ

     r_э=25,6/620=0,04 (Ом) 

     Определим коэффициент усиления каскада:

     К₀=S₀*Rэкв,

     где S₀ – низкочастотное значение крутизны транзистора в рабочей точке

     S₀=h21э/(r_б+(1+h21э)*( r_э+Δr));

     Значит  :

     S₀=30/(833+(1+30)(0,04+1,5))=0,034 

     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:

     τ_в= , (Cн≈(2…5)пФ)

     τ_в= =1,5·10^-6  

     Найдем  Rвх выходного каскада:

     Rвх=

     Rвхт=r_б+(1+h21)(r_э+Δr)

     Rвхт=833+(1+30)(0,04+1,5)=880,74 (Ом)

     R₁₂=

     R₁₂= =30,85 (Ом)

     Значит  Rвх= =30,11 (Ом)

     Рассчитаем  входную динамическую емкость каскада:

     Свхд=τ/r_б+Ск(1+К₀), где τ= =(0,034·833)/(2·3,14·3·10⁶)=1,5·10^-6

     Свхд=((1,5·10^-6)/833)+60·10^-12(1+1,33)=1,9·10^-9 (Ф) 

      

     3.2.5 Оценка нелинейных искажений. 

     Построим  сквозную характеристику:

     Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·30,11=(60,22÷150,55) (Ом).

     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·

     І_m1= (мА)

     І_m2= (мА)

     І_m3= (мА)

     І_m4= (мА) 

     Значит  Кг=100· % 
 
 
 
 
 

     

     

     4. Расчет промежуточного каскада.

     Исходными данными для проектирования промежуточного каскада являются:

      - требуемый коэффициент усиления  К₀;

      - максимально допустимый коэффициент частотных искажений М_в;

      - 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

     τ_ос=1/2πf_гр

     τ_ос=1/(2·3,14·3·10⁶)=0,05·10^-6; 

     r_б= τ_ос/Ск

     r_б= 0,05·10^-6/(60·10^-12)=833 Ом

     Δr=(1,5…2,0) Ом

     I_б0=І_к0/h21=0,47/40=0,01175 (А) 

     Iэ=I_к0+I_б0

     Iэ=11,75+470=481,75 (мА); 

     r_э=25,6/Іэ

     r_э=25,6/481,75=0,053 (Ом) 

     Исходя из этих данных:

     Rвхт=r_б+(1+h21)(r_э+Δr)

     Rвхт=833+(1+40)(0,053+1,5)=896,673 (Ом)

     4.3 Расчет цепей питания. 

     U_Rэ= (0,1…0,2)Еп

     U_Rэ=1,2 (В) 

     Определим потенциал в точке  а:

     

     Ua=U_Rэ+U_бэ0 ,

     Ua=1,2+0,7=1,9 (В) 

     Зададимся током делителя, образованного  резисторами Rб1 и Rб2:

     Ід=(3…10)І_б0 , где І_б0=І_к0/h_21э

     Ід=35,25 (мА) 

     Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:

     Rэ=U_Rэ/( І_к0+ І_б0),

     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+ І_б0),

     Rб2=(6-1,9)/(0,03525+0,01175)=87,2 (Ом) 

     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 Е_{к ок} – напряжение источника питания оконечного каскада,

     Rф=(15-6)/(0,47+0,03525+0,01175)=17,4 (Ом)

     Сф=(10…20)/(2·3,14·100·17,4)=1,83 (мФ) 

     Определим коэффициент усиления каскада:

     S₀=Н21э/(r_б+(1+Н21э)*( r_э+Δr)),

     S₀=40/(833+(1+40)(0,053+1,5))=0,044 

     К₀=S₀*Rэкв

     Ко=0,044·2,31=0,1 
 

     4.4 Оценка нелинейных  искажений.

     Построим  сквозную характеристику: