Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет усилителя низкой частоты. 3

Содержание

Введение...............................................................................................................3

1 Задания на выполнение курсовой работы......................................................4

2 Расчет усилителя низкой частоты..................................................................5

2.1 Расчет выходного каскада...........................................................................5

2.2 Расчет предоконечного каскада..................................................................8

2.3 Расчет входного каскада............................................................................10

2.4 Расчет элементов цепи обратной связи....................................................15

3 Компоновка схемы усилителя с последовательной ООС по напряжению.......................................................................................................17

Заключение.........................................................................................................21

Список литературы............................................................................................22

Электрическая принципиальная схема............................................................23

Перечень элементов электрической принципиальной схемы УНЧ.............24

Введение

Целью курсового проектирования является закрепление знаний по схемотехнике аналоговых электронных устройств, выбору их элементов, расчету качественных характеристик, приобретению навыков моделирования, оформления пояснительной записки и чертежей. В число проектируемых устройств входят различные усилители, генераторы гармонических колебаний, стабилизаторы постоянного напряжения.

Усилитель является одним из основных узлов различной аппаратуры в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от источника питания. По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.
усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.
усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль. Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.

Точный анализ аналоговых устройств приводит к громоздким соотношениям, мало пригодным для практики инженерных расчетов. Рекомендуем использовать приближенные эквивалентные схемы и методы анализа, позволяющие получить простые и наглядные соотношения для параметрического синтеза устройств. Уточненный анализ и подгонку значений элементов спроектированных таким образом устройств можно

выполнить затем путем компьютерного моделирования с помощью пакетов Electronics Workbench или ASIMEC.

1 Задания на выполнение курсовой работы

Пусть стоит задача выбора основных элементов двухтактного выходного каскада усилителя звуковых частот, представленный на рисунке 1, с выходной мощностью Вт и сопротивлением нагрузки Ом.

Исходные параметры цепи приведены с соответствии с таблицей 1:

Таблица 1

Исходные данные

Вариант	, Вт	, Ом	, мВ	, Ом	, Гц	, кГц	, ^оС
6	5	8	1000	300	15	25	50

где - активная мощность в нагрузке;

- активное сопротивление нагрузки;

- ЭДС источника сигнала;

- внутреннее сопротивление источника сигнала;

- нижняя граничная частота полосы пропускания на уровне 3 дБ;

- верхняя граничная частота полосы пропускания на уровне 3 дБ;

- максимальная температура окружающей среды.

2 Расчета усилителя низкой частоты

2.1 Расчет выходного каскада

Усилитель низкой частоты выполнен по схеме с квазидополнительной симметрией выходных транзисторов. Усилитель питается от двухполярного источника. В точке покоя напряжение на нагрузке устанавливается равным нулю. В УНЧ используется цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению через резистор R₁ и вольтодобавочная цепь положительной обратной связи за счет элементов С₂ и R₆ [11,18].

Так как выходные каскады являются основными потребителями энергии источников питания, они работают в режиме класса В или класса АВ, обеспечивая высокий КПД. Для получения хороших энергетических показателей и небольших нелинейных искажений выбираем режим АВ. Резисторы R₉ и R₁₀, служащие для температурной стабилизации исходных рабочих точек оконечных транзисторов VT4 и VT5, берут порядка (5…15)% от . Выбираем R₉ = R₁₀ = 1 Ом из ряда Е₁₂ с номинальной мощностью рассеяния 1 Вт.

Тогда полное сопротивление нагрузки одного плеча в соответствии с формулой (1) составит:

(1)

где – активное сопротивление нагрузки;

– сопротивление, находящийся в цепи усилителя VT4;

Требуемая максимальная выходная мощность , которую должны обеспечить транзисторы и которая определяется по формуле (2):

где – выходная мощность;

Максимальная амплитуда тока нагрузки определяется в соответствии с формулой (3):

Требуемая величина напряжения источника питания, определяется в соответствии с формулой (4):

где – остаточное напряжение, которое определяется по формуле (5):

(5)

где –напряжение на коллектор – эмиттер для транзистора VT2, равное 0,5 В;

– напряжение насыщения на эмиттер – базе для транзистора на VT4, равное 0,8 В;

Выбираем Е = 11 В.

Максимальная мощность потерь в каждом из выходных транзисторов [11] определяется по формуле (6):

где - коэффициент использования напряжения источника питания, который определяется по формуле (7):

Максимальное напряжение на оконечном транзисторе каждого плеча примерно равно удвоенному напряжению источника питания (когда один из транзисторов закрыт, а другой почти открыт) в соответствии с формулой (8):

По значениям, и выбираем оконечные транзисторы типа КТ817В, основные параметры которого представлены в таблице 2.

Таблица 2

Основные параметры транзистора типа КТ817В


3	5	60	60	5	25

25	2	1	0,6	0,1	3

Необходимая поверхность пластинчатого радиатора в квадратных сантиметрах при условии, что максимальная температура окружающей среды =50 ^оС, а температура перехода не превысит =120 ^оС, находится по формуле (9):

где - тепловое сопротивление переход-корпус, равное ;

Роль такого радиатора может выполнить алюминиевая пластина со сторонами 10 и 4 см.

2.2 Расчет предоконечного каскада

Ток покоя оконечных транзисторов выбирают в диапазоне (3…10)% от максимального тока нагрузки. В соответствии с формулой (10) примем

Исходный ток через резистор примем равным 10% от (токи через резисторы и выбирают в несколько раз больше, чем токи баз VT4 и VT5) в соответствии с формулой (11):

Исходное напряжение на резисторе найдем по формуле (12):

где – пороговое напряжение входной характеристики транзистора;

Величина сопротивления резистора определяем по формуле (13):

Выбираем из ряда Е₁₂ с допустимым отклонением 10%. Максимальное напряжение на резисторе - определяем в соответствии с формулой (14):

Максимальные токи определяются в соответствии с формулой (15):

где – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе, который равняется , представленному в таблице 2;

2.3 Расчет входного каскада

Максимальный ток транзистора VT2 определяется в соответствии с формулой (16):

мА.

Максимальное напряжение на транзисторе VT2 определяется по формуле (17):

Напряжения на транзисторах VT2 и VT4 практически одинаковы. Поэтому их максимальные мощности потерь различаются во столько же раз, что и токи и находят по формуле (18):

По найденным значениям максимального тока, напряжения и мощности выбираем в качестве VT2 транзистор типа КТ315B, а VT3 – транзистор типа КТ361B. Это наиболее распространенные транзисторы разного типа проводимости с одинаковыми параметрами, представленные в таблице 3.

Таблица 3

Параметры транзисторов типов КТ315B, КТ361B

Транзистор типа КТ315B

30	-	40	-	6	150

20…90	10	1	0,4	1	250
Транзистор типа КТ361B

50	-	40	40	4	150

40…160	10	1	-	1	250

Максимальный ток базы транзистора VT2 определяется в соответствии с формулой (19):

где - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе, который равняется , представленному в таблице 2;

Требуемый ток коллектора в рабочей точке транзистора VT1 находим по формуле (20):

Принимаем ток мА.

Максимальная мощность потерь в транзисторе VT1 определяем по формуле (21):

В качестве VT1 выбираем транзистор КТ315В.

Для сохранения высокого коэффициента использования источника питания при открывании транзистора VT3 потери постоянного напряжения на резисторе R₅ (он служит для температурной стабилизации режима VT1) должны быть небольшими.

Принимаем В.

Тогда сопротивление найдем по формуле (22):

Требуемое исходное напряжение смещения на резисторе близко к сумме пороговых напряжений база-эмиттер транзисторов VT2, VT4, VT3 и рассчитывается следующим образом:

Отсюда находим значение сопротивления по формуле (23):

Суммарное падение напряжения на резисторах и определим как разность в соответствии с формулой (24):

Следовательно, сумма сопротивлений и равна:

Сопротивление резистора R₆ выбирается из условий [7]:

Выберем R₃=3,3 кОм, R₆=1,5 кОм из ряда Е₁₂.

Напряжение на вольтодобавочном конденсаторе в соответствии с формулой (25) составит:

По формуле (26) определим, когда мгновенное значение напряжения на нагрузке достигает максимального значения

Напряжение в точке вольтодобавки по ниже приведенным расчетам составит:

Ток делителя, задающий режим работы транзистора VT1, выбираем на порядок больше тока базы этого транзистора, который рассчитывается в соответствии с формулой (27):

Тогда легко можно рассчитать значения сопротивлений резисторов и в соответствии с формулами (28 и 29):

где – ток делителя, равный 0,5 мкА;

За cчет резистора R₁ осуществляется общая параллельная ООС по постоянному напряжению, стабилизирующая начальный режим работы всех транзисторов (в отсутствии входного сигнала регулировкой R₁ выставляется нулевое напряжение на нагрузке). Таким образом, режим транзистора VT1 стабилизируется комбинированной ООС (еще есть ООС за счет R₅). Для температурной стабилизации начального смещения выходных транзисторов желательно вместо резистора R₄ применить три последовательно включенных диода с прямым падением напряжения 0,65В (например, КД503А).

Основное достоинство рассчитываемого выходного каскада – обеспечение высокого коэффициента полезного действия. Оценим его величину, вычислив по формуле (30).

Суммарная мощность потерь в выходных транзисторах – 2×1,45=2,9Вт, в транзисторах предоконечного каскада – 2×0,0807=0,1614 Вт, в резисторах R₉ и R₁₀ – 1,25 Вт.

Оценим качественно усилительные свойства каскада на средних частотах. Без цепи ПОС (если убрать конденсатор C2) эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора VT1 Ом по переменному току представленная в формуле (31) можно определить как:

где - входное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторах VT2 и VT4;

2.4 Расчет элементов цепи обратной связи

Цепь положительной обратной связи поддерживает неизменным напряжение на резисторе R₃, создавая эффект динамической нагрузки. Переменная составляющая коллекторного тока, ответвляющаяся в резистор R₃, резко уменьшается (в 20-50 раз), что увеличивает эквивалентное сопротивление нагрузки для VT1 и коэффициент усиления каскада с ОЭ по напряжению. Отрицательная обратная связь через резистор R₁ по переменному току в этом случае не работает.

При увеличении внутреннего сопротивления источника входного сигнала начинает проявляться параллельная ООС по напряжению через резистор R₁. Коэффициент усиления по току который при большой глубине ООС стремится к величине , найдем по формуле (32), а также он уменьшает входное сопротивление каскада до значения вычисляется по формуле (33):

Сквозной коэффициент усиления при большой глубине ООС стремится к величине определяемый по формуле (34):

где - внутреннее сопротивление источника сигнала;

- ЭДС источника сигнала;

Входной каскад с регулировкой коэффициента усиления обеспечивает предварительное усиление сигнала по напряжению. Он использует неинвертирующее включение операционного усилителя DA1.1, что позволяет получить большое входное сопротивление УНЧ. Практически близкое к нулю выходное сопротивление каскада превращает его в идеальный источник напряжения для каскада на операционном усилителе DA1.2, обеспечивающего регулировку тембра.

Применен активный симметричный регулятор тембра, не вносящий потерь в нейтральном положении. ОУ здесь охвачен цепями ООС, представляющими собой частотно зависимые делители напряжения нижних (R₄…R₇, C₂…C₃) и верхних (R₈…R₁₀, C₄) частот.

При диапазоне регулирования тембра 20 дБ элементы схемы можно определить из следующих соотношений, представленных по формулам (35):

где и - нижняя и верхняя частоты регулирования [19];

Коэффициент усиления выходного каскада по напряжению определяется по формуле (36) отношением величин сопротивлений резисторов R₁₀ и R₉:

3 Компоновка схемы усилителя с последовательной ООС по напряжению

В выходном каскаде без отрицательной обратной связи по переменному току в режиме АВ остается заметный уровень нелинейных искажений (5…15%). Так как в усилителях звукового сопровождения допустимая величина коэффициента нелинейных искажений не должна превышать 1%, необходимо вводить ООС глубиной не менее 10…15.

Наиболее эффективным путем улучшения качественных показателей УНЧ является введение в него общей последовательной ООС по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление, уменьшает выходное сопротивление и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению. Такую ООС удобно вводить, когда входной каскад УНЧ выполнен по схеме дифференциального усилителя. На один вход дифференциального усилителя можно подавать входной сигнал, а на другой – сигнал обратной связи.

Рационально дифференциальный каскад подключить к выходному каскаду непосредственно (без разделительного конденсатора), построив таким образом своеобразный операционный усилитель с мощным выходом. Вариант принципиальной схемы УНЧ с последовательной ООС по напряжению приведен на рисунке 2, а его функциональная схема с выделением операционного усилителя (гальванически связанные каскады на транзисторах VT1-VT11 образуют УПТ с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления по напряжению) – на рисунке 3.

Рисунок 2. УНЧ с последовательной ООС по напряжению

Используется неинвертирующее включение ОУ, при котором на средних частотах коэффициент усиления по напряжению определяется выражением в соответствии с формулой (37) (при большой глубине ООС):

Конденсатор С₂ поставлен для того, чтобы ООС по постоянному току была стопроцентной. В этом случае исходное напряжение на нагрузке автоматически устанавливается близким к нулю (отсутствует сдвиг нулевого уровня на выходе ОУ).

Входное сопротивление УНЧ определится как , и желательно выбирать R₄=R₁. Тогда начальное смещение на выходе ОУ не превысит величины , где - разность входных токов ОУ (токов баз транзисторов VT1 и VT2).

Стабилизатор общего тока эмиттеров VT1 и VT2 во входном дифференциальном каскаде выполнен на отражателе тока VT5, VT6. Величину тока выбирают порядка долей миллиампера. Чем больше ток, тем больше коэффициент усиления дифференциального каскада по напряжению. Стабилизируемый ток задается резистором по формуле (38):

Роль динамической нагрузки каскада выполняет токовое зеркало на транзисторах VT3, VT4. Коэффициент усиления по напряжению при этом удваивается (переменная составляющая тока транзистора VT2 также участвует в усилении сигнала).

Резистор R₈ не зашунтирован блокирующим конденсатором и выполняет роль элемента местной ООС (последовательной по току), увеличивающей входное сопротивление каскада на транзисторе VT7, что позволяет повысить коэффициент усиления по напряжению входного дифференциального усилительного каскада.

Корректирующий конденсатор делает постоянную времени каскада на транзисторе VT7 много большей, чем постоянные времени других усилительных каскадов в области верхних частот. Это позволяет сформировать желаемую ЛАЧХ операционного усилителя с наклоном минус 20 дБ/дек и обеспечить устойчивость УНЧ при большой глубине обратной связи.

Расчет емкостей конденсаторов С₁, С₂, С₃ производится по допустимой величине частотных искажений на нижней частоте рабочего диапазона, емкость конденсатора С₄ определяется по заданной величине с учетом обеспечения устойчивости при рассчитанной глубине ООС.

Характеристики биполярного транзистора представлены в соответствии с рисунками 4 и 5.

Рисунок 4. Входная характеристика транзистора типа КТ361В

Рисунок 4. Выходная характеристика транзистора типа КТ361В

Заключение

Из проведенной работы следует, что полученная выходная характеристика расчетной схемы полностью удовлетворяет условиям задания.

Работа демонстрирует основы расчета усилителя низкой частоты с трансформаторной связью между каскадами, что позволяет достичь полного согласования нагрузки с выходным сопротивлением транзистора, а, следовательно, максимального усиления мощности в каждом каскаде.

Схема настраивается относительно несложно из-за применения ОУ в предварительном усилителе, вместо двух усилительных каскадов на транзисторах. Также применение ОУ значительно уменьшило низкочастотные искажения.

Недостатком спроектированного усилителя является подборка элементов, так как очень трудно подобрать одинаковые транзисторы. Также недостатком данного усилителя является сравнительно большое количество элементов, что приводит к трудностям при настройке схемы усилителя.

Список литературы

1. Григорьев О.П. Справочник по транзисторам. М. 1989 г.

2. Штумпф Э. П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника: Учебник. Спб: Судостроение, 1993.

3. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. М.: Радио и связь, 1984.

4. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное пособие: Транзисторы биполярные и полевые, диоды, варикапы, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы. А.И. Аксенов, А.В. Нефедов.-Москва, «Солон-Р», 2000.

5. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. А.Б. Гицкевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1988.

6. Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой мощности: А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова.- М.: Радио и связь, 1989.

7. Справочник по расчету электронных схем. Б.С. Гершунский. Киев: Высш. школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1983.