Усилитель низкой частоты

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему

Усилитель низкой частоты

вариант 71

Тюмень 2013 г.

Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

Усилители постоянного тока - усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Избирательные усилители - усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными.

Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видео усилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Целью роботы является приобретение навыков расчета усилителя переменного тока, на примере бестрансформаторного усилителя низкой частоты (УНЧ).

1. Предварительный расчет УНЧ

.1 Разработка технического задания

Для предварительного расчета УНЧ исходными данными являются:

1) Требуемая мощность УНЧ Рвх= 3Вт;

) Сопротивление нагрузки Rн = 8 Ом;

) Напряжение Источника входного сигнала Uвх = 25 мВ;

) Внутреннее сопротивления источника сигнала Ru =200 Ом;

) Диапазон частот ?н =?в =50-20000;

) Коэффициент частотных искажений Мн = Мв =1,3

Считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях. Температура окружающей среды: Tmin=+15 °С ;Ттаx = +25 °С.

.2 Разработка структурной схемы УНЧ

Для этого необходимо определить:

) коэффициент усиления УНЧ по мощности Кр;

) число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

) тип схемы и типы транзисторов выходного (оконечного) каскада.

Порядок расчета УНЧ:

Нахождение мощность входного сигнала

Где:

;

Находим требуемый коэффициент усиления по мощности

Где:

-коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3...0,5).

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах

Находим число каскадов усилителя и составим структурную схему УНЧ. Для предварительного усиления, как правило, применяютусилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 дб.

Тогда m = Кр[дб] /20 (4)

Где: m -число каскадов

Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.

m=3

Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по мощности равной 10 дб.

В таком случае усиление в схеме УНЧ составит: Кр[дб]= 20 m+10.

Структурная схема УНЧ приведена на рис.1, где цифрами 1-3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 - выходной (оконечный) каскад.

Рис. 1. УНЧ. Схема структурная

.3 Предварительный расчет оконечного каскада УНЧ

Высокие качественные показатели имеют каскады, в которых применяют транзисторы разного типу электропроводности (комплементарные пары) Для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В).Режим В имеет высокий КПД (?=0,6÷0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения .Исходя из этого будем применять схему бестрансформаторного каскада усиления на транзисторах разного типу проводимости (рис.1,а) и режиму АВ. Режим АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В. Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В таком случае нагрузка подключается через конденсатор большой емкости.

Рис .1а

Тип транзисторов выходного каскада выбираем по величине максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе Рк макс, а также максимальному току коллектора - Iк макси частотным особенностям - fh21Е :

(5)

Получаем:

Величину максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе

Максимальный ток коллектора

И частотные характеристики

Из справочника выбираем транзисторы: КТ816А и КТ817А со следующими параметрами

Таблица 1

Тип транзистораСтруктураРк макс, мВтh21Э (?)?h21 МГцГраничный режимКласс по мощностиUк макс ВIк макс мАКТ 816 А КТ 817 Аp-n-p n-p-n1000 (25000) 1000 (25000)>20 >203 340 403000 3000 Большой мощности

Напряжение источника питания выбираем из условия:

UК макс ? EK ? 2(Uнач + Umвых),

где Uк макс - максимально допустимое напряжение на коллекторе;

Uнач1В - коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (определяется из статических характеристик выбранного транзистора);вых = Umн - амплитуда выходного напряжения.

вых = (2 РвыхRн)1/2 (8)

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению. Получаем Eк =24 вольт

.4 Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ

На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен на рис.5. В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1-VТ3, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости - VТ4, VТ5. Транзистор VT5 должен иметь такие же параметры, какVT4, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы - для нее не нужен фазоинверсный каскад. Для обеспечения питания оконечного каскадаот однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду ик нагрузке через конденсаторы С8, С10 . Резистор R9 является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С11- фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R14 обычно составляет несколько десятков Ом.Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R15, R16. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызываетизменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 - 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквознойток транзисторов VT4и VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD1 незначительна, можно считать, что попеременному току базы транзисторов VT4 и VT5 объединены. Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа. Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

электронный усилитель ток каскад

2. Окончательный расчет УНЧ

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

расчет оконечного каскада УНЧ;

расчет каскада предварительного усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ: вначале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем - каскадов предварительного усиления.

.1 Окончательный расчет оконечного каскадаУНЧ

Параметры транзисторов КТ816А и КТ817А приведены в таблице №1

а) б)

Рис. 2 Характеристики транзисторов оконечного каскада: а) входная б) выходная

Из выходных характеристик получаем следующие параметры:

Umн=8 В; Iкн =0,8А

Оцениваем получаемую мощность

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора

Входная мощность плеча

Вт

Находим величины резисторов R1 и R2

Где Iд -ток делителя

Сопротивление делителя

Входное сопротивление выходного каскада составит

Амплитуда входного напряжения каскада

Находим емкость разделительного конденсатора

Выбираем конденсатор К 50-35 500мкФ 50В

2.2 Расчет каскада предварительного усиления

В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.

Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия обеспечения однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.

Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 2,а, с такими исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета):

) напряжение на выходе каскада - Uвых.т= Umн;

) сопротивление нагрузки Rн = RВХ;

) напряжение источника питания - Eк;

) нижняя граница частот - fн ;

) допустимое значение коэффициента искажений в области низких частот-Мн.

Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

) тип транзистора (уточнить правильность предварительного выбора);

) режимы роботы транзистора;

) сопротивления резисторов делителяR1,R2;

) сопротивление резистора коллекторной нагрузкиRК;

) сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ;

) емкость разделительного конденсатора С2;

) емкость конденсатора в цепи эмиттераСЭ;

) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току К1, по напряжению КU и по мощности КP .

При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 % (выходя из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).

Порядок расчета

Проверяем правильность предварительного выбора транзистора.

Для нормального режима роботы транзистора:

) допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания

max>EK

) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора

max>IK0 + IKm,

А 148мА

где IK0- ток покоя в цепи коллектора;амплитуда переменной составляющей токав цепи коллектора;

= Uвых.т / Rн?,

где Rн? = RК RВХ /RК+RВХ- эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом RК является нагрузкой постоянному току.

Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачимощности задаем:

К = RВХ .=150 Ом

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают

=(1,05...1,1)IKm.

52мА

На основании этих ограничений необходимо выбрать транзистор.

По результатам предварительного расчета был выбран усилительным элементом транзистор типа КТ502.

По данным табл. 3 находим, что заданным требованиям отвечает транзистор КТ502, у которого

max = 60 В, ІK max = 300 мА, h21Э = 40...120, РK max = 500 мВт.

Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:

Э0 = Uвых.т + Uост,

гдеUост - напряжение между коллектором иэмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейныеискажения.

Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.

Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:

=IK0 UKЕ0

432мВт

При этом необходимообеспечить выполнение условия:

PK < PK max

<500

Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает требованиямпо мощности.

Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора:

К = RВХ=150 Ом

Рассеиваемая мощность на резисторе составит:

РRк = IK02RК.

МЛТ 150 Ом 0.5Вт

Находим сопротивление резистора RЭ в цепи термостабилизации

RЭ=.

ОМ

При этом необходимо выполнение соотношенияЭ / RК = (0,1...0,4)

/150= 0.3

для обеспечения условий температурной стабилизации режима покоя каскада.

Мощность, рассеиваемая на RЭ составит:

РR = IK02RЭ.

ВТ

МЛТ 50 Ом 0.125 Вт

Находим емкость конденсатора СЭ .

Емкость СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте fн должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора RЭ .Э ?

где множитель 106 позволяетполучить значение емкости в микрофарадах.

Рабочее напряжение на СЭС = IK0RЭ.

К 50-35 200мкФ 5В

Находим величину тока покоя базы транзистора:

IБ0 = ІК0 / h21Эmin .

Находим величину напряжения покоя между базой и эмиттером транзистора.

Поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6 В, то напряжение покоя базы

Б0 =0,6 В

И можно найти ориентировочное значение входного сопротивления транзистора

rвх= UБ0 / IБ0

Находим величину сопротивлений резисторов делителя R1 ,R2 .

Величина тока в делителе выбирается в пределах

ІД =(2÷5)ІБ0,

Что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.

Падение напряжения на резисторе RЭ составляет

Э =(IK0 + IБ0) RЭ.

Тогда

R1 =

5.3кОм

R2 =

Находим мощность, что выделяется в резисторах R1 и R2:= (IБ0 + IД)2R1;

= IД2R2 .

R1=5.6 кОм 0.125 Вт; R2=270 Ом 0.125 Вт

Находим емкость конденсатора С2 .

Емкость С2 выбираем из условия обеспечения допустимого значения коэффициента частотных искажений Мн :

С2?

значения получим в микрофарадах.

Рабочее напряжение С2 примем равным

=1,5EK

К50-35 5мкФ 50В

Находим амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада:

вх.т =

Где h21Э min - минимальное значение коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ для выбранного транзистора.

Uвх.т= Iвх.тrвх.

Необходимая мощность входного сигнала

Рвх =

120мкВ

Находим расчетные коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности

К1=h21Э min

КU=h21Э min

.5

КP=K1KU ;

[КP]дБ=101g КP .

Заключение

Каскад рассчитан правильно, если значения коэффициента усиления по мощности равны приблизительно 20 дБ, как и было, принято раньше.

Так как, диапазон возможных значений коэффициента усиления по току у транзистора очень широкий: для КТ502 он составляет h21Э = 40...120, то каскад имеет запас по усилению.

Литература

1. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств/ Под ред. А.А. Ровдо.- М., 2001.-368 с.

. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий и др. -Телеком, 1999.

. Справочник по расчету электронных схем./ Б.С. Гершунский. - Киев: Высшая школа; Изд-во при Киев. ун-те, 1983. - 240 с.

. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.- М.: Высшая школа, 1991.

Приложение 1

Таблица 3 - Основные параметры некоторых транзисторов

Тип транзистораСтруктураРк макс, мВтh21Э (?)?h21 МГцГраничный режимКлас по мощностиUк макс ВIк макс мАКТ 361 Г КТ 3107 Е КТ 315 Гp-n-p p-n-p n-p-n150 300 15050-350 120-220 50-350250 200 25035 20 3550 100 100Малой мощностиКТ 502 В КТ 503 Вp-n-p n-p-n500 50040-120 40-1205 560 60300 300Средней мощностиКТ 814 А КТ 816 А КТ 815 А КТ 817 Аp-n-p p-n-p n-p-n n-p-n1000 (10000) 1000 (25000) 1000 (10000) 1000 (25000)>40 >20 >40 >203 3 3 340 40 40 401500 3000 1500 3000Большой мощности*) В скобках приведена мощность с дополнительным теплоотводом

Приложение 2

Таблица 4 - Ряды номинальных значений

Индекс рядаПозиции рядаДопустимые отклонения от номинальной величины, %Е 61,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,820Е 121,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,210Е 241,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,15

Таблица 5 - Постоянные резисторы

Тип транзистораДиапазон сопротивленийНоминальная мощность, ВтМЛТ1 Ом - 3,01 МОм 1 Ом - 51 МОм 1 Ом - 10 МОм0,125 0,25;0,5 1;2С2-321 Ом - 3 МОм 1 Ом - 5,1 МОм 0,1 Ом - 5,1МОм 1 Ом - 10 МОм 1 Ом - 22МОм0,125 0,25 0,5 1 2

Приложение 3

Таблица 6 - Конденсаторы постоянной емкости

Номинальное напряжение, ВНоминальная емкость, мкФК 50-7К 50-35К 50-18К 10-17К 73-176,320;30;50; 100;200;5002200001010;20;30;50; 100;200;500; 1000;2000;5000100000165;10;20;30;50; 100;200;300; 1000;2000;500022000 68000 100000252;5;10;20;30;50;100;200;500; 1000;2000;500015000 33000 100000502;5;10;20;30; 50;100;200; 500;1000;20004700 1000 15000 220000.001 0.01 0.022 0.056630.22;0.33; 0.47;0.68; 1;1.5;2.2;1000.5;1;2.5;10; 20;30;502200 4700 100001602;50; 100; 200;5001.2;5;10;201.5;2.225010;20; 50; 100;2001000 47000.047; 0.068;0.1; 0.15;0.22;3005;10; 20;50; 100;20035010;20; 50;10045010;20; 50;100

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫ

Больше работ по теме: