Проектирование и расчет низкочастотного усилителя Министерство образования Российской Федерации Уфимский государственный авиационный технический университет Кафедра технической кибернетики 26.2.070107.421ПЗ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине «Общая электротехника и электроника» по теме: Проектирование и расчет низкочастотного усилителя Выполнил: студентка гр. САУ-302 Иванова И. Проверила: доцент кафедры ТК Костюкова Л. П. Уфа 2007 Введение Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов. Усилители, одни из самых широко используемых устройств в радиотехнике. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь) и через трансформатор (трансформаторная связь). Все характеристики усилителя можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала. Часто работа усилителя необходима в определенном спектре частот. Одним из вариантов решения подобных задач заключается в использовании усилителей низкой частоты. Курсовой проект посвящен исследованию и разработке функциональных блоков и устройств информационных систем. К таким блокам относится усилитель низкой частоты. Выходное сопротивление генератора очень мало. С целью его наилучшего использования, необходимо создать такое сопротивление нагрузки генератора, которое, как минимум, на порядок превышает его внутреннее сопротивление: Rн =10*Rген =10*10 кОм=100 кОм=0.1 МОм. 1. функциональная схема усилителя В данной работе для реализации была выбрана следующая схема: Входным каскадом является на основе неинвертирующей схемы включения операционный усилитель (К140УД6), который обеспечивает высокое входное сопротивление (1 МОм). Это необходимо для согласования усилителя с источником входного сигнала, за счет снятия нагрузки с источника входного сигнала. Каскад предварительного усиления является многозвеньевым и обеспечивает заданную форму логарифмической амплитудной характеристики. Выходным каскадом является усилитель мощности, который обеспечивает согласование с нагрузкой и обеспечивает выходной сигнал по мощности. В качестве усилителя мощности наиболее часто применяются бестрансформаторные усилители, которые характеризуются простотой схемного построения, отсутствием нестандартных деталей, высокими качественными показателями, малыми габаритами и весом. Наиболее удобно применение двухтактных усилителей мощности, выполненных на транзисторах с дополнительной симметрией и работающих в режимах классов В и АВ. Такие усилители хорошо сопрягаются с ОУ и могут с ними охватываться общей отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька». С этой целью рекомендуется использовать режим работы класса АВ. 2. Расчет и проектирование элементов усилителя 2.1 Р асчет усилителя мощности Рассчитаем усилитель по схеме: Определяется амплитудное значение коллекторного напряжения одного плеча: = = Определим необходимое напряжение источника питания: , где Uk min примем равным 1,5 В. По полученному значению Ek выберем из ряда стандартных напряжений ближайший в сторону увеличения стандартный номинал напряжения источника питания. В нашем случае это 6,3 В (Ek =6,3 В). Определим амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT3(VT4): . Определяем среднее значение тока, потребляемое от источника питания оконечным каскадом: = , где Iok – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4 (примем Iok =25 мА). Определяем мощность, потребляемую от источников питания оконечным каскадом при номинальной выходной мощности = . Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора оконечного каскада = . По рассчитанным значениям Pk , 2Ek , (Ikm +30%) и требованиям к частотным свойствам (n³20 кГц) подбираем транзисторы VT3 и VT4. При этом они должны иметь одинаковые параметры и ВАХ. Итак, должны выполняться следующие условия: , т.е. ( ) , т.е. ( ) , т.е. ( ) Этим условиям удовлетворяют параметры транзисторов КТ819А (n-p-n) и КТ818А (p-n-p). Они подходят по максимально допустимым параметрам и имеют одинаковые параметры и ВАХ. По статическим характеристикам транзисторов VT3(VT4) определяем амплитудное значение тока базы Iб m и напряжение на базе Uбm (Рис 1): Iб m = 180 мA, Uб m =0,42 В. Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока: Rвх T3~ = = Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT3,VT4): Uвхт3 = Uб m +Ukm = 0,42+2,83 =3,25 В Определяем величину сопротивлений резисторов R3 и R4. Она выбирается в 5÷10 раз больше значения входного сопротивления переменному току транзисторов VT3 и VT4 при максимальном входном сигнале: R3=R4=(5÷10)Rвх T3~ = . По полученному значению R3 (R4) выберем из ряда стандартных сопротивлений резисторов ближайший в сторону увеличения стандартный номинал сопротивления резисторов R3 (R4). В данном случае R3=R4=150 Ом Находим сопротивление эмиттерной нагрузки транзисторов VT1 и VT2: Rнт1 = . Рассчитаем режим работы транзисторов VT1 и VT2. Найдем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT1: IkmT 1 = . Определяем среднее значение тока I0 = , где Iok - начальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 примем равным 1,5 мА. Определяем мощность при номинальной выходной мощности: Р0 = . Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора: Рк = = . Аналогично вышеуказанному способу, выбираем пару транзисторов VT1 и VT2. В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем соответственно транзисторы КТ503А(n-p-n) и КТ502А (p-n-p): , т.е. ( ) , т.е. ( ) , т.е. ( ) По статическим характеристикам транзисторов VT1(VT2) определяем амплитудное значение тока базы Iбм и напряжение на базе Uбм (Рис 2): Iб m =5,3 мА, Uб m =186 мВ. Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока: Rвх T 1~ = = . Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT1,VT2): UвхТ1 =Uб mТ1 +UkmT 1 =0.186+3,25=3,436B, заметим, что UkmT 1 =UвхТ3 =3,25 В. Так как Rвх T 1~ < 1 кОм, значит RвхУМ < 1 кОм (RвхУМ = Rвх T 1~ | | R1 ). {Находим делитель R1 -VD1-VD2-R2 по Iд = 7.5·I0б T1 =0,375мА, по Uд ≈ U0 bT1 =0,34 В. Определяем диод по этим параметрам: выбираем КД514А. Определяем R1 (R2 ): R1 =R2 = = . Выбираем сопротивление из стандартного ряда (±5%): R1=R2=33 кОм. Найдем входное сопротивление усилителя мощности: RвхУМ = .} 2.3 Расчет теплоотвода для транзисторов выходного каскада Подводимая к усилителю электрическая мощность рассеивается в основном помимо нагрузки, на транзисторах оконечного каскада. Вследствие этого температура внутренних областей и корпуса прибора превышает температуру окружающей среды. Температура p – n – переходов является важнейшим фактором, от которого зависят не только величины основных параметров, но и общая работоспособность приборов. С целью удержать температуру на допустимом уровне используют теплоотводящие радиаторы. Определим требуемую площадь радиатора, изготовленного из алюминия с коэффициентом теплопроводности К=0,0013 Вт/см2 *градус. Примем температуру окружающей среды равной =50 . =125 - максимальная температура переходов для транзисторов VT3 и VT4 с радиатором (взята из справочника). =4.73 Вт - суммарная мощность рассеивания на переходах транзисторов VT3 и VT4, Тепловое сопротивление между полупроводником и корпусом: TK определяется по графику (Рис. ): TK =380 К=107 0 C Необходимая поверхность охлаждения приближенно равна: 2.4 Расчет коэффициента нелинейных искажений и параметров цепи обратной связи. Для учета неполной идентичности плеч двухтактного каскада считают, что их коэффициенты передачи, а значит, и амплитуды всех гармоник выходных токов отличаются от средних в 1+v/2 раз, причем в разных плечах в разные стороны.(v=0,1….0,2) В результате амплитуды нечетных гармоник токов транзисторов в выходном колебании каскада оказываются удвоенными, а у четных гармоник ввиду их вычитания остается нескомпенсированная часть, равная v. Для расчета нелинейных искажений используем метод пяти ординат заполняем таблицу и строим косинусоиду: 1 2 3 4 Ik (мА) 800 1800 2900 3800 Iб (мА) 20 46 118 200 Uбэ (В) 0,78 0,86 0,98 1,2 Ec (В) 0,917 1,175 1,787 2,568 Ec =Uвх +iвх Rс Ec =Uбэ +iб Rс Rс =rэт1 = = Ec 1 =0,78+0,002·6,84=0,917 В Ec 2 =0,86+0,046·6,84=1,175 В Ec3 =0,98+0,118·6,84=1,787 В Ec4 =1,2+0,2·6,84=2,568 В Рис.3 I1 =800 мА I2 =2150 мА I3 =3200 мА I4 =3800 мА a=сos(3 /8)=0.383 b=cos( /4)=0.707 c=cos( /8)=0.924 IA =(I1 -2I2 +I3 +I4 /2)/2b=(800-2·2150+3200+1900)/2·0.707=1131,54 мА IB =I4 /2-I1 =3800/2 – 800=1100 мА IM =[a(I4 +I3 /b)-2I2 ]/c=[0.383· (3800 + 3200/0.707) – 2·2150]/0.924= – 1202мА IN =I4 -I3 /b=3800 – 3200/0.707= – 726,17мА Считаем гармоники: Im1 =(I4 +I3 /b)/2=(3800 + 3200/0.707)/2=4163 мА Im2 =v(IB + IA )/4=0.1· (1100 + 1131,54)/4=55,79 мА Im3 =( IN + IM )/4=(-726,17 - 1202)/4= – 482 мА Im4 =v(I1 -I3 +I4 /2)/4=0.1· (800 – 3200 + 1900)/4= – 125 мА Im5 =( IN - IM )/4=(–726,17 + 1202)/4=118,96 мА Im 6 =v(IB -IA )/4=0.1· (1100 – 1131,54)/4=-0,79 мА Считаем коэффициент нелинейных искажений: KГ = = KГос = K* =KУМ ·KОУ KУМ = ОУ выбирается по следующим параметрам: Ek =6.3B, UвхУМ =3,45B, R вхУМ =1.485 кОм, Iб mT 1 =0.09 мА. Выбираем 140УД1. KОУ =1350 K=0.82·1350=1107 Находим коэффициент усиления: = Найдем сопротивления R1 и R2 ОУ: = Примем R1 = 5 кОм тогда Сопротивления R1 и R2 удовлетворяют условию: < < Найдем коэффициент передачи ОУ и УМ: , значит нужен расчет каскада предварительного усиления. 2.5 Выбор и расчет каскадов предварительного усиления Найдем коэффициент передачи по напряжению всей схемы: K0 = = Найдем коэффициент передачи по напряжению каскада предварительного училения: K2 = = K2 =1+ Примем R3=0.5 кОм, тогда Сопротивления R3 и R4 удовлетворяют условию: < < Заключение Итак, согласно заданию к курсовой работе, я спроектировал и рассчитал усилитель низкой частоты, удовлетворяющий всем заданным условиям. Для охлаждения транзисторов в усилителе используется алюминиевый радиатор площадью 31,6 см2 . СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник. 2-е изд.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-384с.