Проектирование и расчет усилителя низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Выбор и анализ структурной схемы

2. Расчет принципиальной схемы

2.1 Исходные данные для расчета

2.2 Расчет схемы усилителя низкой частоты

2.2.1 Расчет выходного каскада

2.2.2 Расчет входного каскада

2.2.3 Расчет цепи отрицательной обратной связи

2.2.4 Расчет разделительных конденсаторов С1, С2 и резистора R2

2.2.5 Расчет КПД усилителя

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Одной из наиболее важных операций в электронике является усиление. На базе усилителей построены практически все электронные устройства. Усилители электрических сигналов классифицируются по ряду признаков: характеру усиливаемых сигналов; диапазону частот; назначению; электрическим характеристикам усиливаемого сигнала; типу усилительных (активных) элементов.

Современная электроника предъявляет высокие требования к качественным показателям усилительных устройств. Несмотря на существующее многообразие типов ИМС, рассматриваемых как активные усилительные элементы, использование транзисторов во многих случаях практики является более предпочтительным. Так, например, ИМС не всегда могут выдержать конкуренцию в вопросах обеспечения больших уровней сигнала, малых уровней внутренних шумов, заданных верхних граничных частот, в ряде случаев гибкости получения конфигурации схем с качественными различными показателями и др. Проектирование усилительных устройств на транзисторах (дискретных элементах) является основой схемотехнического синтеза микросхем. Кроме того, сочетание при проектировании тех и других усилительных элементов может привести к более изящным техническим решениям, удовлетворяющим поставленным техническим задачам. Таким образом, проектирование усилителей на транзисторах является основой для успешного проектирования современных усилительных и аналоговых устройств.

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.

Разрабатываемый усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов указанного частотного диапазона. Область применения устройства достаточно широка. Оно может быть использовано в качестве узла радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в быту или любой другой сфере человеческой деятельности.

1. Выбор и анализ структурной схемы

На сегодняшний день наиболее распространены три основных варианта построения усилителей мощности:

- на основе одной интегральной микросхемы, реализующей в себе все необходимые каскады для получения требуемой мощности на заданной нагрузке;

- на основе операционного усилителя, реализующего функцию усиления напряжения, и выходных транзисторных каскадов, обеспечивающих получение заданной мощности в нагрузке;

- на основе транзисторных каскадов предварительного усиления и усилителя мощности, выполненных на дискретных элементах. Обобщенная структура усилителя мощности приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя мощности

Построение выходного каскада. Применение трансформаторов в каскадах усиления мощности существенно увеличивает их массогабаритные и- стоимостные показатели, в особенности это относится к интегральным усилительным каскадам, которые широко применяются в измерительно-преобразовательных устройствах. В настоящее время применение трансформаторных каскадов оправдано лишь при необходимости получения значения напряжения на нагрузке, во много раз превышающего величину напряжения питания, и при необходимости обеспечения гальванической развязки между входом усилителя и его нагрузкой. Существует множество различных схем бестрансформаторных каскадов.

Рассмотрим лишь некоторые, позволяющие понять общие принципы их построения. Усилительные каскады, используемые для построения усилителей мощности, бывают двух типов - однотактные и двухтактные. В однотактном усилительном каскаде обе полуволны входного сигнала усиливаются одним транзистором, работающим в линейном режиме, или так называемом режиме А (точка А на входной вольтамперной характеристике для схемы ОЭ, рис. 2).

К достоинствам схемы однотактного каскада относятся её простота и сравнительно малые нелинейные искажения, а к недостаткам - низкая экономичность. Вследствие этого однотактные усилители применяются только при сравнительно небольших мощностях в нагрузке.

В двухтактном усилителе мощности усиление сигнала происходит за два такта. В течение одного полупериода входного сигнала усиление осуществляется одним транзистором, другой транзистор в течение этого полупериода или его части закрыт, При следующем полупериоде входного сигнала усиление осуществляется вторым транзистором, а первый при этом закрыт. Такая поочередная работа транзисторов позволяет использовать экономичные режимы В и АВ (рисунок 2). В режиме В точка покоя находится в начале вольтамперной характеристики, при напряжении смещения, равном нулю. Нелинейность начального участка характеристики вызывает нелинейные искажения типа "ступенька". Для уменьшения нелинейных искажений применяется режим АВ, при котором рабочая точка располагается в начале линейного участка характеристики. Различают схемы с питанием от одного источника и с питанием от двух источников.



Рисунок 2 - Режимы работы усилителя мощности

Выходные каскады усилителей мощности могут выполняться на транзисторах одного типа проводимости (при этом на входе должны быть противофазные сигналы), но чаще выполняются на комплементарных парах транзисторов.

Выходные каскады на комплементарных парах транзисторов. На рисунке 3(а) изображена схема каскада ОК с питанием от двух источников, а на рисунке 3(б) - с питанием от одного источника. При использовании в этих схемах комплементарных пар транзисторов типов n-р-n и р-n-р отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор VT1 и закрыт VT2, при отрицательной полуволне наоборот, открыт VT2 и закрыт

VT1. Схемы работают в режиме класса В, поэтому имеют место нелинейные искажения типа «ступеньки», коэффициент усиления каскада ОК по напряжению всегда меньше 1.

Выходные каскады с большим выходным током. Большинство мощных выходных транзисторов имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по току (в<80). Поэтому однокаскадные эмиттерные повторители могут работать при выходных токах до нескольких сот миллиампер.



а) б)

Рисунок 3 - Выходные каскады усилителей мощности на комплементарных парах транзисторов

Большие коэффициенты усиления по току можно получить, включив выходные транзисторы по схеме Дарлингтона (рисунки 4,5). На рисунке 4 выходной каскад построен на составных транзисторах (обычная схема Дарлингтона на транзисторах одного типа проводимости), включенных по схеме ОК, причем использован режим АВ (комплементарная схема). Для создания смещения включены диоды VD1 и VD2; использование их позволяет осуществить температурную компенсацию. Общий коэффициент усиления увеличивается: (в =в1*в2), соответственно увеличивается входное сопротивление каскада и уменьшается выходное сопротивление. Заметим, что современные мощные транзисторы могут иметь в=700…1000, так что необходимость включения составных транзисторов может отпасть.

На рисунке 5 выходной эмиттерный повторитель построен по квазикомплементарной схеме Дарлингтона. VT1 и VT3 - составной повторитель, дающий ток положительной полуволны выходного сигнала, а отрицательную полуволну формирует схема на транзисторах VT2 и VT4, которая по своим «внешним» параметрам полностью аналогична составному транзистору на VT1 и VT3, но имеет свойства р-п-р транзистора. Резисторы R3 и R4 необходимы для отвода обратных коллекторных токов мощных выходных транзисторов VT3 и VT4 . Квазикомплементарная схема лучше

симметрируется, так как на выходе включены мощные транзисторы одного типа.

Рисунок 4 - Выходной каскад на комплементарых составных транзисторах

Рисунок 5 - Выходной каскад на квазикомплементарных составных транзисторах

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями

Выбираем схему усилителя с двухтактным выходным каскадом на транзисторах с большим коэффициентом усиления, включенных по схеме ОК (рисунок 6). Входной каскад построен на ОУ, что обеспечивает малый дрейф нуля. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ; отрицательная обратная связь (ОOC) охватывает два каскада. Сигнал ООС (на R3, R1) подается на инвертирующий вход. Оконечный каскад работает в режиме АВ, смещение создается с помощью диодов VD1 и VD2, при этом на выходе протекает небольшой ток покоя.

Рисунок 6 - Усилитель мощности

2. Расчет принципиальной схемы

2.1 Исходные данные для расчета занесли в таблицу

Таблица 2.1 - Исходные данные

Рвых, Вт	?f, Гц	Мн, дБ	з, %	Uвх, мВ	Rн, Ом
10	20-20000	1,5	45	20	2

2.2 Расчет схемы усилителя низкой частоты

2.2.1 Расчет выходного каскада

Для подбора мощных транзисторов и их применения в качестве выходного каскада необходимо рассчитать следующие параметры:

где Uнmax - амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании или половина напряжения общего источника питания определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжения питания Е выбирается минимум на 2…5 В больше Uнmax:

Рассчитали необходимые предельные параметры транзисторов VT1 и VT2:

Iнmax- максимальный ток, протекающий через нагрузку, приблизительно равен коллекторному току мощного выходного транзистора;

Iнmax=3,16А, для надежности выбрали с запасом Iкдоп =8А.

Ukэ max- максимальное напряжение коллектор-эмиттер выходного транзистора составляет Е+ Uнmax=11+6=17 В. Потребуем Ukэ доп=40В.

Рmax- максимальная мощность, рассеиваемая одним транзистором выходного каскада.

Приняли Рк доп=20 Вт.

На основании рассчитанных выше значений из справочной литературы произвели выбор мощных транзисторов выходного каскада, который обычно осуществляется по следующим параметрам:

· по максимальному току коллектора - Iк доп;

· по максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ доп;

· по максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторе - Рк доп;

· по коэффициенту передачи тока в схеме с общим эмиттером - h21э (в);

· по предельной (граничной) частоте - hгр.

Подобрали транзистор (n-p-n) КТ825Д с параметрами: hгр=4МГц; Iк доп=20А; Uкэ доп=45В; Рк доп=125Вт; вмин=750.

Подобрали транзистор (p-n-p) КТ827В с параметрами: hгр=4МГц; Iк доп=20А; Uкэ доп=60В; Рк доп=125Вт; вмин=750.

Транзисторы должны образовывать комплементарную пару, то есть иметь одинаковые параметры.

Максимальная величина базового тока транзисторов выходного каскада, необходимая для обеспечения заданной мощности в нагрузке, определяется соотношением:

где вмин - минимальная величина коэффициента передачи по току.

По рассчитанному значению Iб max, используя входную характеристику примененного транзистора, определили максимальное значение напряжения перехода баз - эмиттер Uбэ доп=1В. Отсюда можно определить максимальное напряжение на входе транзистора конечного каскада, необходимое для обеспечения заданной мощности в нагрузке:

Входное сопротивление оконечного транзисторного каскада в этом случае можно определить по выражению:

Зададим ток коллектора покоя выходного каскада Iкп=50 мА, тогда ток базы покоя VT1 равен:

По входным характеристикам определили необходимое значение :

Uбэ п=1,3 В.

Для уменьшения нелинейных переходных искажений и температурной стабилизации в плечи промежуточного каскада рекомендуется вводить диоды, разность потенциалов на которых образует напряжение смещения Uсм. В данном случае применено 4 диода. Зададим ток делителя, протекающий через диоды:

Iдел=(2-10)*Iбп=8*0,067=0,5мА

Определили по вольтамперной характеристике диода значение падения напряжения на одном диоде Uпр =0,6В.

Таким образом, получив параметры напряжения смещения и тока диодов, из справочной литературы выбрали тип диодов по следующим параметрам:

· по величине прямого напряжения Uпр;

· по величине прямого тока Iпр;

· по максимальной частоте fmax.

Подобрали диод марки Д226А с характеристиками: Uпр=1В; Iпр=0,3А; fmax=1кГц.

Величина полного входного сопротивления оконечного усилительного каскада определяется параллельным соединением Rвх VT1 и сопротивления делителя Rдел (R4 или R5 на рисунке 5). Величина последнего рассчитывается по формуле:

Необходимо отметить, что входное сопротивление оконечного каскада является нагрузкой для каскада усилителя напряжения, выполняемого на основе операционных усилителей, имеющих четко регламентированные значения минимально допустимых величин сопротивлений нагрузки. Так, для большинства операционных усилителей общего применения, минимальное сопротивление нагрузки должно быть ?2кОм.

Выбрали R4 равным 2,2 кОм (стандартный ряд Е24).

2.2.2 Расчет входного каскада

Входной каскад - каскад усиления напряжения на операционных усилителях. Для выбора и расчета усилительного каскада на операционных усилителях (ОУ) необходимо учесть несколько факторов:

· полное входное сопротивление выходного каскада усилителя должно превосходить минимальное сопротивление нагрузки ОУ, данное в справочнике (Rвх>Rн ОУ);

· требуемое максимальное входное напряжение оконечного каскада усилителя мощности с учетом обратной связи должно быть меньше максимального выходного напряжения ОУ, данного в справочнике (Uвхmax<Uвых ОУ );

· на верхней частоте усиления fв ОУ должен обеспечивать расчетный коэффициент усиления;

· температурные и другие требования задания должны удовлетворяться.

На основании, вышеизложенного из справочной литературы выбирается ОУ КР544УД1А с подходящими параметрами:

· коэффициент усиления по напряжению Коу=50000;

· максимальное значение выходного напряжения Uвых=10В;

· напряжение смещения Uсм=0,03В;

· входное сопротивление 1000МОм;

· частота единичного усиления f1=15МГц;

· напряжение источников питания Uп=±15В;

Произвели расчет требуемого коэффициента усиления всего усилителя мощности:

где UН max - максимальное напряжение на нагрузке;

Uвх max - амплитудное значение входного сигнала (по заданию).

Питание ОУ следует осуществлять через стабилизатор напряжения, Еmaxпит.ОУ=±15В.

2.2.3 Расчет цепи отрицательной обратной связи

На рисунке 7 схематично представлен входной каскад на ОУ, охваченном ООС. Для его расчета возможно применение идеализированного выражения:

Задав номинал резистора R1=1 кОм, из данного выражения определили R3.

Выбрали резисторы из стандартного ряда Е24: R1=1кОм, R3= 0,75МОм.



Рисунок 7 - Схема входного каскада на ОУ

2.2.4 Расчет разделительного конденсатора С1 и резистора R2

Для того, чтобы не пропустить каскады усилителя постоянное напряжение, включается разделительный конденсатор С1.

Емкость разделительного конденсатора определили по формуле:

где щн - нижняя круговая частота (щн=2рfн);

R- сопротивление перезаряда;

Мн - коэффициент часатотных искажений, обусловленный влиянием разделительного конденсатора.

По условию курсовой работы нам задан коэффициент частотных искажений Мн=1,5 дБ. В абсолютной величине . Разделим его следующим образом: М1= Мн=1,02.

Величина сопротивления перезаряда для первого конденсатора определяется сопротивлением генератора и параллельным соединением резистора R2 и входного сопротивления операционного усилителя.

Определили величину резистора R2:



Определили сопротивление перезаряда для первого конденсатора:

где ? сопротивление источника сигнала ();

? полное входное сопротивление каскада (R2РРRвх. ОУ).

Определили емкость первого конденсатора:

По рассчитанным параметрам подобрали конденсатор К50 емкостью С1=38мкФ.

2.2.5 Расчет КПД усилителя

Коэффициент полезного действия усилителя определяется, в основном, мощностью, отбираемой от источника питания выходным каскадом:

где РУ - мощность, потребляемая всем усилителем.

Определили мощность, потребляемую всем усилителем:

Таким образом, полученное КПД усилителя мощности удовлетворяет условию задания, следовательно, расчет и подбор отдельных параметров схемы усилителя выполнен, верно.

усилитель частота транзистор мощность

Заключение

В данном курсовом проекте было спроектирован усилитель низкой частоты, который отвечает всем параметрам, заданным в техническом условии. Коэффициент полезного действия спроектированного усилителя низкой частоты превышает заданное нам по условию значение, что гарантирует эффективную работоспособность устройства. Получены результаты, удовлетворяющие требованиям нормативных документов. Усилитель низкой частоты рассчитан по частотным искажениям, применение схемы на основе операционного усилителя позволило добиться коэффициента усиления, равного 750 при достаточно простой схеме.

Список использованной литературы

1. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - 88 с., ил. - (Массовая библиотека. Вып. 1079).

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Проектирование электронных устройств: Учебное пособие. Р.Х.Шакирова, Т.Ю. Гатиатулина, О.Е. Данилин; УГАТУ.-Уфа, 2007.

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

7. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. В.Г.Гусев, Ю.М. Гусев. -3-е издание, переработанное и дополненное.-М.: Высш. шк.,2004.

8. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы. А.И. Аксенов, А.В. Нефедов. Справочник. - М.: Радио и связь. 1995.

9. Проектирование усилителей низкой частоты. А.В.Цыкина. - М.:

Связь. 1968. - 185 с.

Размещено на Allbest.ru

...