Проектування та розрахунок підсилювача низької частоти

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Підсилювачем називають пристрій який дає змогу перетворити вхідний сигнал на сигнал більшої потужності без істотного спотворення форми вхідного сигналу. Ефект підсилення можливий лише за наявності джерела керованої енергії, перетворюваної підсилювачем на енергію підсиленого сигналу. Підсилювачі є необхідним елементом будь-яких систем зв'язку, радіомовлення, акустики, автоматики.

Підсилювальні пристрої почали використовуватися з 1910 р. коли В. І. Коваленко запропонував для підсилення електричних сигналів використовувати електронну лампу. З кінця 50-х років в електронній апаратурі почали використовуватися транзистори. Завдяки позитивним якостям у наш час електронна апаратура будується в основному на напівпровідникових приборах. На основі інтегральних мікросхем виготовляють складні та високо надійні електронні підсилювачі малих розмірів.

Підсилюючі пристрої у складі вимірювальних пристроїв застосовуються у всіх галузях господарства. За їх допомогою слабкі електричні сигнали підсилюються, в результаті чого значення цих сигналів стають достатніми для приводу у дію виконуючих пристроїв.

В даній курсовій роботі при проектуванні схеми підсилювача доцільно розпочати з вихідного каскаду. В залежності від величини навантаження необхідно вибрати схему вихідного каскаду. Вхідні каскади підсилення будуються за класичними схемами.

1. Розрахунок структурної схеми

Розраховуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача:

.

Вибираємо необхідну кількість каскадів, щоб забезпечити необхідний коефіцієнт підсилення При цьому враховуємо, що коефіцієнт підсилення одного каскаду не менший К1 = 50:

;

Отже значення N вибираємо рівним 2.

Розраховуємо напругу живлення:

(1.3)

В

З стандартного ряду вибираємо Еж=48 В.

Структурна схема проектованого підсилювача матиме вигляд:



Рисунок 1.1

Вхідний каскад є входом підсилювача. Призначення вхідного каскаду - забезпечення узгодження вихідного опору джерела сигналу з вхідним опором першого каскаду попереднього підсилювання. Якщо вихідний опір джерела сигналу рівний вхідному опору попереднього каскаду або набагато більший, то в цьому випадку вхідний каскад не треба застосовувати, а якщо менше то слід застосувати.

Як вхідний каскад використовують каскад з загальним колектором, загальний витоком - такі каскади називають повторювачами.

Вимоги до каскадів попереднього підсилення виходять з їх призначення - підсилювати напругу або струм, створені джерелом сигналу на вході, до величини, необхідної для збудження каскадів підсилення потужності. Тому найбільш важливими показниками для попереднього каскаду є коефіцієнти підсилення напруги та струму, частотна характеристика і частотні спотворення.

Передкінцевий каскад є джерелом сигналу для кінцевого каскаду. Він повинен забезпечити такі умови роботи вхідного кола кінцевого каскаду, при яких останній зможе віддати в навантаження максимальну неспотворену потужність. Основні вимоги, які ставлять до передкінцевого каскаду, - велика амплітуда неспотвореного сигналу на виході та малий вихідний опір. Вибір схеми передкінцевого каскаду в конкретному підсилювачі залежить від виду та режиму кінцевого каскаду.

Кінцеві каскади відрізняються від каскадів попереднього підсилювання, в першу чергу, великим рівнем потужності сигналу. В підсилювачах низької частоти, працюючих на низькоомне навантаження, кінцевий каскад повинен віддавати визначену потужність на заданому опорі навантаження при коефіцієнті нелінійних спотворень, який не перевищує допустимої величини.

Умови роботи каскадів потужного підсилення залежить також від характеру зовнішнього навантаження. Наприклад, для підсилювачів низької частоти за навантаження можуть правити електродинамічні гучномовці, опір яких носить комплексний характер - містить індуктивну складову і отже, зростає зі збільшенням частоти. Однак на середніх звукових частотах (порядку сотень Герц), на яких ведуть розрахунок корисної потужності, віддаваємої підсилюючими елементами, опір корисного навантаження здебільшого можна вважати активним, що сильно спрощує побудову ліній навантаження і динамічних характеристик. Розрахунок каскадів потужного підсилення звичайно ведуть на активне навантаження.

2. Електричний розрахунок принципової схеми

Обґрунтуванням вибору структурної схеми підсилювача є його якісні і кількісні характеристики та параметри і їх сукупність.

Враховуючи значення опору джерела сигналу для вхідного каскаду вибираємо схему витікового повторювача. Для першого та другого каскадів підсилення вибираємо схему ввімкнення транзисторів зі спільним емітером СЕ, яка забезпечить необхідний коефіцієнт підсилення сигналу за напругою. Для вихідного каскаду вибираємо схему двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності, який забезпечить необхідну амплітуду струму в навантаженні.

Для першого каскаду, виконаному на транзисторі VT1 присвоюємо індекс 1, для другого каскаду - виконаному на транзисторі VT2 - 2, для третього каскаду, виконаному на транзисторі VT3 - 3, для вихідного каскаду - 4,- 5. Для усунення паразитних зв'язків між каскадами по живленню в схемі передбачено розв'язки за допомогою RC - фільтрів, які виконані на резисторах R4 та R9.

Живлення кожного каскаду розраховую по формулі:

де, Еж - живлення даного каскаду;

- живлення попереднього каскаду.

В

З ряду стандартних напруг живлення обираємо В

В

З ряду стандартних напруг живлення обираємо

В

З ряду стандартних напруг живлення обираємо В

Розподіляємо частотні спотворення в ділянці нижніх частот між каскадами наступним чином:

МН1ДБ = 1 дБ; МН3ДБ = 0,5 дБ; МН4ДБ = 0,5 дБ; МН4ДБ = 1 дБ, тобто МНДБ = 3 дБ.

Розрахунок вихідного каскаду схеми

Розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи вихідного емітерного повторювача.Принципова схема вихідного каскаду наведена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1. Принципова схема вихідного каскаду

Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад у навантаженні:

IH4 = UH/RH.

IК04 = (0,05...0,15) IH5 = (0,05...0,15) 0.241 = А.

Обираємо IК04 = 0,024А

Для вихідного каскаду вибираємо транзистори VT типу ГТ703А та VT6 типу ГТ703В

Розраховуємо максимальний струм бази транзистора VT5:

Розрахунок проводимо при використанні транзисторів із середньостатистичними параметрами:



Оскільки IД04 = IК03, то:

.

Вибираємо IД04 = IК04 =34 мА.

Розраховуємо опір резистора колекторного навантаження транзистора VT4:

.

R12 кОм.

Вибираємо R12=1,2 кОм.

R15= R12=1,2 кОм. А опорами R13 та R14 нехтуємо.

Розраховуємо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача:

Ом.

Ом

Ом.

RВХ4 = h11E4 || R12 || R15, RВХ4 = 549,5 Ом.

Розраховуємо частотні спотворення вихідного емітерного повторювача на верхній граничній частоті:

МГц.

Ом.

пФ.

Розраховуємо коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою:

Розраховуємо необхідну амплітуду вхідного сигналу вихідного каскаду:

В.

Розраховуємо вихідний опір вихідного каскаду:



Ом.

Розраховуємо номінальне значення ємності розділювального конденсатора на виході:

, мкФ.

Вибираємо С9 = 68 мкФ.

Розраховуємо потужність розсіювання на колекторі одного транзистора:

Вт.

Перевіряємо, чи виконується умова РК < РКД.

Розраховуємо потужність, яка споживається від джерела живлення:

.

Вт.

Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням:



МГц

Висновок: вибрані мною транзистор повністю задовольняють вимоги, потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора, Рк=0,66 Вт, менша за максимально допустиму потужність розсіювання транзистора Ркд=1,5 Вт. Частотні спотворення каскаду Мв=1 дБ не перевищують норми.

Розрахунок 2-го проміжного каскаду

Розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи третього каскаду.

Принципова схема 2-го проміжного каскаду наведена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2. Принципова схема 2-го проміжного каскаду

Оскільки третій і четвертий каскади з'єднані за постійною складовою (струм дільника, який протікає через діоди, є одночасно струмом силою IКО3, а опір резистора R12 є опором колекторного навантаження транзистора VT3, то вихідними даними для подальшого розрахунку є:

Ом

UH3 = UВХ4 = 20,5В.

Розраховуємо опір резистора емітерної стабілізації:

Ом.

Вибираємо R11 = 500 Ом.

Розраховуємо напругу на базі транзистора VT3 по відношенню до загальної шини:

В.

Розраховуємо струм бази транзистора в статичному режимі:

Вибираємо струм дільника базового зміщення та розраховуємо номінальні значення опорів дільника:

мА.

Вибираємо IД03 = 0,65 мА.

кОм

Вибираємо R8 = 16 кОм.

8,721 кОм.

Вибираємо R9 = 8,6 кОм.

Розраховуємо вхідний опір другого проміжного каскаду:

Ом,

Ом

Ом.

Ом.

Вихідний опір каскаду:

кОм.

Коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

,

А/В.

Необхідна амплітуда вхідного сигналу:

мВ.

Частотні спотворення вихідного каскаду на верхній граничній частоті:

кГц.

кОм.

нФ.

Ом.

Частотні спотворення третього каскаду на верхній граничній частоті в цьому випадку становитимуть:

Частотні спотворення третього каскаду на нижній граничній частоті розподіляємо між конденсаторами С6 та С8:

дБ, МНС6 = 1,059.

(2.2.21)

мкФ.

Вибираємо C7 = 3,6 мкФ.

Значення ємності блокувального конденсатора С8 в колі емітера визначається з урахуванням місцевого зворотного зв'язку за рахунок додаткового резистора RE:

мкФ.

Вибираємо C8 = 16 мкФ.

Розрахунок 1-го проміжного каскаду.

Розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи другого каскаду.

Опір резистора RДЖ2 вибраний з метою забезпечення необхідної верхньої граничної частоти підсилення підсилювача. Напруга живлення каскаду ЕЖ2 = 40 В. Принципова схема 1-го проміжного каскаду наведена на рисунку 2.3.

Рисунок 2.3. Принципова схема 1-го проміжного каскаду

мА.

мА.

Вибираємо ІК02 = 1мА. Вибираємо = 15 В

кОм.

При розрахунку третього каскаду для забезпечення необхідної смуги пропускання вибрано R7 = RВИХ2 = RДЖ3 = 6 кОм.

Уточняємо значення струму колектора транзистора VT2 в статичному режимі і розраховуємо номінальне значення опору резистора емітерної стабілізації:



Ом.

Вибираємо R8 = 2,2 кОм.

Розраховуємо потенціал бази транзистора першого проміжного каскаду по відношенню до загальної шини і вибираємо режими роботи дільника базового зміщення:

В.

мкА.

мкА.

Вибираємо ІДО2 = 1 мА.

кОм.

Вибираємо R5 =8,4 кОм.

кОм.

Вибираємо R6 = 6,8 кОм.

Інші параметри першого проміжного каскаду, визначені у відповідності з раніше приведеною методикою:

кОм.

кОм.

RВИХ2 = R7 = 6 кОм.

S2 = h21E/=0,05А/В,

оскільки режими другого та третього каскадів однакові.

мВ.

Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між роздільним та блокувальним конденсаторами другого каскаду:

,

дБ, , дБ,

Визначаємо значення ємності конденсаторів:

(2.3.16)

мкФ.

Вибираємо С5 = 2,4 мкФ.

мкФ.

Вибираємо С6 = 43мкФ.

Розрахунок вхідного каскаду.

Вибираємо режими та розраховуємо номінальні величини елементів, що входять до складу вхідного витікового повторювача. Вихідними параметрами для розрахунку вхідного витікового повторювача є:

RH1 = RBX2 =1,7 кОм, UH1 = UBX2 = 13 мВ, ЕЖ = 30 В.

Принципова схема вхідного витікового повторювача наведена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4. Принципова схема вхідного витікового повторювача

Методика розрахунку витікового повторювача наступна.

Розраховуємо амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні:

мкА.

Вибираємо струм спокою польового транзистора ІС0 з умови:

мкА;

Вибираємо ІС0 = 1 мА. Розраховуємо номінальне значення опору резистора R3 з умови, що при допомозі дільника R1, R2 на заслоні польового транзистора встановлюється потенціал, рівний половині напруги живлення:

кОм;

Вибираємо R3 = 17 кОм.

Вибираємо номінальні значення опорів резисторів дільника зміщення:

.

Вибираємо R1 = R2=2 мОм.

Розраховуємо вхідний опір каскаду:

Ом.

Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:



.

Розраховуємо вихідний опір каскаду:

Ом.

Розраховуємо верхню граничну частоту підсилення каскаду:

МГц;

кОм;

.

Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті:

, .

Розподіляємо частотні спотворення каскаду на нижній граничній частоті МН між конденсаторами С1 та С2:

.

.

Розраховуємо значення ємності розділювальних конденсаторів С1 та С2:



;

Вибираємо С1 =15 нФ;

;

Вибираємо С2 = 10 мкФ.

Визначаємо необхідну амплітуду вхідного сигналу:

В.

Перевіряємо виконання умови:

В

Розраховуємо потужність, яка розсіюється на стоку транзистора:

мВт.

Перевіряємо, чи виконується умова:

13 < 45 мВт.

Розраховуємо потужність, яка споживається каскадом від джерела живлення:

Р0 = ЕЖ ІС0

Р0 = 30 10-3=0,03Вт.

Розраховуємо частотні спотворення другого каскаду на верхній граничній частоті:

ГГц

кОм

нФ

(2.4.19)

Перевіряємо частотні спотворення підсилювача на верхній граничній частоті:

=0,239+ 0 дБ + 0,031 дБ + 0,043 дБ + 0 дБ = 0,313 дБ <МВЗАД = 3 дБ.

Сумарні частотні спотворення на верхній граничній частоті не перевищують допустимого значення 3 дБ. Враховуючи величину частотних спотворень на частоті 100 кГц можна зробити висновок, що верхня гранична частота проектованого підсилювача перевищує 100 кГц.

Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів та ємностей фільтрувальних конденсаторів в колі живлення:

. кОм

Вибираємо R4 = 8 кОм.

мкФ.

Вибираємо С3 = 0,1 мкФ.

кОм.

Вибираємо R9= 1,4 кОм.

мкФ

Вибираємо С4 = 0,5 мкФ.

3. Розрахунок нестабільності робочої точки

Розрахуємо нестабільність положення робочої точки для другого каскаду підсилення за напругою на транзисторі VT3.

Вихідними даними для розрахунку є:

Визначаємо потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора:

Розраховуємо мінімальну та максимальну температури переходу транзистора:

Визначаємо середнє значення коефіцієнта підсилення транзистора за струмом та допоміжні коефіцієнти:

.

(3.7)

Розраховуємо максимальне та мінімальне значення зворотного струму переходу база-колектор транзистора:

Визначаємо зміну струму бази транзистора при зміні температури навколишнього середовища:

Визначаємо зміну напруги зміщення транзистора при зміні температури навколишнього середовища:

Розраховуємо зміну струму колектора транзистора при зміні температури навколишнього середовища та визначаємо його відносну нестабільність:

(3.13)

(3.14)

Висновок: нестабільність положення робочої точки відновідає технічному завданню.

4. Розрахунок підсилювача низької частоти з використанням операційного підсилювача

При проектуванні схеми будемо використовувати операційні підсилювачі типу КГ44УД2 з наступними основними параметрами: ЕЖ = 15 В; RH = 2 кОм; UH = 20 В; = 20 В/мкс; К0 = 50000; FТ = FГР= 10 МГц.

Визначаємо максимальний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача за напругою, який можна отримати на верхній граничній частоті:

Умова не виконується, оскільки RH = 29 Ом; RHOП = 2 кОм. Тому на виході схеми використовуємо двотактний емітерний повторював на транзисторах різного типу провідності. Друга умова UH < UHOП також не виконується, оскільки UH = 14 В, UHOП = 10 В. Тому на виході перед емітер ним повторювачем повинен бути використаний каскад на транзисторі, ввімкненому за схемою зі СЕ. Використовуємо на виході схеми каскади, виконані на транзисторах VT3, VT4 і VT5 у відповідності з схемою наведеною в додатку 1, параметри яких розраховані в пунктах 2.1. та 2.2. відповідно.

Коефіцієнт підсилення за напругою вихідних каскадів на транзисторах становитиме:

Визначаємо кількість каскадів на операційному підсилювачі, необхідних для забезпечення заданого коефіцієнта підсилення К = 3000:

Отже необхідно використати два каскади на операційних підсилювачах.

Розраховуємо коефіцієнт підсилення кожного каскаду при умові, що вони є рівновеликими:



Значення опору резисторів, які з'єднують неінвертуючий вхід операційного підсилювача з загальною шиною вибираємо з умови:

МOм.

Вибираємо R2 = R6 = 0,6 МOм.

З метою забезпечення мінімального дрейфу вихідного сигналу:

R4 = R8 = 38 кOм.

Резистори R1 та R5 захищають входи операційних підсилювачів від перевантаження в момент ввімкнення схеми. У відповідності з рекомендаціями по використанню операційних підсилювачів опори цих резисторів вибирають в межах 2...20 кОм.

Вибираємо R1 = R5 = 10 кОм.

Визначаємо загальний коефіцієнт підсилення за напругою одного каскаду на операційному підсилювачі з урахуванням дії місцевого від'ємного зв'язку:

З цієї рівності визначаємо значення опору резистора R3, який забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення каскаду:



кОм.

Вибираємо R3 = R7 = 4,4 кОм.

Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між розділювальними та блокувальними конденсаторами. Частотні спотворення для конденсаторів С6 та С8 враховані при розрахунку МНС6 = МНС8ДБ = 0,5 дБ. Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті становлять МНДБ = 3 дБ. Залишок допустимих частотних спотворень розподіляємо між конденсаторами С1, С2, С3 та С4:

дБ,

.

Розраховуємо номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів:

Вибираємо С1 = 12 нФ.

мкФ.

Вибираємо С2 = С4 = 2,6 мкФ.



нФ.

Вибираємо С3 =11,4 нФ

Живлення вихідного каскаду здійснюється від двох джерел з напругою +18 В та -18 В, а живлення операційних підсилювачів забезпечується двома джерелами з напругою +15В та -15 В.

При відомій граничній частоті підсилення FB = 90 кГц та амплітуді вихідного сигналу операційного підсилювача UH3 = 24 мВ визначаємо, яку швидкість наростання повинен мати використовуваний операційний підсилювач:

В/мкс.

Вибраний операційний підсилювач має швидкість наростання вихідного сигналу = 20 В/мкс, яка є більшою від розрахованої, тому його можна використовувати в проектованій схемі.

Висновок: розрахована схема підсилювача низької частоти на операційному підсилювачі відповідає технічному завданню, містить менше елементів. Тому простіша в виробництві, не потребує додаткового налаштування, економічно вигідніша.

Висновок

транзистор емітерний повторювач підсилювач

У процесі курсового проектування був розрахований підсилювач низької частоти з усіма параметрами та вимогами, заданими у технічному завданні у двох варіантах. Також було проведено ескізний розрахунок структурної схеми і електричний розрахунок принципової схеми, зроблено розрахунок динамічних показників амплітудно-частотної характеристики та перевірено температурну нестабільність каскаду підсилювача низької частоти. Розрахунок підсилювача низької частоти проводився з використанням операційного підсилювача. У роботі наведено принципову схему розробленого ПНЧ.

Підчас виконання даної курсової роботи я зауважив, що підсилювачі низької частоти значно краще і технічно простіше робити на ОП. Розрахований підсилювач на ОП задовільнив вимоги технічного завдання і є простіший у виконанні, у підсилювачі на транзисторі потрібна більша кількість деталей, а отже економічно це невигідно. Також слід зазначити, що такий підсилювач низької частоти матиме меншу надійність та на високих частотах важко уникнути спотворень.

Лытература

1. Грицьків Р.Д. Методичні вказівки до оформлення курсових робіт і проектів /основні вимоги/, Львів, ЛПІ, 1990.

2. Волошанська Н.Г., Сніцарук Л.А. Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни Аналогові електронні пристрої.-Львів, ДУЛП, 1994.

3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. Под ред. С.В. Якубовского, - М.: Радио и связь, 1989. - 496с.

4. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник /А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 384с.

5. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1988. - 400с.

6. Техника высококачественного звуковоспроизведения. / Н.Е. Сухов, С.Д. Бать, В.В. Колосов, А.Г. Чуканов. - К.: Техніка, 1985. - 160с.

7. Верекин Л.Е. Бестрансформаторные усилители мощности. - М.: Радио и связь, 1984. - 128с.

8. Аскаев Д.И., Болотников В.А. Функциональные узлы высококачественного звуковоспроизведения. - М.: Радио и связь, 1989. - 288с.

9. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. - 264с.

10. Мандзій Б.А., Желяк Р.І. Основи аналогової мікросхемотехніки. Посібник для студентів радіотехнічних спеціальностей вузів України. /Під ред. д.т.н., проф. Мандзія Б.А., - Львів, Тезаурус, 1993. - 186с.

Размещено на Allbest.ru

...