Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО - НАУЧНО - ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

Кафедра «ЭВТиИБ»

Пояснительная записка

к курсовой работе по курсу «Схемотехника»

Тема работы Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты

Студент Поляничев.Е.С

Группа 31-В факультет УНИИИТ

Руководитель работы Рабочий А.А.

Орел, 2013

Содержание

усилитель каскад сигнал частота

Введение

Общие положения

Расчет выходного каскада

Выбор структурной схемы

Расчет предоконечного каскада

Расчет входного каскада

Расчет общих параметров усилителя

Заключение

Список использованных источников

Введение

Устройство, предназначенное для увеличения входных электрических колебаний с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания, называется электронным усилителем (усилителем). Минимальную часть усилителя, способную повышать мощность электрических колебаний принято называть усилительным каскадом.

Усилители принято классифицировать по назначению, используемым усилительным (активным) элементам и режимам их работы, форме усиливаемых сигналов и полосе рабочих частот.

Многокаскадные усилители используют для получения нужных коэффициентов усиления в том случае, если одного усилительного каскада оказывается недостаточно. Многокаскадный усилитель получают путем последовательного соединения отдельных каскадов. В этом случае выходной сигнал первого каскада является входным сигналом для второго каскада и т.д. Нагрузкой предыдущего каскада является входное сопротивление последующего каскада. Поэтому входное и выходное сопротивления всего усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.

Связь в каскадах может осуществляться с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В УНЧ, рассматриваемом в данной работе, в качестве элемента связи используется конденсатор.

Расчет усилителя производят, начиная с выходного каскада, который обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке. Для усилителей характерны амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики. Наличие в схеме усилителя конденсаторов приводит к тому, что по мере снижения частоты уменьшается проводимость межкаскадных конденсаторов связи, при этом увеличивается падение напряжения на них и соответственно уменьшается напряжение сигнала, поступающего на последующие каскады с выходов предыдущих. Это проявляется снижением коэффициента усиления в области низких частот. В данной работе для упрощения расчет проведен для средней частоты (f = 10 кГц), что позволяет пренебречь влиянием сопротивлений конденсаторов и не учитывать зависимость параметров транзисторов от частоты.

В данной работе предлагается к расчету многокаскадный усилитель низкой частоты, целью данной курсовой работы является углубление и закрепление знаний по первой части курса «Аналоговая и цифровая электроника» и приобретение практических навыков расчета электронных устройств.

Общие положения

Многокаскадные усилители используют для получения нужных коэффициентов усиления в том случае, если одного усилительного каскада оказывается недостаточно. Многокаскадный усилитель получают путем последовательного соединения отдельных каскадов. В этом случае выходной сигнал первого каскада является входным сигналом второго каскада и т. д. входное и выходное сопротивления всего усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов:

(2.1)

где 1, 2,..., N - номера каскадов.

Учитывая соотношение , справедливое для коэффициентов, исчисляемых в о. е., получим соотношения для коэффициентов, исчисляемых в дБ:

, (2.2)

откуда получим

, (2.3)

где - коэффициент усиления по току (о. е.).

Подставляя исходные данные в выражение (2.3), получим:

.

Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществляться с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В нашем УНЧ в качестве элемента связи будем использовать конденсатор.

Сначала производят расчет оконечного выходного каскада, который обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке. В результате расчета определяют коэффициент усиления оконечного каскада, определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада, и т. д. вплоть до входного каскада. В данной работе для упрощения расчет проведем для средней частоты (), что позволит пренебречь влиянием сопротивлений конденсаторов и не учитывать зависимость параметров транзисторов от частоты.

Наличие в схеме конденсаторов приводит к тому, что по мере снижения частоты уменьшается проводимость межкаскадных конденсаторов связи, при этом увеличивается падение напряжения на них и соответственно уменьшается напряжение сигнала. Это проявляется снижением коэффициента усиления в области низких частот.

Уменьшение модуля коэффициента усиления в области низких частот учитывается коэффициентом частотных искажений :

, (2.4)

где , - соответственно коэффициенты усиления напряжения на средней и низкой частотах.

В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений:

. (2.5)

Коэффициент частотных искажений для одного каскада:

, (2.6)

где 1, 2,..., J - номера конденсаторов в рассматриваемом каскаде.

Коэффициент частотных искажений, обусловленный влиянием одного конденсатора, рассчитывают по формуле

, (2.7)

где - низкая частота полосы пропускания; - постоянная времени, определяемая как произведение ,

где - емкость конденсатора; - определяется в зависимости от схемы:

- для входного каскада,

где - внутреннее сопротивление источника входного сигнала,

- для промежуточных каскадов,

где , - соответственно входное сопротивление последующего каскада и выходное сопротивление предыдущего каскада.

Таким образом задача обеспечения полосы пропускания в области низких частот сводится к выбору таких значений емкостей в усилителе, чтобы общий коэффициент частотных искажений не превысил заданное значение .

Из-за наличия конденсаторов в схемах каскадов в многокаскадном усилителе будут появляться фазо-частотные искажения. С понижением частоты входного сигнала появляется фазовый сдвиг, обусловленный отставанием по фазе напряжения от тока в цепях с конденсаторами. Угол фазового сдвига равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме:

. (2.8)

Фазовый сдвиг, создаваемый действием одного конденсатора определяется по выражению

. (2.9)

Расчет выходного каскада

Будем использовать выходной бестрансформаторный каскад (приложение А, ЭП). Он представляет собой соединение двух эмиттерных повторителей, работающих на общую нагрузку Rн. Каскад используется в режимах нагрузки АВ и В. Режим по постоянному току обеспечивается делителем, состоящим из последовательно соединенных резисторов , и диодами и . Схема предусматривает использование двух транзисторов разной проводимости с близкими по значению параметрами (комплиментарная пара транзисторов). Методика расчета выходного каскада основана на использовании графоаналитических способов расчета параметров по входным и выходным характеристикам транзисторов.

Амплитуду напряжения на нагрузке определяем по заданным параметрам нагрузки:

; (3.1)

.

Ориентировочное напряжение питания оконечного каскада определяем по условию:

. (3.2)

где - начальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора - это напряжение, при котором на выходных характеристиках транзистора наблюдается заметное увеличение угла наклона. Примем , тогда . Принимаем .

Рассчитываем допустимую мощность рассеивания на коллекторе транзистора:

; (3.3)

.

Максимальную амплитуду входного тока определяем из соотношения:

, (3.4)

где - амплитуда тока в сопротивлении нагрузки.

Максимально допустимая амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером транзистора должна быть не менее половины напряжения питания:

. (3.5)

Имея значения , , , по справочнику подбираем комплементарную пару транзисторов КТ814А и КТ815А (рис. 1,2), имеющих следующие параметры:

Коэффициент усиления по току

Постоянное напряжение коллектор - эмиттер

Постоянный ток коллектора

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода

Для дальнейших расчетов строим семейство выходных и входную характеристику транзистора КТ 814А

Рисунок 2 Выходные характеристики транзистора КТ 814А

На графике выходных характеристик строим нагрузочную линию. Точкам, через которые проводится нагрузочная линия, соответствуют координаты:

;

;



Рисунок 3 Входная характеристика транзистора КТ 814А

По точкам пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками определяем значения тока базы и тока коллектора, соответствующие этим точкам (точки а, b, c, d, e). Используя входную характеристику выбранного транзистора, по значениям тока базы определяем соответствующие значения входного напряжения . Полученные данные заносим в таблицу 1.

Таблица 1

	a	b	c	d	e	f
Uкэ,В	1	1.8	2.1	3	4	5.7
Iк,А	0.9	0.8	0.75	0,65	0,64	0,38
Iб,мА	30	25	20	15	10	5
Uбэ,В	0,58	0,55	0,5	0,45	0,42	0,29

По полученным данным строим сквозную характеристику транзистора .



Рисунок 4 Сквозная характеристика транзистора КТ 814А

Выходной каскад должен работать в режиме АВ или В для получения высокого коэффициента полезного действия. Это значит, что исходную рабочую точку надо выбирать при минимальном токе покоя коллектора и минимальном токе базы. На входной характеристике исходная рабочая точка характеризуется параметрами , . По построенной сквозной характеристике, откладывая значение , определяем , а по нему (по входной характеристике) - значение тока базы , соответствующее амплитуде тока в нагрузке.

Определяем усредненное значение крутизны сквозной характеристики

; (3.7)

.

Поскольку в схеме эмиттерного повторителя существует внутренняя обратная связь, определим ее глубину

; (3.8)

.

Входная проводимость транзистора

; (3.9)

.

Тогда входное сопротивление каскада с учетом отрицательной обратной связи определяем по выражению:

, (3.10)

где - эквивалентное сопротивление делителя, составленного из резисторов R9 и R10.

Примем ток делителя .

По принятому току делителя из справочника [4] выбираем диод КД104А (при он создает падение напряжения 0,8В). Два таких диода обеспечат падение напряжения . Находим сопротивления резисторов делителя по условию:

; (3.11)

.

Принимая в соответствии с рядом номинальных значений R9=R10=1200 Ом, выбираем по [5] металлодиэлектрический резистор С2-33 с номинальной мощностью Вт. Проверим выбранный резистор по допустимой мощности рассеяния:

, (3.12)

где по второму закону Кирхгофа.

.

Найдем эквивалентное сопротивление делителя

.

Тогда входное сопротивление каскада по формуле (3.10)

.

Определяем емкости входного и выходного разделительных конденсаторов:

, (3.13)

; (3.14)

Принимая согласно ряду номинальных значений С6=560 мкФ и С4=33 мкФ, выбираем оксидно-электролитические конденсаторы: К50-24 и К50-24 соответственно. Учитывая, что номинальное напряжение конденсаторов должно быть выбрано из соотношения , принимаем его равным 63 В.

Коэффициент усиления по напряжению

.

Амплитуда напряжения входного сигнала

Амплитуда входного тока

.

Коэффициент усиления по току

.

Коэффициент усиления по мощности

.

Определим нелинейные искажения входного каскада. Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике с учетом отрицательной обратной связи

, (3.15)

где и - токи коллектора, определенные по графику сквозной характеристики для двух значений соответственно и

.

Коэффициент нелинейных искажений по 2-й гармонике

, (3.16)

где - коэффициент асимметрии плеч схемы выходного каскада, обусловленный неидентичностью параметров подобранных транзисторов.

.

Общий коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле

; (3.17)

.

Так как , то полученное значение считаем удовлетворительным

Выбор структурной схемы

Можно оценить требующееся число каскадов предварительного усиления, которые должны обеспечить коэффициент усиления по напряжению:

.

Коэффициент усиления, требуемый от одного каскада

.

Таким образом, предварительный усилитель будет содержать 2 каскада, построенные по схеме с общим эмиттером.

Расчет предоконечного каскада

Параметры нагрузки (входные параметры выходного каскада и напряжение питания), необходимые для расчета уже известны.

Выбираем тип транзистора с учетом заданного частотного диапазона работы каскада, а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистора должен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в режиме работы класса А:

, (5.1)

где амплитуда тока в нагрузке .

Ориентировочно можно выбрать низкочастотный транзистор, имеющий параметры:

,

.

По справочнику [3] выбираем транзистор КТ503А (рис. 4), имеющий следующие параметры:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 40 - 120.

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером не менее 5 МГц;

Постоянное напряжение коллектор - эмиттер 40 В;

Постоянный ток коллектора 0,5 А;

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода при температуре Т=233298 К - 0,35 Вт.



Выберем исходный режим транзистора каскада, для которого

, (5.2)

, (5.3)

. (5.4)

где - напряжение коллектор - эмиттер, соответствующее режиму покоя.

,

, .

Сопротивление резисторов R7, R8 рассчитываем по падению напряжений на них:

; ;

; .

Примем R7к=330 Ом и R8э=150 Ом. По [5] выбираем металлодиэлектрические резисторы С2-33 с номинальной мощностью 2 и 1 Вт соответственно. Для проверки резисторов по допустимой мощности рассеяния предположим, что все напряжение, создаваемое источником питания, падает на этих резисторах. Рассеиваемую мощность определим по формуле:

;

(Вт).

Параметры делителя R7, R8 определяют, задавшись током делителя:

Сопротивление резистора R6 делителя находим из выражения:

,

где для кремниевых транзисторов,

.

Сопротивление резистора R5 делителя находим следующим образом

;

.

Выбираем по [5] резисторы С2-33 R5=5,6 кОм, номинальная мощность 0,125 Вт и R6=1 кОм, номинальная мощность 0,125 Вт. Выполним проверку для резистора R5 по формулам, подобным:

;

;

.

Для определения коэффициента усиления каскада по току определим эквивалентное сопротивление цепи коллектора по переменному току:

,

.

Определяем коэффициент усиления по току:

,

.

Тогда амплитуда входного тока

,

.

Входное сопротивление каскада ОЭ определяется с учетом сопротивлений делителя, параметров транзистора и сопротивления цепи эмиттера:

,

где - усредненное значение крутизны сквозной характеристики;

- тепловой потенциал.

Тогда входное сопротивление

.

Коэффициент усиления по напряжению

,

где в данном случае - входное сопротивление выходного каскада, определенное выше

.

Амплитуда входного напряжения:

,

.

Емкость конденсатора С3 определяем по формуле:

.

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-24 с емкостью С3=10мкФ, с номинальным напряжением 63В.

Конденсатор С5 рассчитывается по следующей формуле:

;

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-24 с емкостью С5=56мкФ, с номинальным напряжением 63В.

Расчет входного каскада

Входной каскад будем построен на операционном усилителе 741 (советский аналог - К140УД7). Это операционный усилитель состоящий из трех каскадов:

1. Дифференциальный усилитель - предназначен для усиления сигнала, имеет низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление и обычно дифференциальный выход.

2. Усилитель напряжения - обеспечивает высокое усиление сигнала по напряжению, имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику с одним полюсом, и обычно имеет один выход.

3. Выходной усилитель - обеспечивает высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

Основные технические характеристики ОУ 741 (таблица 2):

Таблица 2

Напряжение питания	4-55(В)
Минимальный коэффициент усиления	1
Максимальный коэффициент усиления	90(дБ)
Потребляемый ток	4(мА)
Максимальный выходной ток	30(мА)
Выходное сопротивление	1000(Ом)



Рисунок 6 Принципиальная схема ОУ 741

Напряжения источников сигналов, подаваемых на входы, проходят через две "диодных" цепочки, образованных переходами база-эмиттер транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4, к месту соединения баз транзисторов Q3, Q4. Если входные напряжения немного изменятся (напряжение на одном входе увеличится, а на другом уменьшится), то напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 почти не изменится, так же общий ток баз останется без изменений. Произойдёт только перераспределение токов между базами транзисторов Q3, Q4, общий ток покоя останется тем же самым, токи коллекторов перераспределятся в тех же пропорциях, что и базовые токи.

Токовое зеркало произведёт инвертирование коллекторного тока, сигнал вернётся обратно на базу транзистора Q4. В точке соединения транзисторов Q4 и Q6 токи транзисторов Q3 и Q4 вычитаются. Эти токи противофазны в данном случае (в случае дифференциального сигнала). Следовательно, в результате вычитания токов токи сложатся (ДI - (-ДI) = 2ДI), и преобразование из двухфазного сигнала в однофазный произойдёт без потерь. В схеме с разомкнутой петлёй обратной связи напряжение, полученное в точке соединения транзисторов Q4 и Q6 определяется результатом вычитания токов и общим сопротивлением схемы (параллельно включённые сопротивления коллекторов транзисторов Q4 и Q6). Так как для сигнальных токов эти сопротивления являются высокими (транзисторы Q4 и Q6 ведут себя как генераторы токов), то при разомкнутой петле обратной связи коэффициент усиления этого каскада будет очень высоким.

Иначе говоря, можно представить транзистор Q6 как копию транзистора Q3, а комбинацию транзисторов Q4 и Q6 можно представить как регулируемый делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, управляемых напряжением. Для дифференциальных входных сигналов сопротивления этих резисторов будут сильно изменяться в противоположных направлениях, но общее сопротивление делителя напряжения останется неизменным (как у потенциометра с подвижным контактом). В результате ток не изменяется, но происходит сильное изменение напряжения в средней точке. Так как сопротивления изменяются в равной степени, но в противоположных направлениях, то результирующее изменение напряжения будет в два раза больше одиночных изменений напряжений.

Базовые токи на входах не нулевые, и поэтому эффективное входное сопротивление 741 операционного усилителя равно примерно 2 мОм. Выводы "установка нуля" могут быть использованы для подключения внешних резисторов параллельно внутренним резисторам сопротивлением 1 кОм (здесь обычно подключают потенциометр) для балансировки токов транзисторов Q5, Q6, таким образом косвенно регулируют сигнал на выходе при подаче на входы нулевых сигналов.

На последующих двух каскадах получили коэффициент усиления равный:

- коэффициент усиления предоконечного каскада;

- коэффициент усиления выходного каскада;

Чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления по напряжению , нужно получить коэффициент усиления на этом каскаде равный:

Коэффициент усиления для каскада на ОУ задается при помощи резисторов R₁ и R₂:

Рисунок 7 Схема включения ОУ 741

Примем значение резистора R₂=50 кОм, т.к. резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход. Для ОУ общего назначения значения резисторов обычно выбираются от 2 до 50 кОм.

Тогда

Выбираем по [5] резистор МЛТ R₁=3 кОм, номинальной мощностью 0,25 Вт.

Определяем емкости входного конденсатора:

,

Принимая согласно ряду номинальных значений С₁=8 мкФ выбираем оксидно-электролитические конденсатор к10-17А. Учитывая, что номинальное напряжение конденсатора должно быть выбрано из соотношения , принимаем его равным 63 В.

Коэффициент усиления для каскада равен:

Коэффициент усиления по мощности:

- для операционного усилителя:

Расчет общих параметров усилителя

Определим основные параметры нашего усилителя в соответствии с формулами (2.1):

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.

Определим отклонение полученных параметров усилителя от заданных

;

.

Найдем коэффициент частотных искажений по формулам (2.5) и (2.6). Для этого найдем по (2.7) коэффициенты частотных искажений, обусловленные влиянием отдельных конденсаторов:

;

;

;

;

;

;

Тогда общий коэффициент частотных искажений

.

Полученный коэффициент удовлетворяет условию .

Фазовые сдвиги, создаваемый действием каждого конденсатора определим по формуле (2.9):

12,9;

;

;

;

;

;

Тогда фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя относительно входного

Заключение

В курсовой работе были проделаны операции по расчету и конструированию усилителя низкоц частоты. В состав него вошли: 4 транзистора(КТ814А, КТ815А, КТ503А и КТ361А) и 9 резисторов различных номиналов с шестью электролитическими конденсаторами. При расчете были получены обобщенные коэффициенты усилений по мощности и по напряжению, отличающиеся от заданных на 2-3%, что является приемлимым.

Список использованных источников

Рабочий А.А., Методические указания к курсовой работе “Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты”. Орел, 1998. 28 с.

Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Электроника”. М.: Высшая школа, 1991. 621с.

Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник /Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 904 с.

Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник /Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 744 с.

Резисторы: Справочник: /Под ред. Четверткова И.И. М.: Радио и связь, 1991. 527 с.

Справочник по электролитическим конденсаторам /Под ред. Четверткова И.И. М.: Радио и связь, 1983. 575 с.

Размещено на Allbest.ru

...