Расчет усилителя низкой частоты с бестрансформаторным выходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Курсовая работа по схемотехнике

Расчет усилителя низкой частоты с бестрансформаторным выходом

Выполнил: студент группы МП-36

Беляев А. В.

Проверил: Забурев П. В.

2000

Содержание

Общие сведения

Задание

Расчет выходного каскада

Расчет предвыходного каскада

Расчет режима покоя и его стабилизации

Расчет элементов в цепях ОУ

Расчет радиатора

Список литературы

усилитель многокаскадный проектирование

Общие сведения

При проектировании многокаскадных усилителей, к которому предъявляются специальные требования, обычно необходимо знать выходную мощность усилителя Рн, выходное напряжение Uн, сопротивление нагрузки Rн, допустимый коэффициент гармоник Кг, рабочий диапазон частот (fн и fв), нормированный коэффициент усиления на низшей и высшей частотах, входное напряжение Uвх, внутреннее сопротивление источника питания Rи.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие ООС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или AB и включенных по схемам с ОК или ОЭ.В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), называются каскадами с дополнительной симметрией.

Задание

Выходная мощность - 2 Вт.

Рабочая полоса частот - 0.05…10 кГц.

ЭДС источника сигнала - 10 мВ.

Rвн источника сигнала - 25 кОм.

Сопротивление нагрузки - 8 Ом

Расчет выходного каскада

Необходимая амплитуда синусоидального напряжения при заданных сопротивлениях нагрузки Rн и мощности Pн на выходе УМ:

амплитуда тока:

Напряжения питания выберем Uп = Uп1= |Uп2| = 8 В.

Отсюда следует

Uкэ min = Uп - UmH = 2 В

Ток, потребляемый в режиме максимальной отдаваемой мощности

Мощность, рассеиваемая на каждом транзисторе при максимальной отдаваемой мощности:

Pp = UпImMax -0.5PH 1 Вт

В расчетах будем предполагать 1.5 Вт, обеспечив тем самым запас по рассеиваемой мощности.

Транзисторы VT5, VT6 выберем учитывая

Выбираем компланарные транзисторы

VT5 - 2Т509 А,Б,В (p-n-p) и

VT6 - КТ504 А,Б,В (n-p-n).

Они имеют следующие параметры:

IKMAX = 1 А, PKMAX = 1 Вт, TПMAX = 150 OC,

h21Э = 15…100, fГР = 20 МГц.

Транзисторы выходного каскада работают в режиме B (AB). На верхних частотах:

Оценим начальный ток выходных транзисторов.

В режиме малых токов усиление падает:

Обычно не допускается снижение K5(6)MIN ниже единицы, т.е. относительное изменение К достигает в таком каскаде 10…30. Местная обратная связь (R10, R7) уменьшает это изменение в десятки раз, общая обратная связь (R3, R2) доводит до долей процента. Таким образом, примем (K5(6)MIN = 1, далее следует rЭMAX = RН), что ограничение минимального тока покоя

С учетом температурной нестабильности выбираем рабочее значение тока покоя

IЭ = 30 мА.

Сопротивления обратной связи по току рекомендуется принять равными:

R11 = R12 = (0.03…0.1) Rн = 0.24…0.8 Ом

Выберем их сопротивление - 0.5 Ом.

Расчет предоконечного каскада

Предоконечный каскад обычно должен обеспечивать усиление по току и напряжению, так как амплитуда выходного тока и напря-жения распространенных типов ОУ ограничена (порядка 10 - 20 мА, 10-12 В). Коэффициент усиления по напряжению определяется, в основном, делителем из резисторов

R7, R10.

приняв

R10 = h21ЭMIN5RH = 815 = 120 Ом,

получим

UmH = 0.5(1+R10/R7)UmЭ

Допустимую амплитуду напряжения на выходе ОУ следует выбрать несколько меньшей по сравнению с максимальной величиной, указанной в справочнике, то есть:

UmВЫХ ОУ (0.7- 0.8)UmВЫХ MAX 5.6 В

Этот запас необходим из-за возможной нестабильности напряжения источника питания.Коэффициент усиления напряжения всего выходного каскада с учетом вышесказанного равен:

KB = UmH/UmВЫХ ОУ 0.5 (1 + R10/R7) 1

Отсюда R7 = 120 Ом.

Сопротивления R8 и R9 рассчитывают так, чтобы ток через них при максимальном сигнале соответствующей полярности не превышал 10-20% амплитуды тока базы выходных транзисторов:

Выберем R8 = R9 = 200 Ом.

Транзисторы предоконечного каскада VT3 и VT4 должны удовлетворять условиям:

UКЭ MAX 1,2( UП1 + | UП2 |) = 20 В

IК MAX > 1,2 ImH / h21Э2(6) MIN = 48 mA

Выбираем следующие транзисторы

VT3 - КТ215 А9,Б9,В9,Г9 (n-p-n),

VT4 - КТ218 А9,Б9,В9,Г9 (p-n-p) с параметрами:

h21Э = 20…80, IKMAX = 100 мА; PKMAX = 200 мВт.

Расчет режима покоя и его cтабилизации

Схема обеспечения и стабилизации тока покоя выходных транзисторов по температуре и питанию включает транзисторы VT1 и VT2 и резисторы R6, R5, R4.

Транзистор VT1 с резистором ООС по току образует генератор стабильного тока (ГСТ), который питает фиксированным, почти независимым от напряжения питания, током температурнозависимого напряжения, собранный на транзисторе VT2 с глубокой ООС по напряжению через делитель R4, R5.

Напряжение, снимаемое между коллектором и эмиттером VT2, играет роль напряжения смещения переходов база-эмиттер транзисторов VT3, VT4 и должно составлять 2UБЭ. С другой стороны, это напряжение подается на делитель R5, R4 и при условии, что ток делителя Ig IБ3, напряжение делителя равно

Отсюда следует R4 = R5. VT2.

В качестве тр-ра VT2 применим любой кремниевый маломощный транзистор. Возьмем его таким же как и тр-р VT3.

Выбор полевого тр-ра VT1 определяется тем, что ток стока VT1 должен с запасом обеспечивать амплитудное значение тока базы транзистора VT1 в режиме отдачи максимальной мощности:

Напряжение UСЗ на VT5 может достигать величины:

С некоторым запасом примем:

По мощности:

Выбираем в качестве VT1 полевой n-канальный транзистор КП308А,Б,В,Г,Д, удовлетворяющий всем условиям выше:

PKMAX = 60 мВт

Рабочая температура среды: - 40 +85 OС

UЗИ ОТС = 0.5 3 В

UСИMAX = 25 В

IС НАЧ (при UЗИ = 0) = 1 … 3 мА

Используя средние значения токов и напряжений найдем:

Сопротивление автосмещения и стабилизации:

Используем стандартное значение R6 = 180 Ом.

Ток делителя R4, R5:

Откуда

R4 = R5 = UБЭ/Ig 3/IC5 3 кОм

Расчет элементов в цепях ОУ

Резистор R1 определяет входное сопротивление усилителя. Так как сопротивление источника сигнала составляет 25 кОм, примем R1 равным 270 кОм.

Сопротивление R3 следует принять равным R1 из условия минимума смещения нуля. Отношение сопротивлений резисторов R3/R2 задает коэффициент усиления

K = 1 + R3/R2,

где К - коэффициент усиления по напряжению всего усилителя:

K = UmH/UИСТ = 6/1010-3 = 600

Т.к. R3 = R1 = 270 кОм

Откуда R2 R3/600 = 450 Ом.

С учетом стандартных значений примем равным 470 Ом.

Емкости конденсаторов C2 и C1 определяют нижнюю граничную частоту усилителя. Зададим коэффициент частотных искажений:

Mн = Mн1 + Mн2 = 3 дБ

Пусть Mн1 = Мн2 = 1.5 дБ

Выбираем стандартные значения конденсаторов:

C2 = 10 мкФ .

Выбираем ОУ общего применения - КР1407УД2 со следующими характеристиками:

Коэффициент усиления по напряжению, KУ = 5104

Частота единичного усиления f1 = 3 мГц

Максимальное выходное напряжение UВЫХ-MAX = 10 В

Минимальное сопротивление нагрузки RН-MIN = 2 кОм

Напряжение питания Uпоу = 1.2 …13.2

Конденсаторы С3 и С4 являются антипаразитными, выберем их согласно типовым значениям равными 47 нФ.

Расчет радиатора

Так как на выходных транзисторах выделяется малая мощность (Pk = 1 Вт), в качестве радиатора для каждого из них используем металлическую пластину, площадь которой рассчитаем.

Тепловое сопротивление переход-корпус одного из выходных транзисторов:

Тепловое сопротивление корпус-радиатор(Sk 1 см2 - площадь соприкосновения радиатора и тр-ра):

Tрад = TП - PK(RПК + RКР) = 150 - 1(40 +2) = 108 OC

Так как радиатор на самом деле нагрет неравномерно:

Tрад-доп = 108/0.95 114 OC

Тепловое сопротивление радиатор-среда:

Площадь контакта радиатора с внешней средой:

Площадь пластины, используемой под радиатор должна составить S/2 = 12.5 см2.

Поз.	Наименов.	Обозначение	Кол	Прим.
1	Конденсаторы
1.1	C1	К10-43в-МПО-47нФ±5% ОЖО.460.165 ТУ	1	E192
1.2	С2	K53-4А-10мкФ+20%ОЖО.464.149 ТУ	1
1.3	С3,С4	К10-43в-МПО-47нФ±5% ОЖО.460.165 ТУ	1
2	Резисторы
2.1	R1,R3	C2-23В-0,125-270 кОм±5%-А-ОЖО 467.081 ТУ	2	E24
2.2	R2	C2-23В-0,125-470 Ом±5%-1,0-А-ОЖО 467.099 ТУ	1
2.3	R4,R5	C2-23В-0,125-3 кОм±5%-1,0-А-ОЖО 467.099 ТУ	2
2.4	R6	C2-23В-0,125-180 кОм±5%-1,0-А-ОЖО 467.099 ТУ	1
2.5	R7,R10	C2-23В-0,125-120 Ом±5%-1,0-А-ОЖО 467.099 ТУ	2
2.6	R11,R12	Специального изготовления	2
3	Транзисторы
3.1	VT1	КП 308 А,Б,В,Г,Д	1
3.2	VT2,VT3	КТ215 А9,Б9,В9,Г9	2
3.3	VT4	КТ218 А9,Б9,В9,Г9	1
3.4	VT5	2Т509 А,Б,В	1
3.5	VT6	КТ 504 А,Б,В	1
4	Интегральные схемы
4.1	DA1	КР1407УД2	1
Изм	Лист	№ документа	Подп	Дата	Спецификация к схеме УНЧ	Лист.	Масса	Масшт
Разработал	Беляев А. В.
Проверил	Зубарев П. В.
Т.контроль					Лист	Листов
					МП-36
Н.контроль
Утверждено

Список литературы

1. Методические указания к курсовому проектированию по радиоэлектронике. Под редакцией В.А.Кустова. МИЭТ, 1990.

2. Методические указания к курсовому проектированию по радиоэлектронике. Под редакцией В.А.Кустова. МИЭТ, 1987.

3. Электроника. В.И.Гусев, Ю.М.Гусев. Высшая школа, 1991.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под ред. Б.Л.Перельмана. М. : Радио и связь, 1981.

Размещено на Allbest.ru

...