Расчет усилителя низкой частоты

Содержание

 

Введение...............................................................................................................3

 

1 Задания на выполнение курсовой работы......................................................4

 

2 Расчет усилителя низкой частоты..................................................................5

 

2.1  Расчет выходного каскада...........................................................................5

 

2.2  Расчет предоконечного каскада..................................................................8

 

2.3  Расчет входного каскада............................................................................10

 

2.4  Расчет элементов цепи обратной связи....................................................15

 

3 Компоновка схемы усилителя с последовательной ООС по напряжению.......................................................................................................17

 

Заключение.........................................................................................................21

 

Список  литературы............................................................................................22

 

Электрическая принципиальная схема............................................................23

 

Перечень  элементов электрической принципиальной схемы УНЧ.............24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью курсового проектирования является закрепление знаний по схемотехнике аналоговых электронных устройств, выбору их элементов, расчету качественных характеристик, приобретению навыков моделирования, оформления пояснительной записки и чертежей. В число проектируемых устройств входят различные усилители, генераторы гармонических колебаний, стабилизаторы постоянного напряжения.

Усилитель является одним из основных узлов  различной аппаратуры в устройствах  автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии  от источника питания. По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых  частот усилители делятся на ряд  следующих типов:

• усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
• усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.
• усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.
• усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Из  трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим  коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет  вспомогательную роль.  Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.

Точный  анализ аналоговых устройств приводит к громоздким соотношениям, мало пригодным для практики инженерных расчетов. Рекомендуем использовать приближенные эквивалентные схемы и методы анализа, позволяющие получить простые и наглядные соотношения для параметрического синтеза устройств. Уточненный анализ и подгонку значений элементов спроектированных таким образом устройств можно

выполнить затем путем компьютерного моделирования с помощью пакетов Electronics Workbench или ASIMEC.

 

1 Задания на выполнение курсовой работы

 

Пусть стоит задача выбора основных элементов  двухтактного выходного каскада усилителя звуковых частот, представленный на рисунке 1, с выходной мощностью Вт   и сопротивлением нагрузки Ом.

Исходные параметры цепи приведены с соответствии с таблицей 1:

 

Таблица 1

Исходные  данные

 

Вариант	, Вт	, Ом	, мВ	, Ом	, Гц	, кГц	, оС
6	5	8	1000	300	15	25	50

 

где - активная мощность в нагрузке;

- активное сопротивление  нагрузки;

- ЭДС источника сигнала;

- внутреннее сопротивление  источника сигнала;

- нижняя граничная частота полосы  пропускания на уровне 3 дБ;

- верхняя граничная частота  полосы пропускания на уровне 3 дБ;

- максимальная температура  окружающей среды.

 

2 Расчета  усилителя низкой частоты

 

2.1 Расчет выходного каскада

 

Усилитель низкой частоты выполнен по схеме  с квазидополнительной симметрией выходных транзисторов. Усилитель питается от двухполярного источника. В точке покоя напряжение на нагрузке устанавливается равным нулю. В УНЧ используется цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению через резистор R₁ и вольтодобавочная цепь положительной обратной связи за счет элементов С₂ и R₆ [11,18].

Так как выходные каскады являются основными  потребителями энергии источников питания, они работают в режиме класса В или класса АВ, обеспечивая высокий  КПД. Для получения хороших энергетических показателей и небольших нелинейных искажений выбираем режим АВ. Резисторы R₉ и R₁₀, служащие для температурной стабилизации исходных рабочих точек оконечных транзисторов VT4 и VT5, берут порядка (5…15)% от . Выбираем R₉ = R₁₀ = 1 Ом из ряда Е₁₂ с номинальной мощностью рассеяния 1 Вт.

Тогда полное сопротивление нагрузки одного плеча  в соответствии с формулой (1) составит:

 

                                               (1)

 

где  – активное сопротивление нагрузки;

 – сопротивление, находящийся в цепи усилителя VT4;

 

 

 

Требуемая максимальная выходная мощность , которую должны обеспечить транзисторы и которая определяется по формуле (2):

 

 

 

где – выходная мощность;

 

 

 

Максимальная  амплитуда тока нагрузки определяется в соответствии с формулой (3):

 

 

 

Требуемая величина напряжения источника питания, определяется в соответствии с формулой (4):

 

 

 

где – остаточное напряжение, которое определяется по формуле (5):

 

(5)

 

где –напряжение на коллектор – эмиттер для транзистора VT2, равное 0,5 В;

 – напряжение насыщения на  эмиттер – базе для транзистора  на VT4, равное 0,8 В;

 

 

 

 

 

Выбираем  Е  = 11 В. 

Максимальная  мощность потерь в каждом из выходных транзисторов [11] определяется по формуле (6):

 

 

 

где - коэффициент использования напряжения источника питания, который определяется по формуле (7):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальное  напряжение на оконечном транзисторе  каждого плеча примерно равно удвоенному напряжению источника питания (когда один из транзисторов закрыт, а другой почти открыт) в соответствии с формулой (8):

 

 

 

 

 

По  значениям, и выбираем оконечные транзисторы типа КТ817В, основные параметры которого представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

Основные  параметры транзистора типа КТ817В

 

3	5	60	60	5	25
25	2	1	0,6	0,1	3

 

Необходимая поверхность пластинчатого радиатора в квадратных сантиметрах при условии, что максимальная температура окружающей среды =50 ^оС, а температура перехода не превысит =120 ^оС, находится по формуле (9):

 

 

 

где  - тепловое сопротивление переход-корпус, равное ;

 

 

 

Роль  такого радиатора может выполнить  алюминиевая пластина со сторонами 10 и 4 см.

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчет  предоконечного каскада

 

Ток покоя оконечных транзисторов выбирают в диапазоне (3…10)%  от максимального тока нагрузки. В соответствии с формулой (10) примем

 

 

 

 

 

Исходный  ток через резистор примем равным 10% от (токи через резисторы и выбирают в несколько раз больше, чем токи баз VT4 и VT5) в соответствии с формулой (11):

 

 

 

.

 

Исходное  напряжение на резисторе  найдем по формуле (12):

 

 

 

где – пороговое напряжение входной характеристики транзистора;

 

.

 

Величина  сопротивления резистора  определяем по формуле (13):

 

 

 

 

 

Выбираем  из ряда Е₁₂ с допустимым отклонением 10%. Максимальное напряжение на резисторе - определяем в соответствии с формулой (14):

 

 

 

 

 

 

 

Максимальные  токи определяются в соответствии с формулой (15):

 

 

 

 

 

 

 

где – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе, который равняется , представленному в таблице 2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Расчет входного каскада

 

Максимальный  ток транзистора VT2 определяется в соответствии с формулой (16):

 

 

 

 мА.

 

Максимальное  напряжение на транзисторе VT2 определяется по формуле (17):

 

 

 

 

 

Напряжения  на транзисторах VT2 и VT4 практически одинаковы. Поэтому их максимальные мощности потерь различаются во столько же раз, что и токи и находят по формуле (18):

 

 

 

 

 

По  найденным значениям максимального  тока, напряжения и мощности выбираем в качестве VT2 транзистор типа КТ315B, а VT3 – транзистор типа КТ361B. Это наиболее распространенные транзисторы разного типа проводимости с одинаковыми параметрами, представленные в таблице 3.

 

Таблица 3

Параметры транзисторов типов КТ315B, КТ361B

 

Транзистор типа КТ315B
30	-	40	-	6	150
20…90	10	1	0,4	1	250
Транзистор типа КТ361B
50	-	40	40	4	150
40…160	10	1	-	1	250

Максимальный ток базы транзистора VT2 определяется в соответствии с формулой (19):

 

 

 

где -  коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе, который равняется , представленному в таблице 2;

 

 

 

Требуемый ток коллектора в рабочей точке  транзистора VT1 находим по формуле (20):

 

 

 

 

 

Принимаем ток  мА.

  Максимальная мощность потерь в транзисторе VT1 определяем по формуле (21):

 

 

 

 

 

В качестве VT1 выбираем транзистор КТ315В.

Для сохранения высокого коэффициента использования  источника питания при открывании транзистора VT3 потери постоянного напряжения на резисторе R₅ (он служит для температурной стабилизации режима VT1) должны быть небольшими.

Принимаем В.

  Тогда сопротивление найдем по формуле (22):

 

 

 

 

 

 

 

Требуемое исходное напряжение смещения на резисторе  близко к сумме пороговых напряжений база-эмиттер транзисторов VT2, VT4, VT3 и рассчитывается следующим образом:

 

 

 

Отсюда  находим значение сопротивления  по формуле (23):

 

 

 

 

 

Суммарное падение напряжения на резисторах и определим как разность в соответствии с формулой (24):

 

 

 

Следовательно, сумма сопротивлений  и равна:

 

 

 

Сопротивление резистора  R₆  выбирается из условий [7]:

 

 

 

        Выберем R₃=3,3 кОм, R₆=1,5 кОм из ряда Е₁₂.