Рефетека.ру / Промышленность и пр-во

Курсовая работа: Проектирование усилителя низкой частоты

Содержание


Введение

1. Обоснование схемы выходного каскада усилителя

2. Расчет параметров выходного каскада

2.1 Расчет режима цепи по постоянному и переменному току

2.2 Расчет элементов цепи смещения

2.3 Расчет входной цепи каскада

2.4 Расчет КПД каскада для максимального входного сигнала

3. Расчет фазоинверсного каскада

3.1 Выбор транзистора

3.2 Расчет режима работы

3.3 Расчет параметров цепи стабилизации режима и цепи смещения

3.4 Расчет входной цепи каскада

4. Расчет входного каскада

Список литературы


Введение


Основной целью курсового проекта является овладение методикой и навыками инженерного расчета усилителей переменного тока. Усилитель проектируется как функционально и конструктивно законченное устройство. Число питающих напряжений должно быть минимально.

Усилитель включает в себя следующие составные блоки:

- входной каскад;

- каскад предварительного усиления (один или несколько);

- фазоинверсный каскад;

- цепь обратной связи;

- цепь питания;

- источник сигнала.


Проектирование усилителя низкой частоты

Рисунок 1 (Структурная схема усилителя)


ВХ – входной каскад;

ПУ – каскад предварительного усиления;

ФИК – фазоинверсный каскад;

ВЫХ – выходной каскад.


1 Обоснование схемы выходного каскада усилителя


В этом пункте определяется тип используемого каскада – трансформаторный или бестрансформаторный. Для этого проводится ряд расчетов.

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора:


Проектирование усилителя низкой частоты


Амплитудное значение коллекторного тока транзистора:


Проектирование усилителя низкой частоты


Выбираем по току транзистор Проектирование усилителя низкой частоты. Нам подходит транзистор КТ819.

Определяется необходимое напряжение источника питания:


Проектирование усилителя низкой частоты,


Где rнас – внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.

rнас - находим по выходным характеристикам транзистора КТ819 (приложение 1). В нашем случае для транзистора КТ819


Проектирование усилителя низкой частоты


Тогда:

Проектирование усилителя низкой частоты

Поскольку Еп не попадает в диапазон 12 – 15В, то будем использовать трансформаторный каскад с напряжением источника питания Еп=12В.


2 Расчет параметров выходного каскада


Проектирование усилителя низкой частоты

Рисунок 2.1 – Трансформаторный выходной каскад.


Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:


Проектирование усилителя низкой частоты


Поскольку мощность, выделяемая каскадом в нагрузку, составляет

Рн = 18Вт, то КПД выходного трансформатора составит Проектирование усилителя низкой частоты.

Мощность, отдаваемая транзисторами в нагрузку:


Проектирование усилителя низкой частоты


где ηтр-КПД выходного трансформатора.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:


Проектирование усилителя низкой частоты

По следующим неравенствам проверяем выбранные транзисторы VT1(VT2):


Проектирование усилителя низкой частоты


По справочнику [3] выбран транзистор КТ819В в корпусе ТО-220 со следующими параметрами:

Pкдоп25oС = 60 Вт – максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе;

Uкдоп = 70В – максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;

Iкдоп = 10A – максимально допустимый ток коллектора.

Проверим выбранный транзистор на мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:


Проектирование усилителя низкой частоты


где Проектирование усилителя низкой частоты - номинально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при максимальной температуре коллекторного перехода;


Проектирование усилителя низкой частоты


где tв – верхнее значение диапазона рабочих температур.

Проектирование усилителя низкой частоты

Поскольку Pкдоп > Рк1, то выбранные транзисторы подходят для выходного каскада.


2.1 Расчет режима цепи по постоянному и переменному току


Амплитудное значение переменной составляющей коллекторного напряжения:


Проектирование усилителя низкой частоты


Коэффициент трансформации выходного трансформатора:


Проектирование усилителя низкой частоты


Амплитуда переменной составляющей тока коллектора:


Проектирование усилителя низкой частоты


Величина тока коллектора в режиме покоя:


Проектирование усилителя низкой частоты


где k = (0,5ч2)∙103 – коэффициент, определяющий термоустойчивость транзистора в рабочей точке.

Должно выполняться условие:


Проектирование усилителя низкой частоты


где (1,15ч1,2) – коэффициент запаса по току.

Видим, что 10А ≥ 1,2∙(0,5 + 3,96) = 5,3 А – это значит, что транзисторы выбраны правильно.

Максимальная суммарная колебательная мощность, выделяемая в эмиттерной и коллекторной цепях:


Проектирование усилителя низкой частоты


где k4 = (0,03ч0,1) – коэффициент, задающий соотношение мощностей, выделяемых в эмиттерной и коллекторной цепях.

Эквивалентное сопротивление, характеризующее суммарную нагрузку для переменных составляющих токов в коллекторной и эмиттерной цепях:


Проектирование усилителя низкой частоты


Сопротивление в коллекторной и эмиттерной цепях:


Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты

- коэффициент передачи тока эмиттера для выбранного транзистора

Проектирование усилителя низкой частоты

Принимаем Rэ = 0,2 Ом.

Активное сопротивление половины первичной обмотки выходного трансформатора:


Проектирование усилителя низкой частоты


Напряжение коллектор-эмиттер в режиме покоя:


U0к = Uкm + Iкm ∙ rнас = 10,8 + 3,96 ∙ 0,214 = 11,7(В).


Для надежной работы транзистора необходимо, чтобы:

U0к ≤ 0,45Uкдоп, то есть 11,7 В ≤ 0,45 ∙ 70 = 28 В. Значит, транзистор выбран правильно.

Для определения коэффициента температурной нестабильности каскада SBK по рассчитанным значениям I0к, U0к, Iкm и Uкm строится нагрузочная характеристика по переменному току (Приложение).

Для нахождения точки Б необходимо к напряжению U0к добавить напряжение I0к(r1n + α-1∙Rэ). Через точку А0 и Б проводится нагрузочная характеристика по постоянному току. В результате параллельного смещения нагрузочной характеристики по переменному току вверх по нагрузочной характеристике для постоянного тока определяется значение приращения тока коллектора транзистора ∆IкТ, которое можно допустить при его нагреве ∆IкТ ≈2,3А.

Допустимая нестабильность каскада, обусловленная изменением I0к от температуры:


Проектирование усилителя низкой частоты


где ∆IT = Iк0 t – I к 0 25°С – приращение обратного тока коллектора;

Iк0 t = I к 0 25° · eγ1∆tn,

где γ1 = 0,11град-1 – температурный коэффициент обратного коллекторного тока для кремниевых транзисторов;


∆tn = tmax – 20 = 80 – 25 = 50(°C)


– температура перегрева коллекторного перехода.

Iк0t = 0,001 · e0,11· 50 ≈ 0,245(A);

∆IT = 0,245 – 0,001 = 0,244(A);

Проектирование усилителя низкой частоты


2.2 Расчет элементов цепи смещения


Путем переноса точек А0 и А1, с выходной характеристики на входную, снятую при |Uкэ| > 0 (приложение), определяются следующие параметры:

U0б = 0,64 В – напряжение на базе транзистора в режиме покоя;

Uбm = 0,18 В – амплитуда переменной составляющей базового напряжения;

Uбmax = 0,82 В – максимальное напряжение на базе;

I0б = 10 мА – ток покоя базы;

Iбm = 172 мА – амплитуда переменной составляющей базового тока;

Iбmax = 182 мА – максимальное значение тока базы.

Напряжение в средней точке базового делителя в режиме покоя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Постоянная составляющая точка через резистор R2:


Iдел = (0,5ч2,0)Iбm = 2∙172∙10-3 ≈ 344(мА).


Сопротивления R2 и R1 в цепи делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Принимаем R1 = 2 Ом; R2 = 30 Ом.

Сопротивление в базовой цепи каскада


Проектирование усилителя низкой частоты


Фактический коэффициент нестабильности каскада:


Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты

Выходной каскад термоустойчив, если выполняется система неравенств:


Проектирование усилителя низкой частоты


Меньшее значение Проектирование усилителя низкой частотыможет привести к низкоомным сопротивлениям базовых цепей транзисторов и соответственно, снижению коэффициента усиления каскада. Поэтому первоначально целесообразно принять среднее значение Проектирование усилителя низкой частоты.


2.3 Расчет входной цепи каскада


Амплитудное значение входного напряжения:


Проектирование усилителя низкой частоты


Проектирование усилителя низкой частоты

Выходное сопротивление каскада:


Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты


– выходное сопротивление транзистора.2.3.3

Выходная мощность каскада:


Проектирование усилителя низкой частоты


Коэффициент усиления каскада по напряжению:


Проектирование усилителя низкой частоты


2.4 Расчет КПД каскада для максимального входного сигнала


Среднее значение тока, потребляемого одним транзистором:


Проектирование усилителя низкой частоты


Мощность, потребляемая коллекторной цепью двух транзисторов:


P0к = 2EnI0=2·12∙1,92 = 46,31(Вт).


Мощность, потребляемая цепью смещения:


P0см = Еn ∙ Iдел = 12 ∙ 0,34 = 4,12 (Вт).


КПД каскада:


Проектирование усилителя низкой частоты


3. Расчет фазоинверсного каскада


Проектирование усилителя низкой частоты

Рисунок 3.1 – фазоинверсный каскад.


Исходными величинами для расчета каскада являются сопротивление нагрузки Проектирование усилителя низкой частоты и максимальная амплитуда напряжения на нагрузке. Этими значениями для фазоинверсного каскада являются параметры входной цепи выходного каскада Проектирование усилителя низкой частоты и Проектирование усилителя низкой частоты .


3.1 Выбор транзистора


Выбор транзистора производится по соотношению


Проектирование усилителя низкой частоты


где

Проектирование усилителя низкой частоты


- мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку, то есть входную цепь выходного каскада;

Проектирование усилителя низкой частоты - мощность на входе выходного каскада;

Проектирование усилителя низкой частоты- КПД трансформатора фазоинверсного каскада.

По справочнику [2] выбран транзистор КТ503Д со следуйщими параметрами:

Pкдоп25°С = 500мВт – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;

Uкдоп = 60В – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;

Iкдоп = 300мА – максимально допустимый постоянный ток коллектора;

h21эmin = 40 – минимальный статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

Iк025°С = 1мкА = обратный ток коллектора.

Выбираем напряжение источника питания которое равно Eп = 12В.


3.2 Расчет режима работы


Амплитудное значение переменной составляющей коллекторного напряжения:


Проектирование усилителя низкой частоты= Eп – Uкэmin - ∆Uкэ – Uэ = 12 – 1 – 0,42 – 2,4 = 8,18(В),


где Uкэmin = (0,5ч 1)В = 1В;


Uэ ≈ (0,1ч 0,3) Eп = 0,2Eк = 0,2 ∙ 12 = 2,4(В);


∆Uкэ ≈ (0,15 ч 0,2)Uэ = 0,175 ∙ 2,4 = 0,42(В).


Напряжение коллектор – эмиттер в режиме покоя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:


Проектирование усилителя низкой частоты


Амплитуда переменной составляющей тока коллектора:


Проектирование усилителя низкой частоты.


Ток покоя коллектора:


Проектирование усилителя низкой частоты,


где Iкmin ≈ (0,5 ч 1)мА = 1мА;


Проектирование усилителя низкой частоты;


Тогда:


Проектирование усилителя низкой частотыПроектирование усилителя низкой частоты


Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:


Проектирование усилителя низкой частоты


3.3 Расчет параметров цепи стабилизации режима и цепи смещения


Коэффициент передачи тока эмиттера:


Проектирование усилителя низкой частоты


Сопротивление эмиттерной цепи:


Проектирование усилителя низкой частоты


Принимаем Rэ = 82 Ом

Сопротивления Rб1 и Rб2 в цепи делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


ПринимаемRб1=3000Ом


Проектирование усилителя низкой частоты

Принимаем Rб2 = 750 Ом

где SФИК = (5ч10) – коэффициент нестабильности фазоинверсного каскада.


3.4 Расчет входной цепи каскада


Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:


Проектирование усилителя низкой частоты


где rб = (100ч200)Ом – сопротивление базового слоя;


Проектирование усилителя низкой частоты


где φТ = 25,6 мВ для tв = 20°C;

m = 2 для кремниевых транзисторов.

Для уменьшения влияния разброса параметров транзистора на коэффициент усиления в эмиттерную цепь вводят сопротивление Rэ1, не блокируемое конденсатором. Это сопротивление обычно принимают в пределах Rэ1=(1ч5)rэ. Это сопротивление мы учитывать не будем.

Тогда: rв = 100Ом


Проектирование усилителя низкой частоты


Проектирование усилителя низкой частоты


Амплитудное значение входного напряжения:

Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты


- входное сопротивление каскада;


Проектирование усилителя низкой частоты


Тогда:


Проектирование усилителя низкой частоты


Входная мощность каскада:


Проектирование усилителя низкой частоты


Амплитудное значение входного тока:


Проектирование усилителя низкой частоты


Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Проектирование усилителя низкой частоты


4 Расчет входного каскада


Выбираем транзистор КТ3102Е со следующими параметрами:


Uкэдоп = 50 В Tkдоп = 85°С


Pkдоп = 0,25 Вт Ik0 = 10 мА


h21э = 400 Uкэнас = 0,7 В


Ток покоя эмиттера находим по графику зависимости h21э = ƒ(Iэ) из справочника [3]:

I0э = 12 мА.

Напряжение каскада берем равным Eк = 0,9 Еn = 0,9∙12 = 10,8 В из-за дополнительного падения напряжения на низкочастотном развязывающем фильтре.

Ток покоя базы:


Проектирование усилителя низкой частоты


Постоянная составляющая тока делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Сопротивление эмиттерной цепи:


Проектирование усилителя низкой частоты


Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:


Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты


- сопротивление базового слоя;

где Uбэ = 0,619 В находим по входным характеристикам при I0б = 0,2 мА и

Uкэ = 5 В из справочника [3].

Тогда:

Проектирование усилителя низкой частоты(Oм).

Напряжение в средней точке базового делителя в режиме покоя:


U0д = URэ + Uбэ = 0,3∙10,8 + 0,619 = 3,86 (В).


Сопротивления резисторов R1 и R2 делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Принимаем R1 = 26 кОм; R2 = 39 кОм.

Входное сопротивление каскада с общим эмиттером:


Проектирование усилителя низкой частоты.


Поскольку входное сопротивление каскада с общим эмиттером меньше внутреннего сопротивления источника сигнала, то входном каскаде будет использована схема с общим коллектором.

Ток покоя базы:


Проектирование усилителя низкой частоты


Постоянная составляющая тока делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:


Проектирование усилителя низкой частоты


где


Проектирование усилителя низкой частоты


где Uбэ = 0,619 В находим по входным характеристикам при I0б = 0,2 мА и

Uкэ = 5 В из справочника [3].

Тогда:

Проектирование усилителя низкой частоты

Напряжение в средней точке базового делителя в режиме покоя:


U0д = URэ + Uбэ = 0,3·10,8 + 0,619 = 3,86 (В).


Сопротивления резисторов R1 и R2 делителя:


Проектирование усилителя низкой частоты


Принимаем R1 = 26 кОм; R2 = 39 кОм.

Входное сопротивление каскада с общим коллектором:


Проектирование усилителя низкой частоты


Так как входное сопротивление каскада с общим коллектором больше сопротивления генератора, то схема с общим коллектором является подходящей для ее использования во входном каскаде усиления.

Расчет коэффициента усиления по напряжению для входного каскада производится по формуле:


Проектирование усилителя низкой частоты


Список литературы


Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу “Аналоговая схемотехника ” по теме “Проектирование усилителя низкой частоты”.

Забродин Ю. С. Промышленная электроника 1982г.

Полупроводниковые приборы : транзисторы. Справочник: под редакцией Н. Н. Горюнова. – М. Енергоатомиздат. 1983- 904с.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, М. Мир, 1983

Резисторы: Справочник. Под общей редакцией И. И. Четверткова.

Малахов В. П. Схемотехника аналоговых устройств О., Астро-Принт 2000г.

Похожие работы:

  1. • Проектирование и расчет усилителя низкой частоты
  2. • Усилитель низкой частоты для переносной магнитолы
  3. • Электроника
  4. • Проектирование и расчет усилителя электронного ...
  5. • Усилитель мощности на дискретных элементах
  6. • Усилитель для направленного микрофона
  7. • Проектирование транзисторов и ...
  8. • Универсальный генератор
  9. •  ... по производству усилителя низкой частоты с программой ...
  10. • Усилитель низкой частоты
  11. •  ... транзисторных каскадов усилителя низкой частоты
  12. • Расчет многочастотного усилителя низкой частоты
  13. • Расчет усилителя на дискретных элементах
  14. • Усилитель звуковых частот
  15. • Расчет усилителя низкой частоты
  16. • Расчет усилителя низкой частоты
  17. • Характеристика усилителя низкой частоты
  18. • Расчет усилителя низкой частоты с блоком питания
  19. • Расчет усилителя низкой частоты с блоком питания
Рефетека ру refoteka@gmail.com