Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Электронный усилитель

Федеральное агентство по образованию

Кафедра «Цифровые радиотехнические системы»


Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине

«Схемотехника радиоэлектронных средств»


Руководитель

Студент группы

Проект защищен с оценкой:

________________________ <<_____>> __________ 200г


200

Содержание


Техническое задание

Аннотация

1. Анализ технического задания

2. Эскизный расчет

3. Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выходного каскада

3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя

3.3 Расчет входного каскада

4. Конструкторский расчет

4.1 Расчет разделительных конденсаторов

4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах

4.3 Расчет общего тока потребления

Список литературы

Техническое задание


на курсовую работу по дисциплине

«Схемотехника электронных средств»

студенту

Тема работы – электронный усилитель

Исходные данные:

Номинальная мощность в нагрузке, Вт 5

Рабочий диапазон частот, кГц 0,51-15

Сопротивление нагрузки, Ом 8

Входное сопротивление усилителя, кОм >5

Тип входа - дифференциальный

Нелинейные искажения, % 1,5

Частотные искажения, дБ 3,0

ЭДС источника сигнала (максимальная величина), мВ 100

Внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом 200

Содержание основных разделов пояснительной записки.

Введение, анализ технического задания.

Эскизный расчет структурной схемы.

Электрический расчет следующих каскадов:

оконечный каскад:

промежуточный каскад;

входной каскад;

Конструкторский расчет элементов схемы.

Перечень обязательных чертежей

Электрическая принципиальная схема;

Перечень элементов;

Дата выдачи задания

Руководитель ____

Студент

Аннотация


Электронный усилитель

Список литературы - 8 наименований

Графическое приложение - 1 лист ф.А3

По заданным данным (ТЗ) был разработан электронный линейный усилитель, усиливающий заданную мощность.

1. Анализ технического задания


Оконечный каскад.

Выходная мощность в техническом задании равна 10 Вт, поэтому в качестве выходного каскада выберем двухтактный каскад. Так как сопротивление нагрузки 8 Ом (меньше 100 Ом), то выходной каскад будет безтрансформаторным

Промежуточный каскад.

Промежуточным каскадом выберем каскад с общим эмиттером. Для обеспечения начального напряжения смещения между базой и эмиттером включим схему делителя.

Входной каскад.

Так как заданно входное сопротивление >5 кОм в качестве входного каскада будем использовать дифференциальный каскад на полевых транзисторах.

2. Эскизный расчет


Рассчитаем основные параметры:

Номинальная мощность в нагрузке: Pн=10 Вт.

Мощность, приходящаяся на одно плечо двухтактного каскада:


P~п=10/2=5 Вт.


Максимальная рассеиваемая мощность одного плеча:


Pрас. max =0,5·P~п=0,5·5=2,5 Вт.


Максимальный ток коллектора равен:


Электронный усилитель (1)


где Rн - заданное сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда напряжение на нагрузке:


Электронный усилитель,


где Pн– номинальная мощность в нагрузке, Rн - заданное сопротивление нагрузки.

Найдем сквозной коэффициент усиления:


Электронный усилитель,


где Электронный усилитель– напряжение на нагрузке, Eu– ЭДС источника сигнала. Множитель 1,5 взят для запаса.

Так как выходной каскад включен по схеме с общим коллектором, то коэффициент усиления по напряжению: KU ≈ 1. Чтобы получить Электронный усилитель необходимо в схему усилителя включить промежуточный каскад усиления с


Электронный усилитель.


Пусть половина линейных искажений приходится на оконечный каскад (Электронный усилитель), а остальная часть остается на остальные каскады(Электронный усилитель).


Электронный усилитель дБ;


Так как Электронный усилитель, находим


Электронный усилитель;

Электронный усилитель дБ


Так же найдем


Электронный усилитель.


3. Расчет принципиальной схемы


3.1 Расчет выходного каскада


Подберем необходимый транзистор исходя из следующих условий:


PК max> Pрас. max,

IК max> IК max.


где PК max– постоянная рассеиваемая мощность коллектора, IК max– постоянный ток коллектора. (Pрас. max =1,25 Вт, IК max =1,11 А - рассчитанны в пункте 3)

Выбираем по пару комплиментарных транзисторов:

VT6 - КТ816А (p-n-p)

VT5 - КТ817А (n-p-n)

Их основные параметры:

Постоянный ток коллектора,Iкмах= 3 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=25 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора PК.MAX=25 Вт

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзисторов КТ816А и КТ817А приведена при работе их с теплоотводом.

Выберем напряжение питания исходя из следующего условия:


2Uкэ.доп. Электронный усилитель Еп Электронный усилитель 2(Uост.+Uвых), (3)


где Uкэ.доп - максимально-допустимое значение напряжения коллектор - эмиттер для транзисторов КТ816А, КТ817А, Uост = 1 В - остаточное напряжение для транзисторов КТ816А,КТ817А, Uвых. - заданное выходное напряжение. 90 В Электронный усилитель Еп Электронный усилитель 19,8 В

Выбираем напряжение питания равное 40 В.

Построим нагрузочную кривую на графике выходных характеристик транзистора КТ816А.


Электронный усилитель

Рисунок 1. Выходные характеристики


Нагрузочная кривая проходит через точки Электронный усилитель и Электронный усилитель


Электронный усилитель

Рисунок 2


Электронный усилитель

Рисунок 3

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику.


IK, А 0,45 0,75 1,07 1,32
IБ, мА 5 15 30 45
UБЭ, В 0,8 0,88 0,93 0,95

Электронный усилитель

Рисунок 4


Исходя из построенной проходной характеристики, определяем:


Iк max= 1,11 А; Iк min= 0,37 А

UБЭ max=0,925 В; IБ max= 22 мА

UБЭ min=0,775 В; IБ min= 2,5 мА


Из полученных значений определяем область изменения IБ и UБЭ:


UБЭ= UБЭ max– UБЭ min=0,925-0,775=0,15 В

IБ= IБ max– IБ min=(22-2,5)·10-3=19,5 мА


Определим значение входного сопротивления:


Электронный усилитель


Определим коэффициент усиления:


Электронный усилитель


где UВХ=UБЭ - входное напряжение выходных транзисторов, В;

UВЫХ - заданное выходное напряжение, В.

Рассчитаем входное сопротивление и коэффициент усиления, с учетом обратной связи.


Rвхос= Rвхоэ (1+b·Ки);

Электронный усилитель


где b- коэффициент передачи обратной связи

b=1 т.к имеется 100% отрицательная обратная связь.


Электронный усилитель


Найдем входное напряжение оконечного каскада:


Электронный усилитель


Рассчитаем g (коэффициент формы тока):


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Принимаем g=0,9.

Найдем коллекторное сопротивление транзистора VT4, используется следующее соотношение:


Электронный усилитель


По стандартному ряду сопротивлений выберем R13=470 Ом.

Вычислим коллекторный ток через транзистор VT4, А:


Электронный усилитель


Выберем транзистор исходя из следующих условий:


Электронный усилитель

Электронный усилитель

Электронный усилитель

Электронный усилитель


Выбираем транзистор КТ815Б (n-p-n)

Его основные параметры:

Постоянный ток коллектора, Iкмах= 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=40 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 10 Вт


Электронный усилитель

Рисунок 5


Электронный усилитель

Рисунок 6


Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику по формуле:


Электронный усилитель


Полученные результаты внесены в таблицу 1.

Таблица 1.

h21э 74,5 75 75 71 73 72
Iб, мА 0,5 0,53 0,66 0,81 0,95 1,12
Iк, мА 38,2 40 50 60 70 80,8
Uбэ, В 0,7 0,705 0,715 0,725 0,74 0,76

Электронный усилитель

Рисунок 7


С помощью метода пяти ординат, рассчитаем нелинейные искажения, вносимые предоконечным каскадом:


IК max=80,8 мА; IК min=38,2 мА; I1=73 мА; I0=64 мА; I2=50 мА.

Электронный усилитель

Электронный усилитель

Электронный усилитель

Электронный усилитель


Найдем коэффициенты гармоник:


Электронный усилитель; Электронный усилитель; Электронный усилитель.


Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений:


Электронный усилитель


По техническому заданию Электронный усилитель=1,5%. Чтобы уменьшить нелинейные искажения необходимо ввести отрицательную обратную связь, которая снизит коэффициент нелинейных искажений в глубину обратной связи (А):


Электронный усилитель


Найдем глубину обратной связи:


Электронный усилитель


До введения обратной связи:


Электронный усилитель


где Uвых– напряжение на выходе предоконечного каскада, Uвх– напряжение на входе предоконечного каскада;


Uвх= UБЭ max-UБЭ min

Uвх =0,76-0,7=0,06 В.


Коэффициент усиления обратной связи:


Электронный усилитель;


где δ – коэффициент передачи обратной связи.


Электронный усилитель


Так как δ·Ku>>1, то


Электронный усилитель


Рассчитаем сопротивление нагрузки по переменному току для предоконечного каскада:


Электронный усилитель


где RВХ.ОС– входное сопротивление оконечного каскада.

Находим сопротивление обратной связи:


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R14=12 Ом.

Пересчитаем глубину обратной связи и коэффициент усиления с учетом полученного значения R14


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Так как необходимо получить Kuос=5,1 увеличим глубину обратной связи


Электронный усилитель


Произведем расчет с учетом новой глубины обратной связи:


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R14=47 Ом


Электронный усилитель Электронный усилитель


Найдем напряжение на входе предоконечного каскада:


Электронный усилитель


На транзисторе VT4 и на сопротивлении обратной связи происходит падение напряжение:


UБ0=UБЭ0+UR14 ;

UR14=IЭ0·R14 ;


Так как IЭ0≈IК0 , то


UR14=IК0·R14=42,5·10-3·47=1,99 В.


По входной статической ВАХ транзистора определяем, что UБЭ0=0,73 В.


UБ0=0,73+1,99=2,72 В


Ток делителя выразим из предположения, что он гораздо больше тока базы:


Электронный усилитель

Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R12=390 Ом.


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R11=560 Ом.

Произведем перерасчет тока делителя с учетом выбранных номиналов резисторов R11 и R12:


Электронный усилитель


Так как входное сопротивление предоконечного каскада представляет собой параллельное включение сопротивления транзистора VT4, R11 и R12.


Электронный усилитель


найдем IБ – амплитуду тока базы;


IБ= IБ max - IБ min=(1,12-0,5)·10-3=0,62 мА


рассчитаем сопротивление транзистора:


Электронный усилитель


с учетом обратной связи сопротивление транзистора VT4:


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Обеспечение рабочей точки транзисторов оконечного каскада осуществляется с помощью диода, включенного в прямом направлении.

Выбор диода производим исходя из следующих условий:


Электронный усилитель,


где Электронный усилитель– напряжение на диоде, Электронный усилитель– напряжение смещения.

Напряжение смещения находим из проходной характеристики транзистора оконечного каскада:


Электронный усилитель В

Электронный усилитель


Выбираем диоды Д229А в количестве 4шт со следующими параметрами:


Uпр=0,4 В; Iобр=50 мкА; Uобр=200 В; Iпр=400 мА;


3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя


Так как сквозной коэффициент усиления равен 134,1 а коэффициент усиления предоконечного каскада равен 4,95.


Электронный усилитель


Для получения заданного коэффициента усиления нам необходим каскад предварительного усиления с коэффициентом усиления Ku=5,2 и входной каскад с коэффициентом усиления Ku≤1.

Выберем транзистор КТ315В

Его основные параметры:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, h21э=30…120

Постоянный ток коллектора, Iкмах= 100 мА

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=40В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 150 мВт

Обратный ток коллектора IК об=1 мкА

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при IК=20 мА Uнас=0,4 В.

Емкость коллектора CК=7 пФ

Постоянная времени цепи обратной связи τОС=300 пс.

Введем ограничение по току: пусть IК max=150 мА.

Uкэmin возьмем больше Uнас=0,4. Пусть Uкэ min=0,8 В.

Выберем UR10=(0,1…0,2)·ЕП.

Пусть UR10=0,15·ЕП=0,15·40=6 В.

Тогда получаем условие:


Электронный усилитель

Электронный усилитель;


где Электронный усилитель– напряжение на выходе промежуточного каскада, Электронный усилитель– обратный ток коллектора.

Так как Электронный усилитель В, получаем:


Электронный усилитель

Электронный усилитель мА


Выбираем


Электронный усилитель и Электронный усилитель мА.

Электронный усилитель


Найдем мощность рассеяния транзистора:


Электронный усилитель


Полученное значение мощности не превысило допустимое (150 мВт).


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R9=1 кОм.

Рассчитаем нагрузку каскада по переменному току:


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Удостоверимся в возможности этого тока:


Электронный усилитель,

Электронный усилитель.


Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:


Электронный усилитель,


где h21Э– статический коэффициент передачи тока, h11Э– входное сопротивление транзистора.


Электронный усилитель

Электронный усилитель


rБЭ найдем как:


Электронный усилитель Ом

Электронный усилитель Ом

Электронный усилитель Ом

Электронный усилитель


Так как нам необходимо получить усиление каскада KU=5,2 введем отрицательную обратную связь.


Электронный усилитель,


где δ – коэффициент передачи обратной связи.

Исходя из неравенства, Электронный усилитель>>1, получаем


Электронный усилитель

Электронный усилитель Электронный усилитель;

Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R10=22 Ом.

Проведем перерасчет коэффициента усиления и глубины обратной связи:


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Найдем напряжение на входе каскада:


Электронный усилитель


Ток базы находим из следующей формулы:


Электронный усилитель мА.


Ток делителя находим из условия


Электронный усилитель

Электронный усилитель мА.

Электронный усилитель;

Электронный усилитель;


где UR10 – напряжение на резисторе обратной связи;


Электронный усилитель


Так как для кремниевых транзисторов


Электронный усилитель В

Электронный усилитель Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R8=27 Ом.


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R7=7,5 кОм.

Проведем перерасчет Электронный усилитель с полученными значениями R7 и R8


Электронный усилитель


Рассчитаем входное сопротивление каскада. Оно представляет собой параллельное соединение входного сопротивления транзистора VT3 и резисторов R7 и R8.


Электронный усилитель


Найдем входное сопротивление транзистора VT2 с учетом обратной связи:


Электронный усилитель, где А– глубина обратной связи.

Электронный усилитель


3.3 Расчет входного каскада


Так как необходимо обеспечить большое входное сопротивление, выбираем схему на полевых транзисторах.

Выберем транзистор КП307А, с параметрами:

S=4мА/В (при UСИ=10 В, UЗИ=0 В) - крутизна характеристики,

UЗИ.0ТС = 0,5В - напряжение затвор-исток отсечки,

IЗ=5мА - ток утечки затвора,

IC.НАЧ=3мА - начальный ток стока,

UСИ.МАКС=27 В , UЗС.МАКС=27 В,

PC.МАКС= 250 мВт.

Рассчитаем ток нагрузки:


Электронный усилитель


Напряжение на нагрузке входного каскада:


Электронный усилитель


Тогда мощность на нагрузке:


Электронный усилитель


Из условия Rвх>5 кОм (по техническому заданию), выберем сопротивления R6 и R1:


R1=R6=Rвх/2=8000/2=4000 Ом


Рассчитаем ток и напряжение на входе:


Электронный усилитель

Электронный усилитель


Найдем коэффициент усиления:


Электронный усилитель


Найдем ток стока:


IC МАКС = IC НАЧ = 3 мА

IC МИН = 0,1 · IC НАЧ = 0,3 мА

Электронный усилитель мА


Найдем сопротивление R5:


Электронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R5=12 кОм

Напряжение UЗИ.0 выразим из соотношения IC0 = IC НАЧ = S·UЗИ.0 :


Электронный усилитель


Определим токи на сопротивления R1 и R6:


Электронный усилитель


Найдем сопротивления R2 и R4:


Электронный усилитель


Найдем сопротивление R3:


Из условия Электронный усилитель получаем R3:


Электронный усилительЭлектронный усилитель


По линейке номиналов подбираем R3 = 62 Ом


4. Конструкторский расчет


4.1 Расчет разделительных конденсаторов


Определим величину разделительного конденсатора C5


Электронный усилитель,


где Электронный усилитель- нижняя частота работы усилителя, Мок – коэффициент частотных искажений оконечного каскада.


Электронный усилитель


По промышленной линейке конденсаторов выберем: С5 = 56 мкФ.

Найдем величину разделительного конденсатора C4:


Электронный усилитель,

Электронный усилитель


По промышленной линейке конденсаторов выберем С4 = 2,7 мкФ.

Определим величину разделительных конденсаторов C3 и C2:


Электронный усилитель,


где RВХ– входное сопротивление каскада предварительного усиления.


Электронный усилитель


По линейке конденсаторов выберем С3=С2=2,58 мкФ.

Определим величину разделительного конденсатора C1:


Электронный усилитель,

Электронный усилитель


где Электронный усилитель – входное сопротивление входного каскада.

Ближайшим значением из промышленной линейки конденсаторов является 62 нФ.

Рассчитаем напряжение на конденсаторах:


Электронный усилитель

Электронный усилитель В;

Электронный усилитель В;

Электронный усилитель В


По справочнику подбираем тип конденсаторов:



Тип Номинальное напряжение, В Номинальная емкость, мкФ Допуск, %
С1



С2



С3



С4



С5




4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах


Мощность, рассеиваемая на резисторах, определяется по следующей формуле:


Электронный усилитель,


где I – ток через резистор,

R – сопротивление резистора.

Рассчитаем эти мощности:


Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт.

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт.

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт,

Электронный усилитель мВт.

Электронный усилительмВт,


При выборе резисторов, их мощность рассеяния будем брать в 1,5 - 2 раза больше полученной в расчетах.


4.3 Расчет общего тока потребления


Рассчитаем общий ток потребления усилителя. Для этого сложим токи от каждого каскада. Получаем:


Электронный усилитель

Электронный усилитель

Электронный усилитель мА

Электронный усилитель Вт


КПД усилителя равен:


Электронный усилитель%


Список литературы


Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учеб. для вузов.– 2-е изд.–М.: Радио и связь, 1983– 264 с.

Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов.– М.: Радио и связь, 1989.– 400 с.: ил.

Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов.– М.: Горячая Линия-Телеком, 2000.– 768 с.:ил.

Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие/ Под ред. Н.В. Терпугова. –М.: Высш. школа, 1982– 190 с.: ил.

Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам./ Под ренд. Н.Н. Горюнова.– М.: «Энергия», 1997.– 744 с.: ил.

Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.– 9-е изд., перераб. –К.: Техника, 1980. –464 с.: ил.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА./ Под ред. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков. – Мн.: Беларусь, 1994. –591 с.: ил.

Галкин В.И. Полупроводниковые приборы –2-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Беларусь, 1987. –285 с.: ил.

Рефетека ру refoteka@gmail.com