Проектирование усилителя электрических сигналов

МО УКРАИНЫ

Севастопольский государственный

технический университет

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К

К У Р С О В О МУ П Р О Е К ТУ

“Проектирование усилителя электрических сигналов

первичных измерительных преобразователей

систем автоматического управления.”

Допущено к защите Выполнил:

ст. гр. А-32д

Оценка Проверил:

доцент

Севастополь 1999 год

Содержание :

1 . Техническое задание ______________________________3

2 . Введение _________________________________________5

3 . Постановка задачи________________________________6

4 . Выбор элементной базы____________________________7

5 . Расчет оконечного каскада ________________________8

6 . Расчет предоконечного каскада _____________________13

7. Расчет входного каскада ____________________________19

8. Расчет межкаскадных связей _______________________21

9. Расчет надежности _______________________________22

10. Заключение _______________________________________23

11. Литература ______________________________________24

12. Приложение1______________________________________25

13. Приложение2______________________________________26

14. Приложение3______________________________________27

15. Приложение4______________________________________28

ВВЕДЕНИЕ

Усилители звуковой частоты предназначены для усиления непрерыв­ных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного уст­ройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

В качестве источника входного сигнала УНЧ могут использоваться такие устройства как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф, реле и т.д. Большин­ство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем на­пряжении невозможно получить сколько-нибудь значительное изменения выходного тока, а следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего тре­буемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят предварительные каскады усиления. Основными техническими полазате­лями УНЧ являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, ко­эффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характери­зующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сиг­нала.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Расчет любого сложного электронного устройства (ЭУ) сводится к последовательному расчету функциональных элементов. Расчет ЭУ, со­стоящего из ряда последовательно соединенных функциональных элемен­тов, начинают со стороны его выхода, с конца. Выходной функциональный элемент - единственный в ЭУ, для расчета которого в техническом задании сформулированы достаточные требования. Расчет ЭУ часто имеет итера­ционный характер. После выполнения ряда расчетных операций возникает необходимость повторить предыдущие операции для улучшения структуры или режимов всего ЭУ или его функциональных частей. Например, расчет может показать необходимость введения дополнительных обратных свя­зей, что, собственно, потребует повторения некоторой части расчетов.

Детальному расчету функциональных элементов должны предшествовать ориентировочный расчет значений выходных параметров тех функцио­нальных элементов, которые определяют значение выходных параметров всего ЭУ. Это позволяет достаточно быстро оценить практическую воз­можность их реализации. Например, перед тем как рассчитывать каскады многокаскадного усилителя, необходимо распределить между ними все виды искажений, определить их коэффициенты усиления и полосы пропус­кания. Если полученное значения представляются достижимыми, то можно переходить к расчету функциональных элементов.

При проектировании ЭУ наиболее часто выполняют:

а) ориентировочный расчет выходных параметров функциональных эле­ментов, производимых при выборе их принципиальных схем;

б) расчеты, на основе которых выбирают типы активных электрорадиоэле­ментов;

в) расчеты рабочих режимов активных ЭРЭ, включая расчет температурной нестабильности;

г) расчет значений параметров R,C,L пассивных ЭРЭ, обеспечивающих выбранные режимы активных ЭРЭ, а также расчет протекающих через пас­сивные ЭРЭ токов, падающих на них напряжений и рассеиваемых ими мощностей;

д) определение номинальных значений параметров пассивных ЭРЭ и выбор их типов;

е) расчет выходных параметров ЭУ с целью проверки их соответствия тре­бованиям технического задания. Задача анализа наиболее ответственная, его результаты должны быть достаточно точными. Поскольку аналитиче­ские методы не обеспечивают требуемой точности, анализ электронных схем чаще производится или на физической модели, или на ЭВМ.

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Предположительно усилитель низких частот будет реализован на трёхкаскадной структуре. Оконечный каскад я предварительно я планирую реализовать на паре комплиментарных транзисторов со схожими характери­стиками и близкими по значению параметрами.

Предоконечный каскад, является связующим между оконечным и входным, так как может быть, что входное сопротивление оконечного кас­када будет очень мало. Предоконечный каскад будет реализован на базе ка­кого-нибудь транзистора. Входной каскад будет основываться на ИМС, кото­рая будет выбрана в ходе расчётов.

Между полученными каскадами я размещу разделительные конденса­торы, чтобы предотвратить попадание постоянных составляющих из одного каскада в другой.

1. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

1.1.Выбор транзисторов, по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, и максимальной амплитуде коллекторного тока:

P_max(0.250.3)P_вых Р_max(0.2750.33) (Вт)

По этим параметрам выбираем транзисторы для оконечного каскада:

КТ814А и КТ815А ниже приведены их параметры:

I_kmax = 1.5 (A) U_кэmax = 25 (B)

P_kmax = 1 (Bт) h₂₁ = 40  70

1.2.Выбор источника питания:

Е  2(U_нач + U _mн) = 9 (B) Е_п і 2(0,5 + 3,92)=8,84 (В)

Е_п і 8,84 (В) следовательно выбираем питание Е_п=9 (В)

1.3.Графоаналитический метод:

U_кэ= Е_п/2=9/2=4,5 (B) I_к=Е_п/2R_н=9/(2*7)=0,64 (A)

В системе координат выходной характеристики строим треугольник мощности: прямая U_нач. отсекает область существенной нелинейности токов базы, от U_нач. откладываем величину U_кэ, затем соединяем точки I_к и U_кэ. Далее строим Р_{к доп}- нагрузочная кривая, которая в данных расчётах не должна заходить в область треугольника мощности, но максимально приближаться к нему. Из этого следует, что транзисторы работают без радиаторов.

РИС.1Семейство выходных характеристик транзистора КТ814(815)А

РИС.2 Входная характеристика транзистора КТ814(815)А

1.4. Определяем рабочую область по входной характеристике.

I_бmin=0,25 (mA) U_эб0=0,7 9 (B)

I_бmax= 15 (mA) U_эбmax=0,87 (B)

I_mб= 14,75 (mA) U_mб=0,17 (B)

1.5.Определяем глубину ООС:

F=1+g_21*R_н ,где g₂₁ усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=1+3,29 _*7=24,03

1.6. Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

I_дел=(35)I_б0; I_дел=(0,751,25) (mA)

Следовательно выбираем ток делителя равный I_дел=0,75 (mA)

согласно ряда Е24

I_диода= I_дел+I_б0; I_диода=0,75+0,25=1 (mA)

При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять: 2 U_эб0=1.4 [B]

Включение двух диодов КД-514А последовательно, обеспечат требуемое падение напря­жения.

РИС.3 Вольтамперная характеристика диода КД-514А.

1.7.Расчёт входного сопротивления с учётом ООС:

; где ;

1.8.Расчитаем амплитудные значения на входе:

; ;

1.9.Построим сквозную характеристику:

Выбираем R_г=150 (Om)

По сквозной характеристики определяем:

I₁=560 (mA)

I₂=360 (mA)

Отсюда следует:

Задаём коэффициент асимметрии плеч который равен Х=0.5, тогда коэффициент нели­нейных искажений по второй гармонике:

РИС.3 Сквозная характеристика.

С учётом ООС:

Коэффициент передачи для предоконечного каскада:

2. РАСЧЁТ ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

2.1 Определяем сопротивление резистора Rк.

R₃= Rк  (0.2  0.3) R_вых = 0.25*24662 (Ом),где R_вых = R_вх.ок.

2.2 Определяем сопротивление резистора Rэ.

Rэ =R₄= 0.5*Rк= 0.5 * 62= 33 (Ом)

2.3 Определяем статический и динамический токи

На основании этих данных выбираем транзистор КТ610А.

U_экmax=20 (В) I_кmax=300 (mA)

На семействе выходных характеристик строим статическую нагрузоч­ную прямую.

РИС.4 Семейство выходных характеристик КТ610А

Положению рабочей точки будет соответствовать точка пересечения прямой

U_эк=U_эк0+U_mвх=4,37(В)

и статической нагрузочной прямой. Этому требованию соответствует точка А с коор­динатами:

U_эк=4,37(В) I_k=47,5 (мА) I_б=0.5 (мА).

Строим динамическую нагрузочную прямую с координатами

I_k=109 (мА) и U_эк= U_эк0+ 2U_{m вх}=8,24 (В)

Статическая и динамическая нагрузочные прямые пересеклись в точке А, полученное зна­чение I_б=0.5 (мА) позволяет найти точку А на входной характеристике.

РИС.5 Входная характеристика транзистора КТ610А

2.4 . Для нахождения R_вх, проведем касательную к точке покоя А и найдем R_вх.пр

как соотношение:

MK=0,055 (B); KА=0,5 (мA);

= 110 (Ом)

2.5 Рассчитаем коэффициент передачи ООС:

2.6 Рассчитаем глубину ООС:

где коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах определяется по формуле:

Определяем по выходной характеристике:

I_к=63-26=37 (mA) I_б=0,5 (mА)

Следовательно:

А=1+0,22_*55=13

2.7 Находим входное сопротивление предоконечного каскада с учётом ООС:

2.8 Находим амплитуду тока и напряжения на входе предоконечного

каскада:

2.9 Определим элементы делителя напряжения в цепи базы:

Находим напряжение, подводимое к делителям R₁ и R₂.:

U_д = Eп=9 (B)

Выбираем ток делителя из условия:

I_дел=(25)I_бр ; I_дел=3,5 _*0,5=1,75 (mA) I_бр=0.5(mA)

Падение напряжения на резисторе R₄ :

; U_бр=0,75 (В)

; ;

2.10 Расчитаем искажения в предоканечном каскаде, для построим

сквозную характеристику:

E_б =