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: P_н =10 Вт.

Мощность, приходящаяся на одно плечо двухтактного каскада:

P_~п =10/2=5 Вт.

Максимальная рассеиваемая мощность одного плеча:

P_{рас. max} =0,5·P_~п =0,5·5=2,5 Вт.

Максимальный ток коллектора равен:

(1)

где Rн - заданное сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда напряжение на нагрузке:

,

где P_н – номинальная мощность в нагрузке, R_н - заданное сопротивление нагрузки.

Найдем сквозной коэффициент усиления:

,

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

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

.

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

дБ;

Так как , находим

;

дБ

Так же найдем

.

3 . Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выходного каскада

Подберем необходимый транзистор исходя из следующих условий:

P_{К max} > P_{рас. max} ,

I_{К max} > I_{К max .}

где P_{К max} – постоянная рассеиваемая мощность коллектора, I_{К max} – постоянный ток коллектора. (P_{рас. max} =1,25 Вт, I_{К 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,I_кмах = 3 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах =25 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_{К. MAX} =25 Вт

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

Выберем напряжение питания исходя из следующего условия:

2U_кэ.доп . Е_п 2(U_ост .+U_вых ), (3)

где U_кэ.доп - максимально-допустимое значение напряжения коллектор - эмиттер для транзисторов КТ816А, КТ817А, U_ост = 1 В - остаточное напряжение для транзисторов КТ816А,КТ817А, U_вых . - заданное выходное напряжение. 90 В Еп 19,8 В

Выбираем напряжение питания равное 40 В.

Построим нагрузочную кривую на графике выходных характеристик транзистора КТ816А.

Рисунок 1. Выходные характеристики

Нагрузочная кривая проходит через точки и

Рисунок 2

Рисунок 3

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику.

Рисунок 4

Исходя из построенной проходной характеристики, определяем:

I_{к max} = 1,11 А; I_{к min} = 0,37 А

U_{БЭ max} =0,925 В; I_{Б max} = 22 мА

U_{БЭ min} =0,775 В; I_{Б min} = 2,5 мА

Из полученных значений определяем область изменения I_Б и U_БЭ :

U_БЭ = U_{БЭ max} – U_{БЭ min} =0,925-0,775=0,15 В

I_Б = I_{Б max} – I_{Б min} =(22-2,5)·10^-3 =19,5 мА

Определим значение входного сопротивления:

Определим коэффициент усиления:

где U_ВХ =U_БЭ - входное напряжение выходных транзисторов, В;

U_ВЫХ - заданное выходное напряжение, В.

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

R_вхос = R_вхоэ (1+b·К_и );

где b- коэффициент передачи обратной связи

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

Найдем входное напряжение оконечного каскада:

Рассчитаем g (коэффициент формы тока):

Принимаем g=0,9.

Найдем коллекторное сопротивление транзистора VT4, используется следующее соотношение:

По стандартному ряду сопротивлений выберем R13=470 Ом.

Вычислим коллекторный ток через транзистор VT4, А:

Выберем транзистор исходя из следующих условий:

Выбираем транзистор КТ815Б (n-p-n)

Его основные параметры:

Постоянный ток коллектора, I_кмах = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах =40 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 10 Вт

Рисунок 5

Рисунок 6

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

Полученные результаты внесены в таблицу 1.

Таблица 1.

Рисунок 7

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

I_{К max} =80,8 мА; I_{К min} =38,2 мА; I₁ =73 мА; I₀ =64 мА; I₂ =50 мА.

Найдем коэффициенты гармоник:

; ; .

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений:

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

Найдем глубину обратной связи:

До введения обратной связи:

где U_вых – напряжение на выходе предоконечного каскада, U_вх – напряжение на входе предоконечного каскада;

U_вх = U_{БЭ max} -U_{БЭ min}

U_вх =0,76-0,7=0,06 В.

Коэффициент усиления обратной связи:

;

где δ – коэффициент передачи обратной связи.

Так как δ· K_u >>1, то

Рассчитаем сопротивление нагрузки по переменному току для предоконечного каскада:

где R_ВХ.ОС – входное сопротивление оконечного каскада.

Находим сопротивление обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=12 Ом.

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

Так как необходимо получить K_{u ос} =5,1 увеличим глубину обратной связи

Произведем расчет с учетом новой глубины обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=47 Ом

Найдем напряжение на входе предоконечного каскада:

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

U_{Б 0} =U_{БЭ 0} +U_{R1 4} ;

U_{R 14} =I_Э0 ·R14 ;

Так как I_Э0 ≈I_К0 , то

U_{R 14} =I_К0 ·R14=42,5·10^-3 ·47=1,99 В.

По входной статической ВАХ транзистора определяем, что U_БЭ0 =0,73 В.

U_Б0 =0,73+1,99=2,72 В

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

По линейке номиналов подбираем R12=390 Ом.

По линейке номиналов подбираем R11=560 Ом.

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

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

найдем I_Б – амплитуду тока базы;

I_Б = I_{Б max} - I_{Б min} =(1,12-0,5)·10^-3 =0,62 мА

рассчитаем сопротивление транзистора:

с учетом обратной связи сопротивление транзистора VT4:

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

Выбор диода производим исходя из следующих условий:

,

где – напряжение на диоде, – напряжение смещения.

Напряжение смещения находим из проходной характеристики транзистора оконечного каскада:

В

Выбираем диоды Д229А в количестве 4шт со следующими параметрами:

U_пр =0,4 В; I_обр =50 мкА; U_обр =200 В; I_пр =400 мА;

3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя

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

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

Выберем транзистор КТ315В

Его основные параметры:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, h_21э =30…120

Постоянный ток коллектора, I_кмах = 100 мА

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах =40В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 150 мВт

Обратный ток коллектора I_{К об} =1 мкА

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при I_К =20 мА U_нас =0,4 В.

Емкость коллектора C_К =7 пФ

Постоянная времени цепи обратной связи τ_ОС =300 пс.

Введем ограничение по току: пусть I_{К max} =150 мА.

U_{кэ min} возьмем больше U_нас =0,4. Пусть U_{кэ min} =0,8 В.

Выберем U_{R 10} =(0,1…0,2)·Е_П .

Пусть U_{R 10} =0,15·Е_П =0,15·40=6 В.

Тогда получаем условие:

;

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

Так как В, получаем:

мА

Выбираем

и мА.

Найдем мощность рассеяния транзистора:

Полученное значение мощности не превысило допустимое (150 мВт).

По линейке номиналов подбираем R9=1 кОм.

Рассчитаем нагрузку каскада по переменному току:

Удостоверимся в возможности этого тока:

,

.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

,

где h_21Э – статический коэффициент передачи тока, h_11Э – входное сопротивление транзистора.

r_БЭ найдем как:

Ом

Ом

Ом

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

,

где δ – коэффициент передачи обратной связи.

Исходя из неравенства, >>1, получаем

;

По линейке номиналов подбираем R10=22 Ом.

Проведем перерасчет коэффициента усиления и глубины обратной связи:

Найдем напряжение на входе каскада:

Ток базы находим из следующей формулы:

мА.

Ток делителя находим из условия

мА.

;

;

где U_{R 10} – напряжение на резисторе обратной связи;

Так как для кремниевых транзисторов

В

По линейке номиналов подбираем R8=27 Ом.

По линейке номиналов подбираем R7=7,5 кОм.

Проведем перерасчет с полученными значениями R7 и R8

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

Найдем входное сопротивление транзистора VT2 с учетом обратной связи:

, где А– глубина обратной связи.

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 U_СИ =10 В, U_ЗИ =0 В) - крутизна характеристики,

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

I_З =5мА - ток утечки затвора,

I_{C .НАЧ} =3мА - начальный ток стока,

U_{СИ.МАКС} =27 В , U_{ЗС.МАКС} =27 В,

P_{C .МАКС} = 250 мВт.

Рассчитаем ток нагрузки:

Напряжение на нагрузке входного каскада:

Тогда мощность на нагрузке:

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

R1=R6=R_вх /2=8000/2=4000 Ом

Рассчитаем ток и напряжение на входе:

Найдем коэффициент усиления:

Найдем ток стока:

I_{C МАКС} = I_{C НАЧ} = 3 мА

I_{C МИН} = 0,1 · I_{C НАЧ} = 0,3 мА

мА

Найдем сопротивление R5:

По линейке номиналов подбираем R5=12 кОм

Напряжение U_ЗИ.0 выразим из соотношения I_{C 0} = I_{C НАЧ} = S·U_ЗИ.0 :

Определим токи на сопротивления R1 и R6:

Найдем сопротивления R2 и R4:

Найдем сопротивление R₃ :

Из условия получаем R3:

По линейке номиналов подбираем R3 = 62 Ом

4. Конструкторский расчет

4.1 Расчет разделительных конденсаторов

Определим величину разделительного конденсатора C₅

,

где - нижняя частота работы усилителя, М_ок – коэффициент частотных искажений оконечного каскада.

По промышленной линейке конденсаторов выберем: С₅ = 56 мкФ.

Найдем величину разделительного конденсатора C₄ :

,

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

Определим величину разделительных конденсаторов C₃ и C₂ :

,

где R_ВХ – входное сопротивление каскада предварительного усиления.

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

Определим величину разделительного конденсатора C₁ :

,

где – входное сопротивление входного каскада.

Ближайшим значением из промышленной линейки конденсаторов является 62 нФ.

Рассчитаем напряжение на конденсаторах:

В;

В;

В

По справочнику подбираем тип конденсаторов:

4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах

Мощность, рассеиваемая на резисторах, определяется по следующей формуле:

,

где I– ток через резистор,

R– сопротивление резистора.

Рассчитаем эти мощности:

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

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:

мА

Вт

КПД усилителя равен:

%

Список литературы

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

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

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

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

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

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

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

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