Проектирование усилителя низкой частоты на биполярных транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

I. Расчет усилителя на биполярных транзисторах

1.1 Расчёт оконечного каскада

1.2 Расчёт каскада предварительного усиления

1.3 Расчёт входного каскада

1.4 Расчет емкостей конденсаторов

II. Расчет усилителя на интегральных микросхемах

III. Расчет источника питания

Литература

Введение

Целью данного проекта является расчёт и проектирование усилителя низкой частоты (в дальнейшем УНЧ) на биполярных транзисторах; расчёт усилителя на интегральных микросхемах с оконечным каскадом на комплиментарной паре; расчёт источника питания.

Очень часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для их усиления часто используют усилители на транзисторах, а в последнее время на интегральных микросхемах, которые обладают высокой надёжностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые размеры и массу, высокую чувствительность.

Усилитель обычно состоит из нескольких каскадов обладающих определённым коэффициентом усиления. Способы соединения каскадов зависят от вида многокаскадного усилителя. В усилителях переменного напряжения для связи каскадов чаще всего используют конденсаторы. Усилителем мощности обычно является оконечный каскад. Элементами этого каскада обычно являются трансформаторы, однако такие усилители дороги и вносят значительные искажения из-за наличия нелинейности намагничивания сердечника трансформатора и потерь на вихревые токи в нём, особенно на высоких частотах, поэтому в последнее время получили широкое распространение бестрансформаторные усилители мощности.

Одним из таких усилителей является рассмотренный в данном курсовом проекте двухтактный бестрансформаторный каскад на биполярных комплиментарных транзисторах с включением ОК- ОК. Отсутствие трансформатора делает усилитель более дешёвым и качественным.

I. Расчёт усилителя низкой частоты на транзисторах

Оконечный каскад будем строить на комплиментарной паре, так как это дает возможность транзисторам работать в режиме отсечки. В этом случае на выходе можно получить большую амплитуду напряжения и большую мощность. Оконечный каскад будет бестрансформаторным, так как при этом усилитель будет иметь меньшие габариты и более низкую себестоимость. Так как питание однополярное, то нагрузку будем подключать через выходной конденсатор. В этом каскаде введена положительная обратная связь по переменному току через ёмкость С2.

1.1 Расчет оконечного каскада

Рис.1 Принципиальная схема оконечного каскада.

1. Амплитуда тока нагрузки.

А

Амплитуда напряжения на нагрузке:

В

2. Необходимое напряжение питания - округляется до ближайшего большего стандартного значения: 6, 9, 12, 15, 18, 24, 36, 48, 72 В.

В

Ближайшее стандартное 9В, но для обеспечения нормальной работы предварительных каскадов выберем Е_п =12В.

3. Транзисторы VТ2, VТ3 оконечного каскада выбираются, исходя из условий:

а) Транзисторы должны представлять собой комплиментарную пару;

б) Предельно допустимые значения мощности рассеяния, напряжения коллектор - эмиттер и коллекторного тока, указанные в справочных данных, должны удовлетворять соотношениям, соответственно:

Вт;

;

А;

Учитывая полученное выбираем транзисторы КТ816А и КТ817А.

Справочные данные транзисторов:

Тип транзистора
КТ816	3,0	40-100	25	0,33-0,6	25

Примечание: ВАХ представлены на рис1.1

Транзисторы выходного каскада работают в режиме АВ

4. Сопротивление в цепи обратной связи принимается равным (с увеличением до ближайшего значения по ГОСТ):

Ом. По ГОСТ Ом.

5. Критический расчётный параметр.

6. Из двух последующих значений сопротивления принимается большее и выбирается равным ближайшему большему по ГОСТ.

Ом. Ом.

Выбрано Ом. По ГОСТ Ом.

Уточним параметр `а' для чего по входной ВАХ при U_кэ=3В определим значение параметра h_11э для VT2.

7. (рис 1.2)

8. Амплитуда токов базы транзисторов VТ2 и VТ3:

 мА.

9. Требуемая амплитуда коллекторного тока транзистора VT1:

мА.

10. Ток покоя коллектора транзистора VT1:

мА.

В результате расчёта получилось, что:, то есть схема не может обеспечить линейное усиление. Поэтому переходим к схеме на составных транзисторах.

11. Требуемое значение составного транзистора при котором :

12. Требуемое значение транзисторов VT4, VT5, которые составят соответственно с VT2 и VT3 пары Дарлингтона:

13. Выбранные транзисторы VT4, VT5 должны иметь , найденное в предыдущем пункте и удовлетворять условиям:

 .

- h^*_{21э мин}>h_21э, т.е. h^*_{21э мин}>5.89

- U_кэмакс>E_k, т.е. U_кэмакс>12 В

- I_кмакс>I_бмакс, т.е. I_кмакс>71.4 мА

Учитывая полученное выбираем транзисторы КТ814,КТ815

Справочные данные транзисторов:

Тип транзистора
КТ814	1.5	40-100	40-70	200

Примечание: ВАХ представлены на рис 1.3

14. Фактическое значение составного транзистора:

15. Примем Ом.

16. Входное сопротивление составного транзистора:

Ом.

17. Расчётный параметр :

18. Амплитуда тока базы составного транзистора:

 мА.

19. Требуемая амплитуда коллекторного тока транзистора VT1:

мА.

В результате расчёта получилось, что I_ко1>I_кm1. Условие выполнилось.

20. Транзистор VT1 выбирается, исходя из следующих соображений:

а) Указанные в справочных данных величины должны удовлетворять условиям:

=>

мА;

МГц

б) Рабочая точка А с координатами (В, =32.3мА) должна располагаться примерно в центре активной области выходных характеристик транзистора.(рис 1.4)

Справочные данные транзистора:

Тип транзистора
МП41А	20	30	100	100

21. Тип диодов смещения VD1, VD2 выбирается из условия

=>А

Выбран диод Д2Б (рис 1.5)

мА.

22. Количество диодов смещения равно:

где - падение напряжения на диоде, создаваемое током мА., - напряжение покоя база - эмиттер транзистора VT2 или VT3, необходимое для работы плеча в классе АВ.

23. Сопротивление резистора :

Ом. По ГОСТ Ом.

24. Ток и напряжение определяются по статическим ВАХ транзистора VT1 в рабочей точке

25. Амплитуда тока базы транзистора VT1 и амплитуда требуемого напряжения определяются построениями на выходных и входных ВАХ транзистора VT1. ( см. рис 1.6 ) по известной величине амплитуды коллекторного тока .

А.

мВ.

26. Сопротивления в цепи делителя смещения транзистора VT1:

 Ом. По ГОСТ Ом.

Ом. По ГОСТ кОм.

где мА

27. Входное сопротивление усилителя мощности.

Ом.

гдемА

28. Входное напряжение усилителя мощности:

В.

29. Входной ток усилителя мощности:

мА.

30. Входная мощность усилителя мощности:

мкВт.

31. Коэффициент усиления по напряжению:

Результаты расчёта.

В. В.

мА. А.

Ом. Вт.

1.2 Расчёт каскада предварительного усиления

Исходные данные:

1) Напряжение питания усилителя мощности: В

2) Амплитуда входного напряжения усилителя мощности В

3) Амплитуда входного тока усилителя мощностимА

4) Входное сопротивлении усилителя мощности Ом

В качестве промежуточного каскада будем использовать RC-каскад на биполярном транзисторе, так как он позволяет получить наиболее высокий коэффициент усиления по напряжению и большой коэффициент усиления по току, имеет невысокое входное и относительно большое выходное сопротивления.

Рис.2 принципиальная схема промежуточного каскада.

1. Амплитуда выходного напряжения:

В.

2. Требуемое напряжение питания каскада:

n = 2

3. Сопротивление коллекторной нагрузки:

каскад транзистор эмиттер микросхема

Ом. По ГОСТ кОм.

4. Амплитуда коллекторного тока:

мА.

5. Ток покоя коллектора: мА

6. Сопротивление эмиттерной стабилизации:

Ом. По ГОСТ кОм.

Транзистор выбираем исходя из условий:

В

мА



Тип транзистора
МП41А	20	30	100	100

Напряжение покоя коллектор - эмиттер.

В.

Перенесём рабочую точку на входную ВАХ(рис 2.1 точка `Б').

мА

В

По входной ВАХ определим:

мА.

В.

Условие Uкэ0>Uвыхm+Uкэнас выполняется

Сопротивления резисторов делителя смещения.

Ом.

По ГОСТ кОм.

Ом. По ГОСТ кОм.

мА.

Входное сопротивление каскада:

Ом.

Амплитуда тока базы.

мкА.

Необходимая амплитуда входного напряжения.

мВ.

Необходимая амплитуда входного тока.

мкА.

Выходное сопротивление каскада.

Ом.

где См.

Коэффициент усиления по напряжению.

Результаты расчёта.

 мкА мА.

мВ. В.

Ом. Ом.

1.3 Расчёт входного каскада

Исходные данные:

1) Напряжение питания предварительного усилителя: В

2) Амплитуда входного напряжения каскада предварительного усиления мВ

3) Амплитуда входного тока каскада предварительного усиления мкА

4) Входное сопротивлении каскада предварительного усиления Ом

5) Внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала Ом

В качестве входного каскада будем использовать эмиттерный повторитель, так как входное сопротивление источника усиливаемого сигнала достаточно велико.

Рис.3 Принципиальная схема входного каскада.

Амплитуда выходного напряжения:

мВ.

Амплитуда выходного (эмиттерного) тока.

мкА.

Сопротивление в цепи эмиттера.

Ом. По ГОСТ кОм.

Транзистор выбираем исходя из условий:

В

мА

Выбран транзистор типа МП41А.

Тип транзистора
МП41А	20	30	100	100

Ток покоя коллектора: мА.

Напряжение покоя коллектор - эмиттер

В.

Сопротивление в цепи базы.

Ом ближайшее по ГОСТ Ом

По ВАХ определяем ток покоя (рис 3.1 точка `В'):

мА

В

Перенесём рабочую точку на входную ВАХ

мА

В

Амплитуда тока базы:

мкА

Коэффициент усиления по напряжению.

Необходимая амплитуда входного напряжения:

мВ.

Сопротивление в цепи базы.

Ом. По ГОСТ кОм

Входное сопротивление транзистора (при включении ОК)

, где Ом.

Ом.

Входное сопротивление каскада.

Ом.

Выходное сопротивление каскада.

Ом.

Амплитуда ЭДС источника входного сигнала.

мВ.

Результаты расчёта.

мкА мкА.

мВ. мВ.

Ом. Ом.

мВ.

Вывод: Расхождение необходимого и заданного значений амплитуды ЭДС источника входного сигнала не превышает 10 , что для электронных устройств допустимо. Цель расчёта достигнута.

1.4 Расчёт емкостей конденсаторов

Принципиальная схема усилителя на транзисторах.

Таблица: Распределение по элементам частотных искажений в области НЧ.

	Дб	Относительные единицы	Количество элементов	Дб
МНр	0.4	1.259	4	1.6
МНэ	0.4	1.259	1	0.4

Пояснения к таблице.

М_Нр - коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте на каждый разделительный конденсатор.

М_Нэ - коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте на каждую цепочку эмиттерной стабилизации.

Расчёт емкостей разделительных конденсаторов.

а) Общая формула.

, где

- выходное сопротивление предшествующего каскада или источника усиливаемого сигнала.

- входное сопротивление каскада, на входе которого рассчитывается конденсатор, либо сопротивление нагрузки.

б) Расчёт.

мкФ. По ГОСТ мкФ

мкФ. По ГОСТ мкФ

мкФ. По ГОСТ мкФ

мкФ. По ГОСТ мкФ

Расчёт емкостей блокировочных конденсаторов цепей эмиттерной стабилизации.

а) Общая формула.

б) Расчёт.

мкФ. По ГОСТ мкФ

4. Расчёт емкости конденсатора в цепи обратной связи.

мкФ. По ГОСТ мкФ

II. Расчёт усилителя на интегральных микросхемах

В качестве оконечного каскада возьмём оконечный каскад УНЧ на биполярных транзисторах, рассчитанный в П. ll. 1. Входной и промежуточный каскады заменены одним каскадом на операционном усилителе с коэффициентом усиления . Принцип работы ничем не отличается от обыкновенного резисторного каскада на ОУ, однако в данной схеме ОУ несет двойную функцию : по постоянному току он практически является повторителем напряжения делителя R1 - R2, и создаёт смещение транзистора VT1; по переменному току ОУ работает как обычный усилитель. Входное напряжение подаётся через разделительный конденсатор C1.

Рис.4 Принципиальная схема УНЧ на операционном усилителе.

1. Исходные данные для каскада на операционном усилителе:

В

мА

Гц

кГц

2. Коэффициент усиления по напряжению:

3. Входное сопротивление оконечного каскада без делителя:

Ом.

Выбран операционный усилитель СА3078А.

Электрические параметры операционного усилителя СА3078А:

Выходной ток - 6.5 мА.

Напряжение питания В.

Входное сопротивление - 7.4 МОм.

Выходное сопротивление - 1.0 кОм.

Коэффициент усиления по напряжению - 100 дб ()

(на схеме ) - 10 МОм.

Сопротивления делителя остаются те же, что и в П. II. 1:

кОм; кОм.

Сопротивление в цепи обратной связи.

Ом. По ГОСТ кОм.

Роль входного сопротивления в усилителе играет само внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала .

Емкость разделительного конденсатора рассчитывается аналогично П. IV.

мкФ. По ГОСТ мкФ

Сопротивление, задающее режим.

Выберем МОм. (Рекомендуемое в справочных данных на ОУ)

Поскольку ОУ охвачен сильной отрицательной обратной связью, то корректирующую RC - цепочку не включаем, достаточно ёмкости монтажа.

Мощности всех резисторов очевидны и не рассчитываются (0.125 Вт).

III. Расчёт источника питания на интегральных микросхемах

Требуемый источник питания выберем исходя из следующих условий:

- Напряжение подаваемое на схему: В

- Максимальный ток потребляемый схемой:

А.

Исходя из этих условий выберем источник питания типа К142ЕН12А.

Справочные данные:

Тип	Uвых, В	Uвх.max, В	Iмакс, А	TА, оС	Корпус
К142ЕН12А	1.2 - 35	37	1.5	-40..+125	ТО-220

1. Расчёт задающего делителя (См Рис.5).

Известно, что Пусть кОм, тогда

Ом. По ГОСТ кОм.

2. Без расчёта примем:

мкФ; мкФ.

Примерно такие ёмкости рекомендуется использовать с этой микросхемой.



Рис.5 Принципиальная схема источника питания.

Литература

А.С. Муравьёва, Р.Р. Васильев. Методические указания по выполнению курсового проекта по учебному курсу "Электроника и радиоизмерения". Москва, 1983 г.

Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 504 с., ил.

Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом "Додэка-ХХ1", 2002. - 560 с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с., ил.

Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник / А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.:Радио и связь, 1989. - 520 с., ил.

Размещено на Allbest.ru