Расчет усилителя мощности низкой частоты
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра: «Информатика и вычислительная техника»
Курсовой проект
по дисциплине «Электротехника и Электроника»
на тему: «Расчет усилителя мощности низкой частоты».
Выполнил: ст. гр. 13-ИВТ
Рябов А. К.
Проверил: Бударагин Р. В.
Заволжье 2015
Техническое задание
Студента Рябова А. К. группа 13-ИВТ.
Вариант 4.
Разработать усилитель мощности низкой частоты.
Требования, предъявляемые к проектируемому усилителю следующие:
|
Вариант
|
Выходная
мощность
Рн
|
Диапазон
частот
fн-fв
|
Напряжение питания
Uп
|
Входное напряжение
Uвх
|
Входное
сопротив-
ление
Rвх
|
Коэффициент
частотных
искажений
Мн=Мв
|
КПД
не менее
|
|
|
Вт
|
Гц
|
В
|
мВ
|
кОм
|
-
|
%
|
|
4
|
12
|
(20-20)10
|
15
|
30
|
110
|
|
50
|
В пояснительной записке должны быть следующие разделы:
- титульный лист;
- техническое задание на курсовой проект;
- содержание;
- вводная часть;
- обоснование выбора или разработка функциональной схемы;
- разработка и описание принципиальной схемы устройства;
- расчёт элементов и параметров принципиальной схемы;
- графическая часть;
- заключительная часть;
- список литературы.
Содержание
1. Разработка функциональной схемы
2. Разработка и описание принципиальной схемы устройства
3. Расчет элементов и параметров принципиальной схемы
3.1Расчет элементов и параметров выходного каскада
3.2Расчет элементов и параметров каскада промежуточного усиления
3.3 Расчет и выбор номиналов резисторов и конденсаторов
4.Расчет частотных искажений в области высоких частот
5.Расчет коэффициента полезного действия усилителя
Введение
Электроника широко внедряется практически во все отрасли науки и техники, поэтому знание основ электроники необходимо всем инженерам. Особенно важно представлять возможности современной электроники для решения научных и технических задач в той или иной области. Многие задачи измерения, управления, интенсификации технологических процессов, возникающие в различных областях техники, могут быть успешно решены специалистом, знакомым с основами электроники.
В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиозными изобретениями человечества.
В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.
В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя низкой частоты. Используется типовая схема двухкаскадного усилителя частоты, с усилением мощности на выходе второго каскада. В целях повышения входного сопротивления спроектирован предварительный каскад, выполненный на операционном усилителе (ОУ).
В задачу входит расчет основных параметров усилителя низкой частоты, а также выбор электронных компонентов схемы, входящих в состав.
Выбор активных и пассивных элементов является важным этапом в обеспечении высокой надежности и устойчивости работы схемы.
Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.
1.Разработка функциональной схемы
Так как основные параметры входного сигнала, нагрузки и выходного сигнала заданы в техническом задании, рассчитаем параметры усилителя, при которых требования технического задания будут обеспечены.
Входные параметры:
- действующее значение входного напряжения Uвх = 30 (мВ) (из ТЗ);
- входное сопротивление Rвх = 110 (кОм) (из ТЗ):
- действующее значение входного тока Iвх=Uвх/Rвх=0,273*10(А)
Выходные параметры:
- действующее значение мощности, рассеиваемой на нагрузке Рн=(12Вт) (из ТЗ);
- сопротивление нагрузки Rн = 15 (Ом) ();
- действующее значение падения напряжения на нагрузке
(из ТЗ)
- амплитуда выходного напряжения Uвых макс=Uн*=
- действующее значение тока в нагрузке Iн=
- максимальное значение тока в нагрузке (А)
Передаточные параметры усилителя:
- коэффициент усиления по напряжению Ки = Uн/Uвх=447
- коэффициент усиления по току К=Iн/Iвх=3,3*10
- полоса усиливаемых частот fн-fв =(20-20)10 = 2020 кГц (из ТЗ)
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:
1.Такие высокое входное сопротивление и большой коэффициент усиле ния проще всего достичь, применив операционный усилитель.
2. В то же время требующуюся амплитуду выходного напряжения и ток нагрузки может обеспечить только двухтактный каскад усиления на мощных транзисторах.
3.Для создания усилителя со стабильными параметрами следует охва тить его цепью общей отрицательной обратной связи.
С учётом изложенного функциональная схема усилителя мощности представлена на рис. 1.
Рис.1. Функциональная схема усилителя мощности
2.Разработка и описание принципиальной схемы устройства
Входной каскад функциональной схемы должен обеспечивать требую щееся по ТЗ входное сопротивление и подачу сигнала отрицательной обрат ной связи. Это можно осуществить, подавая входной сигнал на неинверти- рующий вход операционного усилителя (входное сопротивление операцион ных усилителей составляет не менее 1 МОм),а сигнал обратной связи - на ин вертирующий вход, где он будет автоматически вычитаться из входного сигнала, то есть окажется сигналом отрицательной обратной связи. В качестве каскада промежуточного усиления поставим операционный усилитель общего применения средней точности. Такие усилители дёшевы и имеют широкую полосу усиливаемых частот при достаточно большом коэф фициенте усиления. Операционный усилитель следует включить по типовой схеме с питанием от двух разнополярных источников напряжения.
В качестве выходного каскада используем двухтактный каскад с транзи сторами разной проводимости, включёнными по схеме с общим эмиттером, имеющий коэффициент усиления больше единицы. Такой каскад с питанием от двух разнополярных источников с повышенным напряжением обеспечит требуемую амплитуду напряжения и тока в нагрузке.
С учётом изложенного принципиальная схема усилителя мощности представлена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная схема усилителя мощности.
Выходной двухтактный каскад состоит из двух симметричных плеч:
Плечо, состоящее из элементов VD,R, VT, R И VTусиливает поло жительную полуволну напряжения сигнала, поступающего с выхода опера ционного усилителя.
Второе плечо из элементов VD, R, VT, R и VT уси ливает отрицательную полуволну. Диоды VDи VD2 обеспечивают режим усиления класса АВ и одновременно компенсируют температурный дрейф напряжений между эмиттером и базой транзисторов VTи VT . Резисторы R и R обеспечивают прямой ток диодов VD и VD2, примерно равный эмиттерному току транзисторов VT и VT2, чтобы компенсация температурного дрейфа была наиболее эффективной. Резисторы R и R являются коллектор ной нагрузкой транзисторов VT и VT2, на которой выделяются усиленные напряжения. Резисторы R и R составляют цепь местной отрицательной об ратной связи, стабилизирующей режим работы транзисторов выходного каскада. Резистор Rн- есть заданное сопротивление нагрузки.
Каскад промежуточного усиления состоит из операционного усилителя U и элементов С,С2- и R -R. Конденсатор С отсекает постоянную со ставляющую входного сигнала. Кроме того оба конденсатора ограничивают полосу пропускания всего усилителя снизу. Резисторы R и R составляют цепь общей отрицательной образной связи всего усилителя. Резистор R состоит в цепи местной обратной связи операционною усилителя. Резистор R ус тановлен для создания необходимого входного сопротивления схемы.
3.Расчёт элементов и параметров принципиальной схемы
3.1 Расчёт элементов и параметров выходного каскада
Напряжение питания должно быть не менее
,где n- число транзисторов в выходном каскаде.
Выбираем
Максимальная мощность, которую будет отбирать выходной каскад от источника питания , равна
Следовательно, максимальная мощность рассеяния каждого транзистора VT и VT должна быть равна:
Р
По найденным параметрам выбираем мощные транзисторы типа КТ817Б и КТ816Б[1] с параметрами, помещенными в табл. 1:
|
Наименование параметра
|
КТ816Б
|
КТ817Б
|
Значение в схеме
|
|
Максимальный ток коллектора
|
3
|
3
|
>1,27
|
|
Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером
|
45
|
45
|
>24
|
|
Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе
|
25
|
25
|
>4,8
|
|
Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером
|
25
|
25
|
>2…2,5
|
|
Минимальное напряжение между коллектором и эмиттером
|
2
|
2
|
<2,5
|
|
Граничная частота в схеме с общим эмиттером
|
3000
|
1000
|
>20*2
|
|
Емкость коллектора
|
60
|
60
|
|
Вычисляем предельное значение тока коллектора:
Все ограничительные условия для выбранных транзисторов осуществляются.
Определяем максимальную величину тока базы выходного транзистора:
Рассчитываем максимальное падение напряжения на переходе база-эмиттер выходного транзистора при типовых значениях=0,75 и=0,2 по формуле:
Ток через коллекторный резистор транзистора промежуточного каскада усиления выбираем равным удвоенному значению тока оконечного транзистора:
Тогда сопротивления коллекторных резисторов этих транзисторов будут равны: .
Выбираем из справочника 2 резистор типа С2-33 5% R=R=6,8Ом
Мощность, которую должен рассеивать транзистор промежуточного каскада, равна:
По этому значению выбираем транзисторы промежуточного каскада типа КТ503А (n-p-n) и КТ502А (p-n-p) 1, имеющие одинаковые параметры, помещенные в табл. 2:
|
Наименование параметра
|
КТ502А, КТ503А
|
Значение в схеме
|
|
Максимальный ток коллектора Iк
|
150
|
100
|
|
Максимальное допустимое напряжение между коллекторами и эмиттером
|
40
|
24
|
|
Максимальная мощность , рассеиваемая на Коллекторе
|
350
|
160
|
|
Статистический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером
|
40…120
|
2..2,5
|
|
Минимальное напряжение между коллектором и эмиттером
|
2
|
2,5
|
|
Граничная чистота в схеме с ОЭ
|
5000
|
20*2
|
|
Ёмкость коллектора , пФ
|
5
|
5
|
Подсчитываем величину максимально возможного коэффициента усиления по напряжению:
Задаем величиной коэффициента усиления по напряжению каскада усиления мощности с обратной связью
Тогда величина напряжения сигнала , поступающего на вход промежуточного каскада , будет равна:
и
Входное сопротивление транзистора промежуточного каскада равно:
Из полученных данных определяем величины резисторов в цепи эмиттера и обратной связи оконченного каскада усилителя мощности
и
Выбираем из справочника [2] R=R=68Ом
Максимальный базовый ток транзистора VT равен:
Задаемся током делителя из резисторов R и R, равным утроенному значению тока …. И рассчитываем значения R и R, полагая падение напряжения на диоде
Выбираем из справочника [2] R и R=6,2кОм
По полученным данным выбираем [1] диод типа КД521Г c параметрами:
- прямой ток максимальный, мА……………..50
- обратное напряжение максимальное, В……30
- время восстановления,нс…………………….4
3.2Расчет элементов и параметров каскада промежуточного усиления
Каскад промежуточного усиления должен обеспечивать размах выходного напряжения на нагрузке сопротивлением
в полосе частот (20-20)10 при входном сигнале 30 мВ и входном сопротивлении 110кОм.
Если учесть, что параметры усилителя могут изменяться при изменении температуры окружающей среды, то необходимо иметь коэффициент усиления по напряжению в несколько раз больше минимального значения:
Предъявленным условиям должен удовлетворять быстродействующий широкополосный операционный усилитель типа К154УД4[1], имеющий следующие параметры:
Таблица 3
|
Наименование параметра
|
К154УД4
|
|
Напряжение питания
|
|
|
Напряжение смещения
|
6
|
|
Входной ток
|
100
|
|
Выходное напряжение
|
11
|
|
Коэффициент усиления
|
62
|
|
Коэффициент подавления синфазного сигнала
|
72
|
|
Входное сопротивление
|
1
|
|
Потребляемая мощность
|
210
|
|
Частота единичного усиления
|
20
|
Коэффициент усиления ОУ на постоянном токе составляет или .Так как крутизна спада АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек, то это означает , что при увеличении частоты сигнала в 10 раз коэффициент усиления ( начиная с некоторой частоты) будет падать ровно в 10 раз и на частоте f=20МГц достигнет значения
Таким образом , на частоте f=20МГц -;на f=2МГц-; на f=200МГц-; на f=2МГц- и так далее до достижения частоты , на которой будет достигнут максимальный коэффициент усиления .Процесс изменения коэффициента усиления наглядно отражается на его АЧХ, построенной в логарифмическом масштабе на рис. 3
Рис.3.АЧХ операционного усилителя типа К154УД4
Из АЧХ выбранного ОУ следует, что на верхней частоте усиливаемого сигнала fв= 20кГц коэффициент усиления напряжения ОУ равен приблизи тельно 750, то есть имеется запас по этому параметру, минимальное значение
которого равно .
Значение сопротивления резистора R выбираем исходя из заданного в ТЗ значения входного сопротивления:
откуда
Выбираем из справочника [2] R2 = 120 кОм.
Для того чтобы уменьшить влияние входных токов ОУ, следует выбрать сопротивление резисторов (если их несколько, то их параллельное соедине ние), подключённых к каждому входу, приблизительно одинаковыми. Исхо дя из этого условия и полагая, что установка сопротивления местной обрат ной связи R не эффективна, так как запас по коэффициенту усиления неве лик, выбираем значение сопротивления общей обратной связи R=R=120 кОм.
Формула коэффициента усиления всего усилителя мощности, охвачен ного общей отрицательной обратной связью, имеет следующий вид:
Из этой формулы находим значение R:
Выбираем из справочника [2] R1 = 270 Ом.
Сопротивление местной отрицательной обратной связи выбираем вдвое
большим сопротивления R=R= 240 кОм.
Полагая отклонение сопротивления резисторов равным 10%, подсчиты ваем нестабильность коэффициента усиления:
Задаёмся отклонением сопротивлений 5%:
При использовании резисторов в цепи обратной связи с отклонениями 5% требования к стабильности усилителя соблюдаются.
3.3Расчёт и выбор номиналов резисторов и конденсаторов
Номинальные значения всех резисторов выбраны в предыдущих разде лах. Осталось определить их по мощности, допуску и типу.
Полагаем, что допуски всех резисторов, кроме резисторов общей обрат ной связи равны 5%, а допуск на резисторы общей обратной связи должен быть меньше - 2%.
Мощность рассеяния резистора определяется по формуле:
Все расчёты и данные резисторов сведены в табл. 4
|
Обозначение
|
Номинал
|
|
|
|
Допуск
|
Тип
|
|
R
|
270 Ом
|
30мВ
|
3,3мкВт
|
0,125Вт
|
1%
|
С2-29
|
|
R
|
120кОм
|
30мВ
|
75 мкВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
120кОм
|
13,4В
|
1,5мВт
|
0,125Вт
|
1%
|
С2-29
|
|
R
|
240кОм
|
6,7В
|
0,187мВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
6,2кОм
|
23,4В
|
88 мВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
6,2кОм
|
23,4В
|
88мВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
6,8Ом
|
100мА
|
6,8мВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
6,8Ом
|
100мА
|
6,8мВт
|
0,125Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
68Ом
|
6,7В
|
0,66Вт
|
1Вт
|
5%
|
С2-33
|
|
R
|
68Ом
|
6,7В
|
0,66Вт
|
1Вт
|
5%
|
С2-33
|
Значения емкостей разделительного и блокировочного конденсаторов С и С2 рассчитываются исходя из допустимых частотных искажений на нижней
частоте входного сигнала.
Коэффициент влияния на частотные искажения в случае применения од ного разделительного и одного блокировочного конденсаторов определяется исходя из заданного коэффициента искажений Мн = следующим обра зом:
Ёмкость разделительного конденсатора определяется по формуле:
Ёмкость блокировочного конденсатора определяется по формуле:
Выбираем из справочника С=220пФ, С=62нФ типа К50-35-25В
4. Расчет частотных искажений в области высоких частот
Коэффициент частотных искажений транзисторного каскада в высоко частотной области определяется по формуле:
где в=2fв=220103= 125 • 103рад/с- верхняя круговая частота;
Тв = Т + Тк - постоянная времени транзисторного каскада;
постоянная времени транзистора на граничной частоте;
- постоянная времени коллекторного перехода;
Ск- ёмкость коллекторного перехода;
Rн- сопротивление нагрузки транзисторного каскада.
Для промежуточного каскада Rн=6,8 Ом; Ск=10пФ; fгр=5МГц.
Подсчитаем искажения, вносимые промежуточным каскадом.
Для оконченного каскада Rн=15 Ом; Ск=60 пФ; fгр=1 МГц.
Подсчитаем искажения, вносимые оконченным качкадом.
Общий коэффициент частотных искажений, равный МВпр • МВок = 1 оз начает, что на верхней частоте усиливаемого сигнала искажения практически отсутствуют.
5. Расчет коэффициента полезного действия усилителя
Расчет производим при максимальной амплитуде входного сигнала для одного плеча.
Мощность, потребляемая нагрузкой, равна Рн =12 Вт.
При расчёте параметров оконечного каскада усилителя мощности по считано, что мощность, потребляемая этим каскадом (вместе с нагрузкой) со ставляет 21,6 Вт. Таким образом, оконечный каскад потребляет мощность
Рок = 21,6 - 12 = 9,6 Вт.
Промежуточный каскад потребляет мощность РПР = ЕпитУМ • Ivt1 = 24В • 0,05А=1,2Вт.
Операционный усилитель каскада промежуточного усиления потребляет общую мощность от обоих источников питания 210мВт. Следовательно, от
одного источника он потребляет . Общее потребление мощности схемой усилителя совместно с нагрузкой составляет
Р = Рн + Рок+Рпр+Роу = 12 + 9,6 + 1,2 + 0,105 = 22,905Вт.
КПД всего усилителя составляет
Таким образом, требование ТЗ > 50% выполнено.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Разраб.
Рябов А. К.
Провер.
Бударагин Р. В.
Н. Контр.
Утверд.
Расчет усилителя мощности низкой частоты
ит.
Листов
Кафедра ИВТ ст. гр. 13-ИВТ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
13
13-ИВТ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
14
13-ИВТ
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
15
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
16
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
17
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
19
КП 230100 13-ИВТ Электроника 2015
Разраб.
Рябов А. К.
Провер.
Бударагин Р. В.
Н. Контр.
Утверд.
Расчет усилителя мощности низкой частоты
Лит.
Листов
19
Кафедра ИВТ ст. гр. 13-ИВТ
Расчет усилителя мощности низкой частоты