Министерство образования и наукиУкраины
Национальный технический университет
«Харьковский политехническийинститут»
Кафедра «Радиоэлектроника»
Курсовой проект
На тему: «Расчёт усилителямощности низкой частоты»
Харьков 2009
Реферат
В данном курсовом проекте рассчитывается усилитель мощности низкой частоты.Производится составление функциональной схемы, а по ней синтезируетсяэлектрическая схема на дискретных элементах.
Расчёт ведётся графоаналитическим методом по входным и выходнымвольтамперным характеристикам.
В состав УНЧ входят: усилитель мощности, фазоинверсный каскад,предварительный усилитель, собранный на ОУ.
Ключевые слова:
УНЧ — усилитель низкой частоты;
ОУ — операционный усилитель;
Введение
Оконечные каскады выполняются по схеме с трансформаторной связью, либо посхеме с безтрансформаторной связью. Трансформаторную связь применяют, когдасопротивление нагрузки меньше выходного сопротивления каскада. Поэтому внастоящем проекте рассчитывается усилитель с трансформаторной связью.
Транзисторы и способ их включения, схема каскада и режим работы транзистороввыбираются из условий обеспечения заданной выходной мощности и максимальногок.п.д. при заданных частотных искажениях. Оконечные каскады могут выполнятьсяпо однотактной или двухтактной схеме. Однотактная схема позволяет сэкономитьодин транзистор, но не может обеспечить к.п.д. выше 30%.
Двухтактная схема может обеспечить кпд до 78% при коэффициенте гармоник7-12%. Габариты выходного трансформатора из-за отсутствия тока подмагничиваниязначительно уменьшаются. Выходная мощность достигает величины в 1.5 разабольшей, чем мощность, рассеиваемая на коллекторах транзисторов.
Транзисторы могут быть включены либо по схеме с общей базой, либо общимэмиттером, либо общим коллектором.
После выбора схемы оконченного каскада и режима работы выбирается транзистор,удовлетворяющий следующим условиям:
1. Допустимая мощность рассеяния на коллекторе должна быть не нижемаксимальной рассеиваемой при заданной максимальной температуре окружающейсреды.
2. Предельная частота коэффициента передачи тока должна быть выше верхнейзаданной частоты для того, чтобы искажения, вносимые транзистором, были,возможно, меньшими.
Техническое задание
1. Диапазон частот fн=80 Гц; fв=13 кГц
2. Допустимые частотныеискажения Мн=1,2дБ; Мв=1,3 дБ
3. Выходная мощность Рвых=2,3Вт
4. Сопротивление внешнейнагрузки Rн=2,7Ом
5. Данные источникасигнала Uи=1,3 мВ; Rи=170 Ом
6. Допустимый коэффициентгармоник Кг£ 2,5%
7. Диапазон изменениятемпературы Т=-20О +40ОС
1. Предварительный расчёт
1.1 Выбор типа транзисторов и способа их включения для оконечногокаскада
Оконечный каскад можно выполнить по двухтактной схеме, работающей врежиме АВ, транзисторы включить по схеме с общим эмиттером. Так каксопротивление внешней нагрузки мало, то применим трансформаторную связь снагрузкой.
Мощность рассеяния наколлекторе одного транзистора составит:
/> (1.1.1.1)
h- к.п.д.выходной цепи. Для режима АВ
h=0.5¸0.7. Принимаем h=0.6
/> (1.1.2)
hт=0.85 – к.п.д. выходного трансформатора.
/> (1.1.3)
Предельная частота транзистора определяется по заданным искажениям навысокой частоте.
/> (1.1.4)
/> (1.1.5)
Выбираем транзистор КТ801Б,который имеет следующие параметры:
Рк, мах=5Вт,
fг=10 МГц,
h21э=50,
Uкэ.max=60В,
Iк.max=2A,
Uост=5В.
Предельная частота транзистора:
/> (1.1.6)
Напряжение, которое можноподать на коллектор:
/> (1.1.7)
Выбираем Uок=19 В.
Тогда для получениямощности 2,7 Вт потребуется импульс коллекторного тока:
/> (1.1.8)
Такому току коллекторасоответствует ток базы IБ=23мА. Для получения тока базы 31мАнеобходимо подать на базу напряжение UБm=0,95В (рисунок 4).
Значение переменнойсоставляющей напряжения и тока базы:
UБ~=0,95-0,5=0.45В IБ=Iвх=23мА.
Входная мощность запериод сигнала:
/> (1.1.9)
Коэффициент гармоникопределяется по графику зависимости от коэффициента использования транзисторапо мощности при коэффициенте асимметрии плеч g=0.1 (рисунок 1).
/>
Рисунок 1 – Зависимостькоэффициента гармоник /> от коэффициентаиспользования транзистора по мощности
/> (1.1.10)
Такому a соответствует Кг=3%.
Глубина обратной связи:
/> (1.1.11)
Выбираем А =1,2.
Требуемый коэффициентусиления предварительных каскадов:
/>, (1.1.12)
где /> – коэффициент запаса
1.2 Выбор типа транзисторов и способа их включения для фазоинверсногокаскада
Фазоинверсный каскад выполняем по трансформаторной схеме, транзисторработает в режиме А.
Мощность рассеяния на коллекторе фазоинверсного каскада:
/> (1.2.1)
Выбираем транзистор КТ315В, со следующими параметрами:
Pк=150мВт,
fг=250 МГц,
h21э=50,
Uкэ.max=40В,
Iк.max=100мA,
Предельная частотатранзистора должна быть не ниже:
/> (1.2.2)
Мв=1,3дБ=1.161
Для транзистора КТ315В:
/>МГц >>20,23кГц (1.2.3)
/>Рисунок 2 –Функциональная схема усилителя1.3 Распределениечастотных искажений
Искажения на нижних частотах:
/> (1.3.1)
На выходной трансформаторможно допустить:
/> (1.3.2)
На межкаскадныйтрансформатор можно принять:
/> (1.3.3)
Оставшиеся М=0,7дБ можноразделить на 2 части, т. к. имеется одна разделительная ёмкость и один конденсаторв цепи эмиттера
/> (1.3.4)
2. Расчёт электрической схемы усилителя
2.1 Расчёт оконечного каскада
Из предварительногорасчёта известно:
Транзистор КТ801;
A=1.2 –глубина обратной связи;
/>Вт – колебательная мощность;
hт=0,85;
fн=80Гц;
Мн=0,35дБ;
fв=13кГц;
Mв=0,65дБ;
Rн=2,7Ом;
Uок=19В – напряжение покоя на коллекторе
Iвх=23мА.
/>
Рисунок 3 – Оконечныйкаскад усилителя
Уточним отдаваемуюмощность:
/> (2.1.1)
где
/> (2.1.2)
Определим сопротивлениенагрузки для переменного тока
/> (2.1.3)
Рассчитаем сопротивлениеполовины первичной обмотки выходного трансформатора:
/> (2.1.4)
Напряжение источникапитания:
/> (2.1.5)
Выберем Е0=20В.
Мощность, потребляемаявыходной цепью:
/> (2.1.6)
/>
Рисунок 4 – Входная ивыходная характеристики транзистора КТ801Б
КПД выходной цепи:
/> (2.1.7)
Мощность рассеяния наколлекторе одного транзистора:
/> (2.1.8)
Ток покоя коллектора воконечном каскаде:
/> (2.1.9)
Такому току коллекторасоответствует ток базы IоБ=1мА, а это соответствует напряжениюна базе транзистора Uоб=0,55В(рисунок 4).
Амплитуда полезногосигнала на оконечных транзисторах составит
/> (2.1.10)
Сопротивление делителя вцепи базы транзисторов оконечного каскада:
/> (2.1.11)
где
/> (2.1.12)
Выбираем />=10 Ом.
Для выбора типа резистораопределяем мощность, рассеваемую на нем:
/> (2.1.13)
Выбираем резистор типа R9 типа С2-23-0,125.
/> (2.1.14)
Выбираем />.
/> (2.1.15)
Выбираем резистор типа R8 типа С2-23-1,0.
Входное сопротивлениеодного плеча оконечного каскада с учётом сопротивлений делителя в цепи базы:
/> (2.1.16)
Выходное сопротивлениетранзистора рассчитываем с помощью выходной характеристики:
/> (2.1.17)
Коэффициент трансформациина одно плечо выходного трансформатора:
/> (2.1.18)
Требуемая величинаиндуктивности половины первичной обмотки выходного трансформатора
/> (2.1.19)
Индуктивность рассеяния:
/> (2.1.20)
Так как выбранвысокочастотный транзистор, то все искажения на высокой частоте можнораспределить между выходным и межкаскадным трансформаторами:
/> (2.1.21)
/>
Выходное напряжение икоэффициент усиления оконечного каскада:
/> (2.1.22)
/> (2.1.23)
Частотные и фазовыеискажения, вносимые оконечным каскадом:
/> (2.1.24)
/> (2.1.25)
Частотные и фазовыеискажения, выносимые оконечным каскадом на высокой частоте:
/> (2.1.26)
/> (2.1.27)
Расчёт площадитеплоотвода
Pк=0,9Вт
Тn.max=70OC –максимальная температура коллекторного перехода
Rnк=20 гр/Вт –тепловое сопротивление переход-корпус
/> (2.1.28)
— тепловое сопротивление корпус-среда.
/> (2.1.29)
— площадь теплоотвода.2.2 Расчётфазоинверсного каскада с трансформаторной связью
Из предварительногорасчёта известно:
Транзистор КТ315В;
E0=20В,
А=1,2,
fн=80 Гц,
fв=13 кГц.
Входные данные оконечногокаскада, являющиеся выходными данными для фазоинверсного каскада:
Rн=Rвх.ок=27Ом,
Uвых=Uвх.ок=0,4В,
Iвых=Iвх.ок=23мА.
/>
Рисунок 5 – Фазоинверсныйкаскад
Зададимся падениемнапряжения в цепи эмиттера и на первичной обмотке трансформатора,
/> (2.2.1)
Амплитуда напряжения наколлекторе транзистора
/> (2.2.2)
Коэффициент трансформациимежкаскадного трансформатора:
/> (2.2.3)
Требуемая величинапеременной составляющей тока коллектора и ток покоя для фазоинверсного каскада:
/> (2.2.4)
/> (2.2.5)
Такому значению Iок соответствует ток покоя базы Iоб=120мкА и напряжение покоя базы Uоб=0,55В.
Отмечаем расположениерабочей точки N (рисунок 6) и определяем в рабочейточке сопротивление транзистора:
/> (2.2.6)
/>
Рисунок 6 – Входная ивыходная характеристики транзистора КТ315В
Сопротивление нагрузки попеременному току для фазоинверсного каскада:
/> (2.2.7)
Задаемся, КПД межкаскадноготрансформатора hт=0,9 иопределяем сопротивление первичной обмотки:
/> (2.2.8)
Потери постоянногонапряжения на первичной обмотке трансформатора:
/> (2.2.9)
Сопротивление в цепиэмиттера:
/> (2.2.10)
где
/> (2.2.11)
/> (2.2.12)
/> (2.2.13)
Выбираем:
/>
Выбираем резисторыR6, R7 типа C2-23-0,125
Сопротивление делителя вцепи базы для фазоинверсного каскада:
/> (2.2.14)
/> (2.2.15)
/> (2.2.16)
I0=1,33 мА –ток покоя коллектора КТ312Б;
Iкбо=0,148мА –обратный ток коллектора.
Максимальный коэффициентнестабильности:
/> (2.2.17)
Принимаем g=4.
/>
Принимаем R4=85кОм.
/>
Принимаем R5=10,5кОм.
Выбираем тип резистора:
/> (2.2.18)
/>
/>
Тип резисторов R4, R5 C2-23-0,125.
Сопротивление делителя вцепи базы транзистора КТ312Б:
/> (2.2.19)
Глубина местнойотрицательной обратной связи за счёт неблокированного сопротивления в цепиэмиттера R6:
/> (2.2.20)
Так как /> очень мало, то />.
Коэффициент усилениякаскада с учётом местной отрицательной обратной связи:
/> (2.2.21)
Входное сопротивлениекаскада с учётом местной отрицательной обратной связи и сопротивлений делителяв цепи базы:
/> (2.2.22)
Сопротивление в цепиобратной связи:
/> (2.2.23)
где
/> (2.2.24)
/>
Примем />
Выбираем резистор типа C2-23-0125.
Входное сопротивление инапряжение фазоинверсного каскада с учётом общей обратной связи:
/> (2.2.25)
/> (2.2.26)
Индуктивность первичнойобмотки трансформатора:
/> (2.2.27)
где />
Индуктивность рассеяниямежкаскадного трансформатора:
/> (2.2.28)
Частотные и фазовыеискажения, вносимые межкаскадным трансформатором:
а) на низкой частоте:
/> (2.2.29)
/> (2.2.30)
б) на высокой частоте:
/> (2.2.31)
/> (2.2.32)
Определяем величинуёмкости в цепи эмиттера фазоинверсного каскада
/> (2.2.33)
Выбираем C2 =200 мкФ.
В качестве />выбираем конденсатор К50 –35 – 25 В – 200 мкФ.
Частотные и фазовыеискажения, вносимые ёмкостью С2:
/> (2.2.34)
/> (2.2.35)
Определяем величинуразделительной ёмкости />:
/> (2.2.36)
Выбираем С1=3,6мкФ.
В качестве />выбираем конденсатор К50 –35 – 25 В – 3,6 мкФ.
Частотные и фазовыеискажения, вносимые ёмкостью />:
/> (2.2.37)
/> (2.2.38)
транзисторчастотный усилитель трансформаторный
2.3 Расчётпредварительного усилителя
Предварительный усилительвыполним на операционном усилителе К140УД7(рисунок 7), который имеет следующие параметры:
— дифференциальныйкоэффициент усиления />;
— удельный температурныйдрейф напряжения смещения равен />;
— температурный дрейфразности входных токов равен />;
— номинальное напряжениепитания />.
— />;
— />.
/>
Рисунок 7 –Предварительный каскад усилителя
Рассчитываем коэффициентусиления предварительного каскада:
/> (2.3.1)
Рассчитываем элементыцепи отрицательной обратной связи:
/> (2.3.2)
где /> — температурный дрейф нулявыходного напряжения;
/> — температурный дрейф/> при />;
/> - температурный дрейф разностивходных токов.
/>
принимаем />
/> (2.3.3)
выбираем />.
/> (2.3.4)
выбираем />.
Выбираем в качестве /> резисторы типа С2-23-0,125.
Уточняем значениекоэффициента усиления по напряжению:
/> (2.3.5)
Сопротивление /> определяем из отношения:
/>;
/> (2.3.6)
Выбираем />.
Выбираем в качестве /> резистор типа С2-23-0,125.
3. Расчет частотных характеристик
3.1 Расчет частотныххарактеристик в области низких частот
Частотная характеристикав области низких частот двух каскадов, охваченных частотонозависимойотрицательной обратной связью.
/> (3.1.1)
где />;
/>;
/>;
Н – частотные искажения,вносимые цепью обратной связи.
/> (3.1.2)
/> (3.1.3)
/>;
/>
/>; />;
/>; />;
/>; />;
/>; />;
Рассчитываем частотнуюхарактеристику в области низких частот для трех вариантов (Таблица 1):
а) для значения емкости вцепи эмиттера />;
б) при частотонезависимойобратной связи Н=1;
в) для значения емкости вцепи эмиттера />;
Таблица 1
Частота
F, Гц Относительный коэффициент усиления
/>
/>
/>
10 0,043967 0,042987 0,043262 20 0,290789 0,282907 0,284733 30 0,533627 0,539467 0,588346 40 0,682799 0,700203 0,696714 50 0,773610 0,793732 0,789803 60 0,831719 0,850643 0,847030 70 0,870686 0,887317 0,884205 80 0,897802 0,912165 0,909528 90 0,917500 0,929713 0,927483 100 0,932072 0,942535 0,940640 110 0,943160 0,952174 0,950552 120 0,951776 0,959595 0,958195 130 0,958115 0,965425 0,964207 140 0,964084 0,970086 0,969018 150 0,968358 0,973869 0,972927 160 0,972253 0,976981 0,976144 170 0,975337 0,979570 0,978822 180 0,977938 0,981748 0,981076 190 0,980151 0,983596 0,982989 200 0,982049 0,985179 0,984628
3.2 Расчет частотнойхарактеристики в области высоких частот
Рассчитываем частотнуюхарактеристику в области высоких частот двух каскадов, охваченных обратнойотрицательной связью:
/> (3.2.1)
где />;
/>;
/>;
/>; />;
/>; />;
Результаты расчетовчастотной характеристики на высокой частоте представлены в таблице 2.
Таблица 2
Частота
F, Гц Относительный коэффициент усиления усилителя Y 1000 0,999839 5000 0,995973 10000 0,984911 15000 0,964471 20000 0,937954 25000 0,905298 30000 0,867550 35000 0,825905 40000 0,781621 50000 0,689951
Амплитудно-частотнаяхарактеристика, полученная по результатам расчета, представлена на рисунке 8.
/>
Рисунок 8 –Амплитудно-частотная характеристика
Заключение
Из проведенной работыследует, что полученная частотная характеристика расчетной схемы полностьюудовлетворяет условиям задания.
Работа демонстрируетосновы расчета усилителя низкой частоты с трансформаторной связью междукаскадами, что позволяет достичь полного согласования нагрузки (входногосопротивления последующего каскада) с выходным сопротивлением транзистора, а,следовательно, максимального усиления мощности в каждом каскаде. Недостаткиданной схемы – большие габаритные размеры и масса, высокая стоимость, а такжехудшие АЧХ и ФЧХ. Трансформаторная связь используется между каскадами тогда,когда предъявляется требование высокой экономичности усилителя, например: впортативных устройствах. В современной радиотехнике используются более новые исовременные элементы, но принципы построения цепей в большинстве случаевостаются одинаковыми.
Схема неудобна тем, чтодля согласования используются не только эмиттерный повторитель, но итрансформатор. Это значительно увеличивает в размере готовый УНЧ.
Спроектированный усилитель долженпитаться от двух источников питания, т.к. ОУ питается от двухполярногоисточника, а фазоинверсный и оконечный каскады от однополярного. Это затрудняетиспользование усилителя в переносных устройствах.
Схема настраиваетсяотносительно несложно из-за применения ОУ в предварительном усилителе, вместодвух усилительных каскадов на транзисторах. Также применение ОУ значительноуменьшило низкочастотные искажения.
Расчет частотнойхарактеристики усилителя показал, что частотные искажения в полосе пропусканияусилителя не превышают значений заданных в техническом задании:
/> = 80 Гц,
/> = 0,831,
/>= 0,85,
следовательно />.
/> = 13 кГц,
/> = 0,623,
/> = 0,680,
следовательно />.
Источники информации
1. Методические указания к курсовому проекте «Расчётусилителя мощности низкой частоты». Гуртовая Е.П. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2007. – 41 с.
2. Конспект лекций по курсу «Основырадиоэлектроники».
3. Транзисторы для аппаратурыширокого применения: Справочник. Под ред. Б.Л. Перельмана – М.: Радио и Связь,1981 – 656 с.
Приложение
Схема усилителяпринципиальная
/>
Описание элементов схемыОбозначение Наименование Кол. Примечание Конденсаторы C1 К50-35-25В-3,6 мкФ 1 C2 К50-35-25В-200 мкФ 1 Резисторы R1 С2-23-0,125-10 кОм 1 R2 С2-23-0,125-10 кОм 1 R3 С2-23-0,125-610 кОм 1 R4 С2-23-0,125-85 кОм 1 R5 С2-23-0,125-10,5 кОм 1 R6 С2-23-0,125-20 Ом 1 R7 С2-23-0,125-2,9кОм 1 R8 С2-23-0,125-510 Ом 1 R9 С2-23-0,125-10 Ом 1 R10 С2-23-0,125-7 кОм 1 Операционный усилитель ОУ К140УД7 1 Транзисторы VT1 КТ 315В 1 VT2 КТ 801Б 1 VT3 КТ 801Б 1 Трансформаторы 1 Т1 Межкаскадный трансформатор Т2 Выходной трансформатор 1
АП-38
Изм.
Лист
№ докум
Подп.
Дата
Разработала
Колодяжная
Усилитель мощности низкой частоты
Перечень элементов
Лит.
Лист
Листов
Пров.
Гуртовая
н
24
24
НТУ”ХПИ” Кафедра “Радиоэлектроники”
Н. Контр. /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />