Федеральноеагентство по образованию
Кафедра«Цифровые радиотехнические системы»
Пояснительнаязаписка к курсовой работе
по дисциплине
«Схемотехникарадиоэлектронных 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
Техническоезадание
на курсовую работу подисциплине
«Схемотехника электронныхсредств»
студенту
Тема работы – электронныйусилитель
Исходные данные:
Номинальная мощность внагрузке, Вт 5
Рабочий диапазон частот,кГц 0,51-15
Сопротивление нагрузки,Ом 8
Входное сопротивлениеусилителя, кОм >5
Тип входа — дифференциальный
Нелинейные искажения, % 1,5
Частотные искажения, дБ 3,0
ЭДС источника сигнала(максимальная величина), мВ 100
Внутреннее сопротивлениеисточника сигнала, Ом 200
Содержание основныхразделов пояснительной записки.
Введение, анализтехнического задания.
Эскизный расчетструктурной схемы.
Электрический расчетследующих каскадов:
оконечный каскад:
промежуточный каскад;
входной каскад;
Конструкторский расчетэлементов схемы.
Перечень обязательныхчертежей
Электрическаяпринципиальная схема;
Перечень элементов;
Дата выдачи задания
Руководитель ____
Студент
Аннотация
Электронный усилитель
Список литературы — 8наименований
Графическое приложение — 1 лист ф.А3
По заданным данным (ТЗ)был разработан электронный линейный усилитель, усиливающий заданную мощность.
1. Анализтехнического задания
Оконечный каскад.
Выходная мощность втехническом задании равна 10 Вт, поэтому в качестве выходного каскада выберем двухтактныйкаскад. Так как сопротивление нагрузки 8 Ом (меньше 100 Ом), то выходной каскадбудет безтрансформаторным
Промежуточный каскад.
Промежуточным каскадом выберемкаскад с общим эмиттером. Для обеспечения начального напряжения смещения междубазой и эмиттером включим схему делителя.
Входной каскад.
Так как заданно входноесопротивление >5 кОм в качестве входного каскада будем использоватьдифференциальный каскад на полевых транзисторах.
2. Эскизныйрасчет
Рассчитаем основныепараметры:
Номинальная мощность внагрузке: Pн=10 Вт.
Мощность, приходящаяся наодно плечо двухтактного каскада:
P~п=10/2=5 Вт.
Максимальная рассеиваемаямощность одного плеча:
Pрас. max=0,5·P~п=0,5·5=2,5 Вт.
Максимальный токколлектора равен:
/> (1)
где Rн — заданное сопротивление нагрузки,Ом.
Тогда напряжение нанагрузке:
/>,
где Pн– номинальная мощность в нагрузке, Rн — заданное сопротивление нагрузки.
Найдем сквознойкоэффициент усиления:
/>,
где />– напряжение на нагрузке, Eu– ЭДС источника сигнала. Множитель1,5 взят для запаса.
Так как выходной каскадвключен по схеме с общим коллектором, то коэффициент усиления по напряжению: KU ≈ 1. Чтобы получить /> необходимо в схемуусилителя включить промежуточный каскад усиления с
/>.
Пусть половина линейныхискажений 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 Расчетвыходного каскада
Подберем необходимыйтранзистор исходя из следующих условий:
PК max> Pрас. max,
IК max> IК max.
где PК max– постоянная рассеиваемая мощностьколлектора, IК max– постоянный ток коллектора. (Pрас. max=1,25 Вт, IК max =1,11 А — рассчитанны в пункте 3)
Выбираем по парукомплиментарных транзисторов:
VT6 — КТ816А (p-n-p)
VT5 — КТ817А (n-p-n)
Их основные параметры:
Постоянный ток коллектора,Iкмах= 3 А
Постоянное напряжениеколлектор-эмиттер, Uкэмах=25 В
Постоянная рассеиваемаямощность коллектора PК.MAX=25 Вт
Постоянная рассеиваемаямощность коллектора транзисторов КТ816А и КТ817А приведена при работе их степлоотводом.
Выберем напряжениепитания исходя из следующего условия:
2Uкэ.доп. /> Еп/> 2(Uост.+Uвых), (3)
где Uкэ.доп — максимально-допустимое значениенапряжения коллектор — эмиттер для транзисторов КТ816А, КТ817А, Uост = 1 В — остаточное напряжение для транзисторов КТ816А, КТ817А, Uвых. — заданное выходное напряжение. 90 В/> Еп /> 19,8 В
Выбираем напряжениепитания равное 40 В.
Построим нагрузочнуюкривую на графике выходных характеристик транзистора КТ816А.
/>
Рисунок 1. Выходныехарактеристики
Нагрузочная криваяпроходит через точки /> и />
/>
Рисунок 2
/>
Рисунок 3
Используя входные ивыходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику.
IK, А 0,45 0,75 1,07 1,32
IБ, мА 5 15 30 45
UБЭ, В 0,8 0,88 0,93 0,95
/>
Рисунок 4
Исходя из построенной проходнойхарактеристики, определяем:
Iк max= 1,11 А; Iк min= 0,37 А
UБЭ max=0,925 В; IБ max= 22 мА
UБЭ min=0,775 В; IБ min= 2,5 мА
Из полученных значенийопределяем область изменения IБ и UБЭ:
UБЭ= UБЭ max– UБЭ min=0,925-0,775=0,15 В
IБ= IБmax– IБ min=(22-2,5)·10-3=19,5 мА
Определим значениевходного сопротивления:
/>
Определим коэффициентусиления:
/>
где UВХ=UБЭ — входное напряжение выходных транзисторов, В;
UВЫХ — заданное выходное напряжение, В.
Рассчитаем входноесопротивление и коэффициент усиления, с учетом обратной связи.
Rвхос= Rвхоэ (1+b·Ки);
/>
где b- коэффициент передачи обратной связи
b=1 т.к имеется 100% отрицательнаяобратная связь.
/>
Найдем входное напряжениеоконечного каскада:
/>
Рассчитаем g (коэффициент формы тока):
/>
/>
Принимаем g=0,9.
Найдем коллекторноесопротивление транзистора VT4,используется следующее соотношение:
/>
По стандартному рядусопротивлений выберем R13=470Ом.
Вычислим коллекторный токчерез транзистор VT4, А:
/>
Выберем транзистор исходяиз следующих условий:
/>
/>
/>
/>
Выбираем транзистор КТ815Б(n-p-n)
Его основные параметры:
Постоянный токколлектора, Iкмах= 1,5 А
Постоянное напряжениеколлектор-эмиттер, Uкэмах=40 В
Постоянная рассеиваемаямощность коллектора 10 Вт
/>
Рисунок 5
/>
Рисунок 6
Используя входные ивыходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику поформуле:
/>
Полученные результатывнесены в таблицу 1.
Таблица 1.
h21э 74,5 75 75 71 73 72
Iб, мА 0,5 0,53 0,66 0,81 0,95 1,12
Iк, мА 38,2 40 50 60 70 80,8
Uбэ, В 0,7 0,705 0,715 0,725 0,74 0,76
/>
Рисунок 7
С помощью метода пятиординат, рассчитаем нелинейные искажения, вносимые предоконечным каскадом:
IКmax=80,8 мА; IКmin=38,2 мА; I1=73 мА; I0=64 мА; I2=50 мА.
/>
/>
/>
/>
Найдем коэффициентыгармоник:
/>; />; />.
Рассчитаем коэффициентнелинейных искажений:
/>
По техническому заданию />=1,5%. Чтобы уменьшитьнелинейные искажения необходимо ввести отрицательную обратную связь, котораяснизит коэффициент нелинейных искажений в глубину обратной связи (А):
/>
Найдем глубину обратнойсвязи:
/>
До введения обратнойсвязи:
/>
где Uвых– напряжение на выходе предоконечногокаскада, Uвх– напряжение на входе предоконечногокаскада;
Uвх= UБЭ max-UБЭ min
Uвх =0,76-0,7=0,06 В.
Коэффициент усиленияобратной связи:
/>;
где δ –коэффициент передачи обратной связи.
/>
Так как δ·Ku>>1, то
/>
Рассчитаем сопротивлениенагрузки по переменному току для предоконечного каскада:
/>
где RВХ.ОС– входное сопротивление оконечногокаскада.
Находим сопротивлениеобратной связи:
/>
По линейке номиналовподбираем R14=12 Ом.
Пересчитаем глубинуобратной связи и коэффициент усиления с учетом полученного значения R14
/>
/>
Так как необходимополучить Kuос=5,1 увеличим глубину обратной связи
/>
Произведем расчет сучетом новой глубины обратной связи:
/>
По линейке номиналовподбираем R14=47 Ом
/> />
Найдем напряжение навходе предоконечного каскада:
/>
На транзисторе VT4 и на сопротивлении обратной связипроисходит падение напряжение:
UБ0=UБЭ0+UR14;
UR14=IЭ0·R14 ;
Так как IЭ0≈IК0, то
UR14=IК0·R14=42,5·10-3·47=1,99В.
По входной статической ВАХтранзистора определяем, что UБЭ0=0,73 В.
UБ0=0,73+1,99=2,72 В
Ток делителя выразим изпредположения, что он гораздо больше тока базы:
/>
/>
По линейке номиналовподбираем R12=390 Ом.
/>
По линейке номиналовподбираем R11=560 Ом.
Произведем перерасчеттока делителя с учетом выбранных номиналов резисторов R11 и R12:
/>
Так как входноесопротивление предоконечного каскада представляет собой параллельное включениесопротивления транзистора VT4, R11 и R12.
/>
найдем IБ – амплитуду тока базы;
IБ= IБmax — IБ min=(1,12-0,5)·10-3=0,62 мА
рассчитаем сопротивлениетранзистора:
/>
с учетом обратной связисопротивление транзистора VT4:
/>
/>
Обеспечение рабочей точкитранзисторов оконечного каскада осуществляется с помощью диода, включенного впрямом направлении.
Выбор диода производимисходя из следующих условий:
/>,
где />– напряжение на диоде, />– напряжение смещения.
Напряжение смещениянаходим из проходной характеристики транзистора оконечного каскада:
/> В
/>
Выбираем диоды Д229А вколичестве 4шт со следующими параметрами:
Uпр=0,4 В; Iобр=50 мкА; Uобр=200 В; Iпр=400 мА;
3.2 Расчетпромежуточного каскада усилителя
Так как сквознойкоэффициент усиления равен 134,1 а коэффициент усиления предоконечного каскадаравен 4,95.
/>
Для получения заданногокоэффициента усиления нам необходим каскад предварительного усиления скоэффициентом усиления Ku=5,2 и входной каскад с коэффициентом усиления Ku≤1.
Выберем транзистор КТ315В
Его основные параметры:
Статический коэффициентпередачи тока в схеме с ОЭ, h21э=30…120
Постоянный токколлектора, Iкмах= 100 мА
Постоянное напряжениеколлектор-эмиттер, Uкэмах=40В
Постоянная рассеиваемаямощность коллектора 150 мВт
Обратный ток коллектора IК об=1 мкА
Напряжение насыщенияколлектор-эмиттер при IК=20 мА Uнас=0,4 В.
Емкость коллектора CК=7 пФ
Постоянная времени цепиобратной связи τОС=300 пс.
Введем ограничение потоку: пусть IК max=150 мА.
Uкэmin возьмем больше Uнас=0,4. Пусть Uкэ min=0,8 В.
Выберем UR10=(0,1…0,2)·ЕП.
Пусть UR10=0,15·ЕП=0,15·40=6 В.
Тогда получаем условие:
/>
/>;
где />– напряжение на выходепромежуточного каскада, />– обратныйток коллектора.
Так как /> В, получаем:
/>
/> мА
Выбираем
/> и /> мА.
/>
Найдем мощность рассеяниятранзистора:
/>
Полученное значениемощности не превысило допустимое (150 мВт).
/>
По линейке номиналовподбираем R9=1 кОм.
Рассчитаем нагрузкукаскада по переменному току:
/>
/>
Удостоверимся ввозможности этого тока:
/>,
/>.
Рассчитаем коэффициентусиления каскада по напряжению:
/>,
где h21Э– статический коэффициент передачитока, h11Э– входное сопротивление транзистора.
/>
/>
rБЭ найдем как:
/> Ом
/> Ом
/> Ом
/>
Так как нам необходимополучить усиление каскада KU=5,2 введем отрицательную обратную связь.
/>,
где δ – коэффициентпередачи обратной связи.
Исходя из неравенства, />>>1, получаем
/>
/> />;
/>
По линейке номиналовподбираем R10=22 Ом.
Проведем перерасчеткоэффициента усиления и глубины обратной связи:
/>
/>
Найдем напряжение навходе каскада:
/>
Ток базы находим изследующей формулы:
/> мА.
Ток делителя находим изусловия
/>
/> мА.
/>;
/>;
где UR10 – напряжение на резисторе обратнойсвязи;
/>
Так как для кремниевыхтранзисторов
/> В
/> />
По линейке номиналовподбираем R8=27 Ом.
/>
По линейке номиналовподбираем R7=7,5 кОм.
Проведем перерасчет /> с полученными значениями R7 и R8
/>
Рассчитаем входноесопротивление каскада. Оно представляет собой параллельное соединение входногосопротивления транзистора VT3 ирезисторов R7 и R8.
/>
Найдем входноесопротивление транзистора VT2 сучетом обратной связи:
/>, где А– глубина обратной связи.
/>
3.3 Расчетвходного каскада
Так как необходимообеспечить большое входное сопротивление, выбираем схему на полевыхтранзисторах.
Выберем транзистор КП307А,с параметрами:
S=4мА/В (при UСИ=10 В, UЗИ=0 В) — крутизна характеристики,
UЗИ.0ТС = 0,5В — напряжение затвор-истокотсечки,
IЗ=5мА — ток утечки затвора,
IC.НАЧ=3мА — начальный ток стока,
UСИ.МАКС=27 В, UЗС.МАКС=27 В,
PC.МАКС= 250 мВт.
Рассчитаем ток нагрузки:
/>
Напряжение на нагрузкевходного каскада:
/>
Тогда мощность нанагрузке:
/>
Из условия Rвх>5 кОм (по техническому заданию),выберем сопротивления R6 и R1:
R1=R6=Rвх/2=8000/2=4000 Ом
Рассчитаем ток инапряжение на входе:
/>
/>
Найдем коэффициентусиления:
/>
Найдем ток стока:
ICМАКС = ICНАЧ = 3 мА
ICМИН = 0,1 · ICНАЧ = 0,3 мА
/> мА
Найдем сопротивление R5:
/>
По линейке номиналовподбираем R5=12 кОм
Напряжение UЗИ.0 выразим из соотношения IC0= ICНАЧ = S·UЗИ.0 :
/>
Определим токи насопротивления R1 и R6:
/>
Найдем сопротивления R2 и R4:
/>
Найдем сопротивление R3:
Из условия /> получаем R3:
/>/>
По линейке номиналовподбираем R3 = 62 Ом
4. Конструкторскийрасчет
4.1 Расчетразделительных конденсаторов
Определим величинуразделительного конденсатора C5
/>,
где /> — нижняя частота работыусилителя, Мок – коэффициент частотных искажений оконечного каскада.
/>
По промышленной линейкеконденсаторов выберем: С5 = 56 мкФ.
Найдем величинуразделительного конденсатора C4:
/>,
/>
По промышленной линейкеконденсаторов выберем С4 = 2,7 мкФ.
Определим величинуразделительных конденсаторов C3 и C2:
/>,
где RВХ– входное сопротивление каскадапредварительного усиления.
/>
По линейке конденсатороввыберем С3=С2=2,58 мкФ.
Определим величинуразделительного конденсатора C1:
/>,
/>
где /> – входное сопротивление входногокаскада.
Ближайшим значением изпромышленной линейки конденсаторов является 62 нФ.
Рассчитаем напряжение наконденсаторах:
/>
/> В;
/> В;
/> В
По справочнику подбираемтип конденсаторов: