Разработка схемы усилителя низкой частоты

• Введение
• 1. Анализ технического задания
• 2. Расчет структурной схемы
• 3. Разработка и расчёт принципиальной схемы
• 4. Анализ спроектированного устройства на ЭВМ
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном и интегральном исполнении.
• Несмотря на все, более расширяющееся использование машинных методов схемотехнического проектирования современной электронной аппаратуры, в повседневной практике разработчикам электронных схем приходится вначале решать задачи приближенного расчета типовых узлов и устройств, а затем уточнять результаты расчета на ЭВМ или экспериментальным путем.

В данном курсовом проекте расчет усилителя низкой частоты также вначале будет, производится без применения программного обеспечения, а затем схема моделируется на ЭВМ с целью проверки принятых решений и уточнения полученных результатов Таким образом, целью данного курсового проектирования является приобретение практических навыков конструирования электронных схем и опыта моделирования электронных схем на ЭВМ на примере разработки схемы усилителя низкой частоты с заданными в техническом задании параметрами.

1. Анализ технического задания В двухкаскадном усилителе низкой частоты качестве первого входного каскада выбран инвертирующий усилитель на интегральном операционном усилителе. Данный каскад может обеспечить усиление до 60 и более децибел, в зависимости от типа применяемой микросхемы. К тому же инвертирующий каскад на ОУ позволяет изменять входное сопротивление всего усилителя в широком диапазоне Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: «Высшая школа», 2001. — 617 с.

Второй каскад обеспечивает усиление сигнала по мощности и установлен на выходе УНЧ. Так как мощность выходного сигнала значительно превышает 50 мВт, то применение оконечного усилительного каскада класса, А нецелесообразно. Поэтому в качестве выходного выбран двухтактный бестрансформаторный усилительный каскад, работающий в режиме В. Данный режим обеспечивает каскаду хорошую экономичность благодаря высокому КПД. Отсутствие трансформатора обеспечивает низкие нелинейные искажения. Двухтактный бестрансформаторный каскад, должен быть выполнен на мощных транзисторах и обеспечивать необходимое усиление.

Исходные данные

2. Расчет структурной схемы

Анализируя данные технического задания, рассчитали мощность сигнала на входе УНЧ по формуле:

Принимаем входное сопротивление равное Rг.

Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя рассчитали по формуле:

Значение коэффициента усиления по мощности всего усилителя в децибелах рассчитали по формуле:

Благодаря хорошим усилительным возможностям входного и выходного каскадов нет необходимости в применении дополнительных промежуточных усилительных каскадов.

Для соединения входного и выходного каскадов применена RC-цепь связи.

Один из элементов цепи связи (чаще всего R) задают исходя из требований, не связанных с частотными искажениями, например для обеспечения требуемого входного сопротивления или допустимого падения напряжения вызванного входным током и т. д. Структурная схема усилителя низкой частоты представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема усилителя низкой частоты.

3. Разработка и расчёт принципиальной схемы

При расчете предполагается, что параметры транзисторов различных плеч одинаковы.

Величину напряжения источника питания проверили по формуле:

Максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов VT3 и VT4 определили по формуле:

Значение тока покоя определили, исходя из условия:

Рассчитали максимальную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов по формуле:

По полученным значениям Е_К, I_{Kmax расч}, P_{Kmax расч} и заданному в техническом задании f_в, из справочных материалов выбрать тип оконечных транзисторов VT3 и VT4 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ973 и КТ972:

Максимальное значение тока предоконечных транзисторов определим по формуле:

Где

Максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом каждого из предоконечных транзисторов, определили по формуле:

Где

По полученным значениям, , и заданному в техническом задании выбрать из справочных материалов тип предoконечных транзисторов VT1 и VT2 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ503Д и КТ502Д:

Емкость разделительного конденсатора С4 нашли по формуле:

Номинальное значение емкости разделительного конденсатора С4 выбрано равным 150 мкФ, в соответствии с рядом Е6. Значения сопротивлений резисторов R7 и R8 принимаем равными 100 Ом.

Частотные искажения каскада в области низких и высоких частот рассчитали по формулам:

Входной ток двухтактного бестрансформаторного каскада рассчитали по формуле:

Где

Ток делителя R4-R5-R6 определили из соотношения:

Значение сопротивления резистора R5 определили по формуле:

Где

Для обеспечения минимальных нелинейных искажений напряжения смещения на коллекторных переходах VT1 и VT2 должны быть равны, так как параметры h_21Э и I_КБ0 этих транзисторов одинаковы. То есть

Таким образом, напряжение смещения на коллекторном переходе любого из транзисторов VT1 или VT2 определили по формуле:

Напряжение на резисторе R5 нашли по формуле:

Сопротивления R4 и R6 рассчитали по формулам:

Номинальные значения сопротивлений R4 и R6 выбрали 47 кОм в соответствии с рядом Е24.

Емкость конденсатора С3 нашли по формуле:

В соответствии с рядом E6 конденсатор С3 взяли 1000нф.

Входное сопротивление двухтактного выходного каскада вычислили по формуле:

Значение сопротивления резистора R3 рассчитали по формуле:

где

Такое значение сопротивления R3 обусловлено необходимостью обеспечения требуемого входного сопротивления выходного двухтактного каскада, чтобы R₃||R_вх = R_н.min .

Значение емкости конденсатора С2 определили по формуле:

В соответствии с рядом E3 конденсатор С2 взяли 220 нФ.

Коэффициент передачи RC-цепи связи на нижней граничной частоте вычислили по формуле:

Таким образом, напряжение на входе RC-цепи определили выражением:

В качестве инвертирующего усилителя выбрать микросхему операционного усилителя КР 140УД7.

Для обеспечения согласования инвертирующего усилителя на ОУ и источника сигнала необходимо, чтобы сопротивление входа усилителя и источника сигнала были равны. Так как, то напряжение на входе усилителя определили по формуле:

Требуемый коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ рассчитать по формуле.

Значение сопротивления резистора R2 рассчитали по формуле:

В соответствии с рядом E24 Резистор R2 взяли 360 Ом.

4. Анализ спроектированного устройства на ЭВМ Анализ работы схемы производился при помощи программы Electronics Workbench Version 5.12. Схема проектируемого усилителя показана на рисунке 4.1. В ходе моделирования было видно, что амплитуда сигнала на выходе на граничных частотах отличается от расчетной величины, что связано с различным коэффициентом передачи на этих частотах. На рисунке 4.2. представлена осциллограмма работы усилителя. При работе УНЧ на частотах, близких к граничным, появляются нелинейные искажения: на нижней граничной частоте — искажения в виде «ступенек», на верхней — срез вершины синусоиды сигнала.

При изменении номиналов элементов, принятых в расчете, явных улучшений выходного сигнала не наблюдалось, поэтому изменения в схеме не производились.

Рисунок 4.1 Схема проектируемого усилителя.

Рисунок 4.2. Осциллограмма работы усилителя.

Заключение

Как показали расчеты и анализ работы смоделированной схемы на ЭВМ, спроектированный усилитель низкой частоты удовлетворяет требованиям технического задания.

Во время работы над данным курсовым проектом были получены дополнительные знания по аналоговой электронике, в частности по усилителям низкой частоты, а так же улучшены навыки работы с программой Workbench, моделирующей работу электрических цепей.

усилитель сигнал транзистор сопротивление

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: «Высшая школа», 2001. — 617 с.

2. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители. — М.: «Мир», 2009. — 356 с.

3. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник / Щербаков В. И., Грездов Г. И. — Киев.: «Технiка», 2003. — 206 с.

4. Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. — М.: Энергоиздат, 1982. — 124 с.

5. Гершунский Б. С. Справочник по расчету электронных схем — Киев.: «Вища школа», 1983 — 237 с.

6. Cправочник радиолюбителя-конструктора. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1984. — 560 с