МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА" ІНСТИТУТ КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОМАТИКИ ТА МЕТРОЛОГІЇ КАФЕДРА ”ЗАХИСТ ІНФОРМАЦІЇ”
Курсовий проект з курсу: " Електроніка та мікросхемотехніка " на тему: "ПІДСИЛЮВАЧ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ" Перевірив: Львів – 2011р. Зміст Технічне завдання………………………………………………………….. 3 Вступ………………………………………………………………………… 4 Ескізний розрахунок структурної схеми………………………………….. 6 Електричний розрахунок принципової схеми……………………………. 8 4.1. Розрахунок двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності…………………………………………………… 9 4.2. Розрахунок вхідних каскадів на операційному підсилювачі………... 11 Принципова схема підсилювача низької частоти………………………… 13 Перелік розрахованих елементів…………………………………………... 14 Моделювання роботи схеми в програмі Microcap………………………... 15 Висновок…………………………………………………………………….. 17 Список використаної літератури…………………………………………... 18 Технічне завдання Розрахувати підсилювач низької частоти, який би відповідав наступним вимогам: Потужність на навантаженні
=8 Вт; Опір навантаження
=10 Ом; Коефіцієнт гармонік
=4 %; Нижня гранична частота
=40 Гц; Верхня гранична частота
=10 кГц; Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті
=3 дБ; Допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті
=3 дБ; Напруга вхідного сигналу
=6 мВ; Опір джерела сигналу
=40 кОм; Діапазон регулювання вихідної потужності
=20 дБ; Температура навколишнього середовища
=+10 ÷ +40; Вступ Підсилювач потужності звукової частоти (ППЗЧ) є невід'ємною частиною будь-якого звуковідтворювального пристрою - чи то приймач, телевізор, музичний центр та ін. У даній статті ППЗЧ розглядається як елемент компонентної апаратури, призначений для використання в апаратурі домашнього комплексу високоякісного відтворення. Всі підсилювачі потужності звукової частоти призначені для вирішення однієї задачі – підвищити рівень електричних сигналів, що поступають на них, до величини, що забезпечує нормальну роботу гучномовців. Джерела сигналів для ППЗЧ - програвачі грамплатівок і компакт-дисків, магнітофонні деки, тюнери, а в ряді випадків і мікрофони, телевізори, відеокамери, мікшерні пульти та ін. Основним з параметрів підсилювачів є по перше коефіцієнт підсилення потужності – відношеня потужності сигналу на виході підсилювача до потужності вхідного сигнала. Досить часто для зручності коефіцієнт підсилення за потужністю виражають у децибелах(логарифмічних одиницях). Вхідний опір – опір входу підсилювача для змінного струму. Зазвичай нормують активну складову вхідного опору та вхідну ємність. Вихідний опір – опір виходу підсилювача для змінного струму. Чим менший вихідний опір підсилювача, тим краще його АЧХ за звуковим тиском. Амплітудна характеристика підсилювача – залежність амплітуди вхідної напруги сигналу від амплітуди напруги сигналу на вході. Нелінійні спотворення обумовлені не лінійністю ВАХ транзисторів. Ці спотворення проявляються у вигляді нових компонентів спектру частот, відсутніх у вхідному сигналі. Чим більший порядок не лінійності підсилювача, тим більше комбінаційних складових з’являється на його виході. Спотворення, пов’язані з появою на виході підсилювача комбінаційних компонентів називають інтермодуляційними. Рівень нелінійних спотворень оцінюють коефіцієнтами гармонік та інтермодуляційних спотворень. Коефіцієнти гармонік – відношення середньої . квадратичної суми вищих гармонік до середньої квадратичної сумі всіх гармонік сигналу. Коефіцієнти гармонік та інтермодуляційних спотворень взаємопов’язані. При не лінійності малого порядку (другого-третього) вони мають близькі значення. Суб’єктивне сприйняття нелінійних спотворень при звуковідтворенні залежить в основному від відносних амплітуд комбінаційних компонентів. Чимале значення мають споживчі властивості підсилювача - число регуляторів та їх розташування, наявність вимикача тонкомпенсації (дуже зручною для підйому низьких частот при малих рівнях гучності відтворення), число пар вхідних і вихідних гнізд для підключення різної радіоапаратури, система перемикань джерел сигналу, наявність елементів індикації режимів роботи, дизайн, габарити. А ось число гнізд для підключення джерел сигналу і навантаження і спосіб їх перемикання дуже важливі для підсилювача. Це показник універсальності його використання разом з іншою апаратурою звуковідтворення. У сучасних підсилювачах число вхідних гнізд від чотирьох до семи. Найчастіше передбачають гнізда для підключення тюнера, двох магнітофонних дек, програвача компакт-дисків, електропрогравачів грамплатівок. Підключення зовнішнього мікрофона можливо не у всіх підсилювачах. У більш дорогих конструкціях вводять вхідні гнізда для підключення пристроїв попередньої обробки сигналів (наприклад, еквалайзера). Вихідні гнізда для підключення навантаження (гучномовців) є в більшості підсилювачів. Їх усього чотири - по два для кожного каналу, щоб для створення ефекту просторового звучання була можливість підключення фронтальних і тилових гучномовців. Перемикачі входів і виходів у менш дорогих виробах механічні перемикачі, у більш дорогих – кнопкові псевдосенсорні, м'які. У поєднанні з елементами індикації у вигляді світлодіодів в моделях підсилювачів нижчої та середньої цінової категорії та інформаційних табло в дорогих моделях - це забезпечує приємний діалог з апаратом. Більшість моделей вже мають дистанційне керування і комплектуються універсальними пультами, з яких можна управляти не тільки самим підсилювачем, але й іншими компонентами звукопідсилювальної установки (слід зауважити, однієї фірми). 3. Ескізний розрахунок структурної схеми Визначаємо напругу на навантаженні:

В Розраховуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою:
Розрахунок напруги живлення вихідного каскаду.
В Вибираємо стандартне значення
В. При проектуванні схеми будемо орієнтуватися на використання операційних підсилювачів широкого вжитку типу К140УД6А з наступними основними параметрами: ЕЖ = ( 15 В; RH = 1 кОм; UH = 12 В; ( = 2 В/мкс; К0 = 50000; FТ = FГР= 1 МГц. Визначаємо максимальний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача за напругою, який можна отримати на верхній граничній частоті:
Попередній підсилювач низької частоти може бути повністю виконаний на операційних підсилювачах. якщо виконуються дві умови:
, де RНОП – допустиме навантаження операційного підсилювача, та
, де UНОП – допустима напруга вихідного сигналу операційного підсилювача. Згідно з даними твердженнями перша умова
не виконується, оскільки
Ом,
кОм. Тому на виході схеми використовується двотактний емітерний повторювач на транзисторах різного типу провідності. Друга умова UH < UHOП виконується, оскільки UH = 8,9443 В, UHOП = 12 В. Визначаємо кількість каскадів на операційному підсилювачі, необхідних для забезпечення заданого коефіцієнта підсилення К = 1490,7:
отже необхідно використати два каскади на операційних підсилювачах.
 Рис. Структурна схема підсилювача низької частоти. Для забезпечення необхідної амплітуди струму на навантаженні в якості вихідного каскаду вибираю схему двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності. Розподіляю частотні спотворення в ділянці нижніх частот між каскадами наступним чином: МН1ДБ = 1 дБ; МН2ДБ = 2 дБ, тобто МНДБ = 3 дБ. 4.1. Розрахунок двотактного емітерного повторювача на комплементарних транзисторах. Розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи вихідного емітерного повторювача. IH = UH/RH = 8,9443 / 10 = 894 мА. IК0 = (0,05...0,15) IH = (0,05...0,15) 894·10-3 = (44,7...134,2) мА. Вибираємо IК0 = 90 мА. Для вихідного каскаду вибираємо транзистори VT4 типу КТ375Б_ та VT5 типу КТ375Б з наступними ідентичними параметрами: UКД = 30 В; IКД = 100 мА; РКД = 0,4 Вт; h21Е = 50...280; CК = 1000 пФ; ( = 1,2; FT = 250 МГц; I0K = 1 мА. Розраховуємо максимальний струм бази транзистора VT4:
мА. Розрахунок проводимо при використанні транзисторів із середньостатистичними параметрами:
. Оскільки IД04 = IК03, то
мА. Вибираємо IД04 = IК03 = 20 мА. Розраховуємо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача:
кОм.
Ом.
Ом. RВХ4 = h11E4 =2,39 кОм. Розраховуємо частотні спотворення вихідного емітерного повторювача на верхній граничній частоті:
кГц.
кОм.
пФ.
Коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою:
. Необхідна амплітуда вхідного сигналу вихідного каскаду:
В. Вихідний опір вихідного каскаду:
Ом. Розраховуємо номінальне значення ємності розділювального конденсатора на виході:
мкФ. Вибираємо С9 = 150 мкФ. Розраховуємо потужність розсіювання на колекторі одного транзистора:
мВт. Оскільки РК4 = 59,4 мВт < РКД = 400 мВт, то вибрані транзистори можуть використовуватися в даній схемі. Розраховуємо потужність, яка споживається від джерела живлення:
мВт. Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням:
МГц,
Ом,
пФ.
; Для вибору початкового режиму роботи транзисторів вихідного каскаду використовуємо резистори R12 = 1000 Ом; R13 = 3600 Ом; R14 = 18 Ом; R15 = 18 Ом. Визначаю потужність, яка розсіюється на резисторах:
мкВт
мВт
мкВт 4.2. Розрахунок вхідних каскадів на операційному підсилювачі. Коефіцієнт підсилення за напругою вихідного каскаду на транзисторах становить:
Значення опору резисторів, які з’єднують неінвертуючий вхід операційного підсилювача з загальною шиною вибираємо з умови:
МOм. Вибираємо R2 = R6 = 0,43 МOм. З метою забезпечення мінімального дрейфу вихідного сигналу: R4 = R8 = R2 = 0,43МOм. Резистори R1 та R5 захищають входи операційних підсилювачів від перевантаження в момент ввімкнення схеми. У відповідності з рекомендаціями по використанню операційних підсилювачів опори цих резисторів вибирають в межах 2...20 кОм. Вибираємо R1 = R5 = 10 кОм. Загальний коефіцієнт підсилення за напругою одного каскаду на операційному підсилювачі з урахуванням дії місцевого від’ємного зв’язку визначається так:
. З цієї рівності визначаємо значення опору резистора R3, який забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення каскаду:
кОм. Вибираємо R3 = R7 = 10 кОм. Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між розділювальними та блокувальними конденсаторами. Частотні спотворення для конденсаторів С6 та С8 враховані при розрахунку МНС6 = МНС8ДБ = 0,5 дБ. Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті становлять МНДБ = 3 дБ. Залишок допустимих частотних спотворень розподіляємо між конденсаторами С1, С2, С3 та С4:
дБ,
. Розраховуємо номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів:
мкФ Вибираємо С1 = 0,024 мкФ.
мкФ. Вибираємо С2 = С4 =1,1мкФ.
мкФ. Вибираємо С3 = 0,027 мкФ Необхідно відмітити, що живлення вихідного каскаду здійснюється від двох джерел з напругою +11 В та –11 В, а живлення операційних підсилювачів забезпечується двома джерелами з напругою +15В та –15 В. При відомій граничній частоті підсилення FB та амплітуді вихідного сигналу операційного підсилювача UH3 визначаємо, яку швидкість наростання повинен мати використовуваний операційний підсилювач:
В/мкс. Вибраний операційний підсилювач має швидкість наростання вихідного сигналу ( = 2В/мкс, яка є більшою від розрахованої, тому його можна використовувати в проектованій схемі. 6. Перелік розрахованих елементів. Позначення Найменування К-сть Примітка   Конденсатори    C1 К50 –35 – 16В – 0,024 мкФ 1   C2 К50 – 16 – 25В – 1,1 мкФ 1   C3 К10 – 17 – Н30 – 0,027 мкФ ± 20% 1   C4 К10 – 23 – М1500 – 1,1 мкФ±10% 1   C5 К50 –35 – 16В – 800 мкФ 1   C6 К50 – 16 – 25В – 100 нФ 1         Резистори    Rdzh C2-23-0,25-8,25 кОм ± 5 % 1   R1 C2-23-0,25-10 кОм ± 5 % 1   R2 C2–23–0,25 – 10 кОм ± 5% 1   R3 C2–23–0,25 – 430кОм ± 5% 1   R4 CП3–38–0,25 – 430 кОм ± 20% 1   R5 C2– 23–2 – 10 кОм ± 5% 1   R6 C2– 23–2 – 430 кОм ± 5% 1   R7 C2-23-0,25-10 кОм ± 10 % 1   R8 C2-23-0,25-430 кОм ± 5 % 1   R12 C2-23-0,25-1 кОм ± 5 % 1   R13 СП5–16ТА–0,25 – 3,6 кОм ± 20% 1   R14 C2-23-0,25-18 Ом ± 5 % 1   R15 C2-23-0,25-18 Ом ± 5 % 1         Мікросхеми    DA1, DA2 К140УД6А 2         Транзистори    VT4 КТ375Б_ 1   VT5 КТ375Б 1    7. Моделювання роботи схеми в програмі Microcap.
Рис. Принципова схема підсилювача в програмі Microcap.
Рис. Частотний аналіз роботи підсилювача в програмі Microcup. 8. Висновок. В даній роботі був розрахований підсилювач низької частоти, який складається з двох каскадів на операційних підсилювачах, та вихідного каскаду – емітерного повторювача. Каскади були спроектовані з урахуванням частотних спотворень для забезпечення відповідного рівня сигналу на виході. Робота даного підсилювача була змодельована в програмі Microcap 9.0 із визначенням частотних характеристик та аналізу перехідних процесів, в результаті чого ми пересвідчилися у забезпеченні необхідного рівня підсилення підсилювача.