Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Підсилювач низької частоти
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра радіотехніки
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Радіоелектроніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Радіофізичний факультет
Кафедра радіотехніки
«Підсилювач низької частоти»
Курсова робота з радіоелектроніки
студента ІІІ курсу
Науковий керівник
Лушкін Олександр Ігорович
Київ 2012
Мета роботи:
Розробити підсилювач низьких частот із наступними параметрами:
Вхідна напруга
Вихідна напруга
Вступ:
Характерною особливістю сучасних електронних підсилювачів є виняткове різноманіття схем, по яким вони можуть бути побудованими.
Підсилювачі відрізняються по характеру підсилювальних сигналів: підсилювачі гармонічних сигналів, імпульсні підсилювачі і т. д. Також вони відрізняються по призначенню, числу каскадів, роду електроживлення та іншим показникам.
Однак одним із найбільш вагомих класифікаційних ознак є діапазон частот електричних сигналів, в межах якого даний підсилювач може задовільно працювати. По цій ознаці розрізняють наступні основні типи підсилювачів:
Підсилювачі низької частоти, призначені для підсилення неперервних електричних сигналів, частотний діапазон яких лежить в межах від десятків герц до десятків кілогерц. Характерною особливістю ПНЧ є те, що відношення верхньої підсилювальної частоти до нижньої велике і зазвичай становить не менше кількох десятків.
Підсилювачі постійного струму – що підсилюють електричні сигнали в діапазоні від нуля до найвищої робочої частоти. Вони дозволяють підсилювати як змінні складові сигналу, так і його постійну складову.
Вибіркові підсилювачі – що підсилюють сигнали в дуже вузькій смузі частот. Для них характерна невелика величина відношення верхньої частоти до нижньої. Ці підсилювачі можуть використовуватися як на низьких, так і на високих частотах і виступають в якості своєрідних частотних фільтрів, що дозволяють виділити заданий діапазон частот електричних коливань. Вузька смуга частотного діапазону в багатьох випадках забезпечується застосуванням в якості навантаження таких підсилювачів коливального контуру. В зв’язку з цим вибіркові підсилювачі частот називають резонансними.
Широкосмугові підсилювачі - що підсилюють дуже широку смугу частот. Ці підсилювачі призначені для підсилення сигналів в пристроях імпульсного зв’язку, радіолокації і телебачення. Часто широкосмугові підсилювачі називають відео підсилювачами. Крім свого основного призначення, ці підсилювачі використовуються в пристроях автоматики і обчислювальної техніки.
Аналітичний огляд:
Сучасні підсилювачі низької частоти реалізуються переважно на біполярних і польових транзисторах в дискретному або інтегральному вигляді, при чому підсилювачі в мікровиконанні відрізняються від своїх дискретних аналогів, основним чином, конструктивно-технічними характеристиками.
В якості джерела вхідного сигналу в підсилювачах низької частоти можуть входити мікрофон, звукознімач, попередній підсилювач. Більшість із джерел вхідного сигналу розвивають дуже низьку напругу. Подавати його безпосередньо на каскад підсилювача потужності не має змісту, оскільки при слабкій керуючій напрузі неможливо отримати значні зміни вихідного струму, і відповідно, вихідної потужності. Тому в склад структурної схеми підсилювача, крім вихідного каскаду, що видає необхідну потужність, входять і каскади попереднього підсилення.
Ці каскади прийнято класифікувати по характеру опору навантаження у вихідному колі транзистора. Найбільше застосування отримали резистивні підсилювальні каскади, опором навантаження яких служить резистор. В якості навантаження транзистора може бути використаний і трансформатор. Такі каскади називають трансформаторними. Однак в наслідок великої вартості, значних розмірів і маси трансформатора, а також через нерівномірність амплітудно-частотних характеристик трансформаторні каскади попереднього підсилення використовуються вельми рідко.
В каскадах попереднього підсилення на біполярних транзисторах частіше за інші використовується схема з спільним емітером, яка володіє високим коефіцієнтом підсилення за напругою і потужністю, відносно великим вхідним опором і допускає використання одного спільного джерела живлення для кіл емітера і колектора.
Найпростіша схема резистивного підсилювального каскаду з спільним емітером і живленням від одного джерела показана на рис.1.
Рисунок 1
Дана схема отримала назву схеми із фіксованим базовим струмом. Зміщення фіксованим струмом бази відрізняється мінімальним числом деталей і малим використанням струму від джерела живлення. Крім того, порівняно великий опір резистора Rб практично не впливає на величину вхідного опору каскаду. Однак цей спосіб зміщення придатний лише тоді, коли каскад працює при малих коливаннях температури транзистора. Крім цього, великий розкид і нестабільність параметрів ( навіть у однотипних транзисторів роблять режим роботи каскаду нестійким при зміні транзистора, а також із плином часу.
Більш ефективною є схема з фіксованою напругою зміщення на базі, представлена на рис.2.
В цій схемі резистори і що підключені паралельно до джерела живлення Ек складають подільник напруг. Дільник, що утворений резисторами и повинен володіти достатньо великим опором, інакше вхідний опір каскаду виявиться малим.
При будуванні схем транзисторних підсилювачів доводиться приймати міри для стабілізації положення робочої точки на характеристиках. Основний дестабілізуючий фактор – вплив температури. Існують різноманітні способи термостабілізації режиму роботи транзисторних каскадів. Найбільш розповсюджені з них реалізуються за допомогою схем, показаних на рис. 3-5.
Рисунок 2
Рисунок 3 - з терморезистором
Рисунок 4 - з діодом
Рисунок 5 - з ланкою емітерної стабілізації RеС
В схемі на рис. 3 терморезистор з від'ємним температурним коефіцієнтом опору включено в базову ланку таким чином, що при підвищенні температури відбувається зменшення негативної напруги на базі за рахунок зменшення опору терморезистора. При цьому відбувається зменшення струму бази, і відповідно, струму колектора.
Одна із можливих схем термостабілізації з допомогою напівпровідникового діода показана на рис. 4. В цій схемі діод включено в зворотному напрямку, а температурна характеристика зворотного струму діода повинна бути аналогічною температурній характеристиці зворотного струму колектора транзистора. При зміні транзистора стабільність погіршується через розкид величини зворотного струму колектора.
Найбільше розповсюдження отримала схема термостабілізації режиму, аоказана на рис. 5. В цій схемі назустріч фіксованій прямій напрузі зміщення, що знімається з резистора включена напруга, що виникає на резисторі Rе при проходженні через нього струму емітера. Нехай, наприклад, при збільшенні температури постійна складова колекторного струму зростає. Збільшення струму колектора приведе до збільшення струму емітера і падіння напруги на резисторі Rе. В результаті напруга між емітером і базою зменшиться, що приведе до зменшення струму бази, і відповідно, струму колектора. В більшості випадків резистор Rе шунтується конденсатором великої ємності. Це робиться для відводу змінної складової струму емітера від резистора Rе.
Складання структурної схеми підсилювача:
Структурная схема представлена на рис 6.
Рисунок 6
ВхК - вхідний каскад
КП 1 - перший каскад попереднього підсилення
КП 2 - другий каскад попереднього підсилення
КП 3 - третій каскад попереднього підсилення
ВихК - вихідний каскад
Вхідний каскад ставиться на вході підсилювача для збільшення вхідного опору підсилювача.
Більшість джерел вхідного сигналу розвивають дуже низьку напругу Ег = 10 мВ. Подавати його безпосередньо на каскад підсилення потужності не має смислу, так як при слабкій керуючій напрузі неможливо отримати значні зміни вихідного струму.
Розрахуємо максимальну напругу в навантаження по формулі:
В (1)
Знайдемо максимальний струм, що проходить через навантаження:
(2)
Розрахуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача за формулою:
(3)
Знайдемо орієнтовну кількість каскадів попереднього підсилення за наступною формулою:
(4)
Отриману за формулою (4) кількість каскадів округляють до найближчого цілого непарного числа (в більшу сторону), так як схема з СЕ дає зсув фази на 180(
n = 3
Вихідний каскад ставиться на виході підсилювача і забезпечує підсилення потужності корисного сигналу в навантаження.
Розробка принципіальної електричної схеми підсилювача:
Схемна реалізація вхідного сигналу представлена на рис. 7.
Рисунок 7
Це схема диференціального каскаду. Я вирішив обрати диференціальний каскад із наступних причин:
диференціальний каскад забезпечує підвищену температурну стабільність попереднього підсилення
до диференціального каскаду легше підключити зворотний зв'язок
у диференціального каскаду порівняно великий вхідний опір.
Схемна реалізація каскаду попереднього підсилення представлена на рис. 8. це схема підсилювача на біполярному транзисторі включеному за схемою із спільним емітером. Я обрав цю схему оскільки у неї порівняно великі коефіцієнти підсилення по напрузі та по струму, а також великий вхідний опір. Недолік цієї схеми – зсув фаз між вхідним і вихідним сигналом, що дорівнює 180(.
Схемна реалізація вихідного каскаду представлена на рис. 9.
Рисунок 8
Рисунок 9
Це схема двотактного підсилювача потужності, що працює в режимі В. Двотактний підсилювач потужності володіє більш низьким коефіцієнтом нелінійних спотворень, чим однотактний підсилювач потужності. Також важливою перевагою двотактної схеми є її мала чутливість до пульсацій напруги живлення. Недоліком даної схеми є трудність підбору однакових транзисторів.
Електрична принципіальна схема представлена на рис. 10.
Рисунок 10
Електричний розрахунок:
Розрахуємо максимальну напругу на навантаженні за формулою:
В (5)
Знайдемо максимальний струм, що проходить крізь навантаження:
(6)
Розрахуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача за формулою:
(7)
Знайдемо приблизне число каскадів попереднього підсилення за наступною формулою:
(8)
Отриману за формулою (8) кількість каскадів округлюють до найближчого цілого непарного числа (в більшу сторону), так як схема з СЕ дає зсув фаз 180(
n = 3
Розрахуємо напругу живлення підсилювача за формулою:
(9)
де - падіння напруги на переході колектор-емітер вихідного транзистора в режимі насичення, В;
- падіння напруги на резисторі, встановленому в емітерному колі вихідного каскаду, В;
Для більшості потужних транзисторів = 0,5..2 В. Попередньо можна прийняти = 1 В. Задамося падінням напруги на резисторі, встановленому в емітерному колі: = 1 В
Підставимо розраховані напруги в формулу (9) і знайдемо напругу живлення підсилювача:
= 32,98 В
Отриману величину округлимо до найближчого числа, а потім приймемо із стандартного ряду:
= 35 В
Знаючи напругу живлення підсилювача і максимальний струм, що протікає крізь навантаження, виберемо транзистори для вихідного каскаду за наступними умовами:
Ikmax ( Iнmax + Ikп
Uкэmax ( 2( Ek
З довідкової літератури [5] виберемо наступні транзистори:
VT8 KT827B
VT9 KT825B
З наступними параметрами:
Uкэmax8 = 100 В Ikmax8 = 20 А = 3 В
Характеристики транзистора представлені на рис. 15, 16
З рис. 15 знайдемо напругу на переході база-емітер:
Розрахуємо опори резисторів R10 и R11 за формулою:
Ом (10)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
0,062 Ом
По рис. 16 знайдемо струм колектора спокою, а також статичний коефіцієнт передачі струму транзистора VT8:
Ikп8 = 4 А h21Э8 = 39000
Розрахуємо потужність, що розсіюється на резисторі:
(11)
Знайдемо струм бази спокою транзисторів вихідного каскаду:
(12)
Знайдемо максимальний струм бази транзисторів вихідного каскаду:
(13)
Знайдемо орієнтувальний максимальний струм колектора VT5:
Ikmax5 = 10(IБmax8 = 10(513(10-6 = 5.13 mA (14)
Знаючи максимальний струм бази транзистора VT8 і напругу живлення, виберемо транзистори для реалізації захисту по струму:
Ikmax ( Iбmax8
Uкэmax ( 2( Ek
З довідкової літератури [5] виберемо наступні транзистори:
VT6 KT215В - 1
VT7 KT214В - 1
З наступними параметрами:
Uкэmax7 = 80 В Ikmax7 = 40 мА
Характеристики транзистора представлені на рис. 17,18,19,20
Розрахуємо максимальний струм колектора VT8:
(15)
Візьмемо значення опору резистора рівним 0,036 Ом
Розрахуємо мінімальне падіння напруги на резисторі :
(16)
Розрахуємо максимальне падіння напруги на резисторі :
(17)
Знаючи максимальний струм колектора і напругу живлення, вибираємо транзистор VT5 по наступним аритеріям:
Ikmax ( Iкmax5
Uкэmax ( 2( Ek
VT5 КТ214В - 1
Характеристики транзистора представлені на рис. 17, 18 Із графіка залежності h21Е (IЕ) знайдемо мінімальний струм колектора VT5:
Розрахуємо струм колектора спокою VT5 за формулою:
(18)
З рис. 18 знайдемо статичний коефіцієнт передачі струму для струму емітера, що дорівнює 20,513 мА.
Знайдемо струм бази спокою для VT5 за формулою:
(19)
З рис. 17 знайдемо напругу база – емітер:
Розрахуємо максимальний струм колектора транзистора VT5:
(20)
Розрахуємо резистор за формулою:
(21)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Розрахуємо максимальний струм бази транзистора VT5:
(22)
Знайдемо орієнтувальний струм колектора спокою для транзистора VT4 за формулою:
(23)
Розрахуємо орієнтувальний максимальний струм колектора для транзистора VT4 за формулою:
(24)
Знаючи максимальний струм колектора і напругу живлення, вибираємо трансформатора VT4 виходячи з наступних умов:
Ikmax ( Iкmax4
Uкэmax ( 2( Ek
VT4 КТ 215В – 1
Характеристики представлені на рис. 19, 20
З рис. 20 знайдемо мінімальний струм колектора транзистора VT4:
Знайдемо струм колектора спокою для транзистора VT4:
(25)
По рис. 20 знайдемо статичний коефіцієнт передачі струму:
Знайдемо струм бази спокою для транзистора VT4 за формулою:
(26)
З рис. 19 знайдемо струм бази – емітер для
Розрахуємо максимальний струм бази транзистора VT4:
(27)
Знайдемо значення резистора за формулою:
(28)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Знайдемо орієнтувальний струм колектора спокою транзистора VT3
(29)
Розрахуємо орієнтувальний струм колектора транзистора VT3:
(30)
Знаючи максимальний струм колектора і напругу живлення оберемо
транзистор VT3 по наступним критеріям:
Ikmax ( Iкmax3
Uкэmax ( 2( Ek
VT3 КТ 214В - 1
Характеристики транзистора представлені на рис. 17, 18
З графіка залежності () знайдемо мінімальний струм колектора:
Розрахуємо струм колектора спокою транзистора VT3:
(31)
По рис. 18 знайдемо статичний коефіцієнт передачі струму:
Знайдемо струм бази спокою транзистора VT3:
(32)
Розрахуємо максимальний струм бази транзистора VT3:
(33)
З рис.17 знайдемо напругу база – емітер:
Знайдемо опір за формулою:
(34)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Розрахуємо значення резистора за формулою:
(35)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Знайдемо орієнтувальний струм колектора спокою транзисторів VT1 і VT2 за формулою:
(36)
Розрахуємо орієнтувальний максимальний струм колектора транзисторівVT1 і VT2 за наступною формулою:
(37)
Знаючи максимальний струм колектора і напругу живлення оберемо транзистори VT1 і VT2 за наступними критеріями:
Ikmax ( Iкmax1
Uкэmax ( 2( Ek
VT1,VT2 ( КТ 602 Б
Характеристики транзисторів наведені на рис. 21, 22, 23
По рис. 22 знайдемо мінімальний струм колектора:
Розрахуємо струм колектора спокою транзисторів VT1 и VT2:
(38)
З рис. 22 знайдемо статичний коефіцієнт передачі струму:
Знайдемо струм бази спокою для транзистора VT1:
(39)
Розрахуємо максимальний струм бази для транзистора VT1:
(40)
Знайдемо струм, що протікає через резистор :
(41)
З рис. 23 знайдемо напругу колектор – емітер:
Знайдемо значення резистора за формулою:
(42)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
За довідковою літературою [5] знайдемо вхідний опір транзисторів:
З схеми заміщення рис. 11 знайдемо вхідний опір підсилювача:
(43)
Знайдемо максимальне відхилення температури від середнього значення:
(44)
Рисунок 11
Знайдемо зміну напруги база – емітер для транзистора VT2 із зміною температури. Знаючи, що при зміні температури на напруга змінюється на 2.3мВ. Відповідно:
(45)
Зміна напруги колектор – емітер рівна 0.7В
Знайдемо коефіцієнт зворотного зв’язку за постійним струмом:
(46)
Знайдемо значення опору резистора :
(47)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Знайдемо коефіцієнт підсилення по струму підсилювача за допомогою схеми заміщення, представленої на рис. 11
(48)
По схемі заміщення знайдемо коефіцієнт розгалуження:
Знайдемо коефіцієнт підсилення за напругою:
(55)
Розрахуємо коефіцієнт підсилення за напругою підсилювача із зворотним зв’язком:
(56)
- коефіцієнт зворотного зв'язку за змінним струмом становить:
(57)
Знайдемо значення опору резистора :
(58)
Приведемо розрахований опір до ряду Е24:
Розіб’ємо даний нам коефіцієнт частотних спотворень на 2 частини:
(59)
Мнвх=104/20
Мнос=104/20
Мв=106/20
Розрахуємо ємність конденсатора С1 за формулою:
(60)
Розрахуємо ємність конденсатора С2 за формулою:
(61)
Розрахуємо ємність конденсатора С3 за формулою:
(62)
Знайдемо коефіцієнт петльового підсилення за змінним струмом:
(63)
Схема, змодельована за допомогою Multisim:
Рисунок
Аналіз спроектованого підсилювача:
Амплітудно-частотна характеристика:
Фазочастотна характеристика:
Коефіцієнт нелінійних спотворень обрахуємо за допомогою Фур’є аналізу:
Висновки:
Спроектований підсилювач працює на двополярному живленні В, має смугу пропускання від 6 Гц до 28.471 кГц, а також коефіцієнт нелінійних спотворень , великі коефіцієнти підсилення по струму: та по напрузі: .
Недоліком спроектованого підсилювача є підбір елементів, так як дуже тяжко підібрати однакові транзистори. Також недоліком даного підсилювача є порівняно велика кількість елементів, що приводить до труднощів при настройці схеми підсилювача.
Список використаної літератури:
Левитський С.М. Основи радіоелектроніки: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, ВПЦ «Київський університет», 2007
Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 325 с.
Расчет электронных схем. Примеры и задачи. /Г.И. Изъюрова М.: Высш. шк., 1987. – 325 с.; ил.
Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.; Радио и связь, 1988 – 199 с: ил.
Кибакин В.М. Основы теории и разработки транзисторных низкочастотных усилителей мощности. – М.: Радио и связь, 1988. – 240 с.
Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд., перераб. К.: Техника, 1980. – 464 с.;ил.
Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности./А.А. Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. – М.: Радио и связь, КубК-а 1994. – 384с.;ил.
Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности./А.А. Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. – М.: Радио и связь, КубК-а 1994. – 384с.;ил.
Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу « Аналоговая схемотехника».Бизянов Е.Е. – Алчевск, ДГМИ 1999.- 35с.
05.02.2013 19:02-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора