Міністерство освіти і науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Кафедра РЕПС
/
Пояснювальна записка
до курсової роботи
з дисципліни «Аналогові електроні пристрої»
на тему: «Проектування підсилювача низької частоти»
Варіант №12
Зміст
Вступ……………………………………………………………………………….3
Техніче завдання…………………………………………………………………..4
1 Проектування структурної схеми багато каскадного підсилювача низьких частот.………………………………………………………………………..…….5
2 Проектування принципової схеми багато каскадного підсилювача низьких частот………………………………………………………………………………7
2.1 Проектування принципової схеми вихідного каскаду – двотактного емітерного повторювача………………………………………………………….7
2.2 Проектування принципової схеми 2-го проміжного каскаду - схеми із спільним емітером………………………..…………………………………...12
2.3 Проектування принципової схеми 1-го проміжного каскаду - схеми із спільним емітером…………………...………………………………………..21
2.4 Проектування принципової схеми вхідного каскаду – схеми із спільним колектором……………….……………………………………………28
2.5 Проектування повної принципової схеми багато каскадного підсилювача низьких час..………………………………………………………33
2.6 Розрахунок нестабільності робочої точки…………………………..36
Висновок………………………………………….………………………………39
Список використаної літератури………………………………………………..40
Додатки…………………………………………………………………………...41
Додаток А. Специфікація транзистора BD809 та BD810…………………......42
Додаток Б. Специфікація транзистора BС547с.……………………………….45
Додаток В. Креслення повної принципової схеми багато каскадного підсилювача низьких частот…………………………………….………………50
Вступ
Підсилювачем називають пристрій, який призначений для підвищення потужності електричних коливань вхідного сигналу.
Керуюче джерело електричної енергії, від якого підсилюванні сигнали надходять на підсилювач, називається джерелом сигналу (ДС). Пристрій, який споживає підсилювальні сигнали, називається навантаженням (Н).
Джерело енергії, яка перетворюється підсилювачем в енергію підсилювальних сигналів, називається джерелом живлення (ДЖ) підсилювача.
Підсилювач низької частоти(ПНЧ) ( прилад для підсилення електричних коливань, що відповідає діапазону чутих людиною акустичних коливань до необхідного рівня . До таких підсилювачів пред'являється вимога підсилення в діапазоні частот від 20 до 20 000 Гц за рівнем -3 дБ, кращі зразки ПНЧ мають діапазон від 0 Гц до 200 кГц, найпростіші ПНЧ мають більш вузький діапазон відтворюваних частот. ПНЧ найбільш широко застосовуються для підсилення сигналів, що несуть звукову інформацію, в цих випадках вони називаються, також, підсилювачами звукової частоти.
ПНЧ найбільш широко застосовуються для підсилення сигналів, що несуть звукову інформацію, в цих випадках вони називаються, також, підсилювачами звукової частоти, крім цього ПНЧ використовуються для підсилення інформаційного сигналу в різних сферах: вимірювальній техніці і дефектоскопії; автоматики, телемеханіки та аналогової обчислювальної техніки ; в інших галузях електроніки. ПНЧ зазвичай складається з попереднього підсилювача і підсилювача потужності . Попередній підсилювач призначений для підвищення потужності і напруги та доведення їх до величин, потрібних для роботи кінцевого підсилювача потужності, найчастіше включає в себе регулятори гучності, тембру або еквалайзер , іноді може бути конструктивно виконаний як окремий пристрій. Підсилювач потужності повинен віддавати в ланцюг навантаження (споживача) задану потужність електричних коливань.
Джерело живлення – джерело енергії, яка перетворюється підсилювачем в енергію підсилювальних сигналів.
Навантаження – пристрій, який споживає підсилювальні сигнали.
Основні параметри підсилювачів:
Коефіцієнт підсилення;
амплітудно-частотна характеристика;
коефіцієнт корисної дії;
відношення сигнал/шум;
номінальна потужність;
максимальна потужність;
вихідний опір.
Технічне завдання
Варіант №16
Розрахувати підсилювач низької частоти (ПНЧ) на дискретних елементах.
Вихідними даними для розрахунку підсилювача низької частоти є:
Амплітуда джерела сигналу Uдж =9 (мВ)
Амплітуда вихідної напруги Uн =11 (В)
Опір джерела сигналу Rдж = 210 (кОм)
Нижня робоча частота Fн = 45 (Гц)
Верхня робоча частота Fв = 100 (кГц)
Опір навантаження Rн = 62 (Ом)
Ємність навантаження Cн = 65 (пФ)
Діапазон зміни температури Δt = +10…+40̊C
Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті Mн дБ = 3 (дБ)
Допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті Mв дБ = 3 (дБ)
1 Проектування структурної схеми багато каскадного підсилювача низьких частот
Загальна структурна схема підсилювача низької частоти:
/
Рисунок 1.1 – Узагальнена структурна схема багато каскадного ПНЧ
1.2.1 Розраховуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача:
K
u
=
U
н
U
дж
(1.1)
K
u
=
11
210×
10
3
1222.22
Оскільки таке підсилення на одному каскаді забезпечити неможливо, тому обрахуємо кількість каскадів необхідну для забезпечення такого підсилення.
1.1.2 Розраховуємо необхідну кількість каскадів, щоб забезпечити необхідний коефіцієнт підсилення:
N=
log
K
u
log
50
(1.2)
N=
log
1222.2
log
50
=1.81
Отже кількість проміжних каскадів N обираємо рівним 2.
Намалюємо структурну схему підсилювача, яка складається з 2-ох проміжних каскадів, що забезпечує дане підсилення:
/
Рисунок 1.2 - Структурна схема ПНЧ із 2 проміжними каскадами
Розбиваємо частотні спотворення в ділянці НЧ між каскадами:
Таблиця 1.1
Каскади
Частотні спотворення в ділянці НЧ, дБ
Частотні спотворення в ділянці НЧ, раз
M
н дБ вих.к.
0.7
1.08
M
н дБ пк
0.6
1.02
M
н дБ 1пк
0.6
1.02
M
н дБ вх.к.
1.1
1.13
M
н Σ
3.0
1.35
2 Проектування принципової схеми багато каскадного підсилювача низьких частот
2.1 Проектування принципової схеми вихідного каскаду – двотактного емітерного повторювача
Вхідні дані:
амплітуда вихідної наруги
U
н
=11
В
нижня робоча частота
F
н
=45 (Гц)
верхня робоча частота
F
в
=100 (кГц)
опір навантаження
R
н
=62 (Ом)
напруга живлення каскаду
E
ж
=24 (В)
Принципова схема вихідного двотактного емітерного повторювача наведена на рис.2.1. Для даної схеми обираємо транзистори, які розраховані на велику потужність, оскільки опір навантаження є малим. Для своєї схеми я обрав транзистори BD809 та BD810 з наступними параметрами:
Таблиця 2.1
Тип
транзистора
Провід-
ність
UКД
В
IКД
А
РКД
Вт
h21E
CK
пФ
(
пс
FT
МГц
IOK
мкА
BD809
p-n-p
80
10
90
100-300
4.5
100
3
10
BD810
n-p-n
80
10
90
100-300
4.5
100
3
10
/
Рисунок 2.1 - Принципова схема двотактного емітерного повторювача
2.1.1 Розраховуємо амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні:
I
н
=
U
н
R
н
(2.1)
I
н
=
11
62
=177.4 (мА).
2.1.2 Вибираємо струм спокою транзисторів
I
k0
з умови:
I
k0
=(0.05…0.15)×
I
н
(2.2)
I
k0
=
8…26
мА
Вибираємо
I
k0
=17 (мА).
2.1.3 Розраховуємо максимальне значення струму бази транзисторів вихідного емітерного повторювача:
I
бм
=
I
k0
+
I
н
h
21e
(2.3)
I
бм
=
17мА+177мА
175
=0,0011 (мА)
2.1.4 Вибираємо струм дільника базового зміщення:
I
д0
=(2…3)×
I
бм
(2.4)
I
д0
=
2.2…3.3
мА
Вибираємо
I
д0
=2.8 (мА).
2.1.5 Розраховуємо номінальні значення опорів базового зміщення:
R
7
=
E
ж
−
U
бе0
I
д0
(2.4)
R
7
=
R
10
=
24−0.7
2.8мА
=8357.19 (Ом)
Вибираємо
R
7
=
R
10
=8200 (Ом).
R
8
=
U
бе0
I
д0
(2.5)
R
8
=
0.7
2.8мА
=251.07 (Ом)
Вибираємо
R
8
=
R
9
=240 (Ом).
2.1.6 Визначаємо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача:
r
б
=
τ
C
к
(2.6)
r
б
=
100×
10
−12
4.5×
10
−12
=22.2 (Ом)
r
e
=
26
I
k0
×
10
−3
(2.7)
r
e
=
26
17мА
×
10
−3
=1.46 (Ом)
h
11e
=
r
б
+
r
e
+
R
н
×
1+
h
21e
(2.8)
h
11e
=22+
1.46+62
×
1+175
=11192.14 (Ом)
2.1.7 Розраховуємо вхідний опір каскаду:
R
вх
=
1
1
h
11e
+
1
R
7
+
R
8
+
1
R
9
+
R
10
(2.9)
R
вх
=
1
1
11192.1
+
1
8200+240
+
1
8200+240
=3064.52 (Ом)
Вибираємо
R
вх
=3000 (Ом).
2.1.8 Розраховуємо верхню граничну частоту вихідного емітерного повторювача:
R
дж
=0.2×
R
вх
(2.10)
R
дж
=0.2×3000=600 (Ом)
R
екв
=
1
1
R
дж
+
1
R
1
+
R
2
+
1
R
3
+
R
4
(2.11)
R
екв
=
1
1
600
+
1
8200+240
+
1
8200+240
=525.31 (Ом)
C
екв
=2×
C
к
(2.12)
C
екв
=2×4.5×
10
−12
=9 (пФ)
F
вк
=
1
2×π×
R
екв
×
С
екв
(2.13)
F
вк
=
1
2×π×525×9пФ
=33.6 (МГц)
2.1.9 Розраховуємо частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті:
М
в
=
1+
F
в
2
F
вк
2
(2.14)
М
в
=
1+
100×
10
3
2
33.6×
10
6
2
= 1
М
вдБ
=20
ln
М
в
(2.15)
М
вдБ
=20
ln
1
=3.8×
10
−5
2.1.10 Розраховуємо коефіцієнт підсилення за напругою:
K
u
=
h
21e
1+
h
21e
×
R
вх
R
дж
+
R
вх
(2.16)
K
u
=
175
1+175
×
3000
600+3000
=0.8286
2.1.11 Визначаємо необхідну амплітуду вхідного сигналу:
U
вх
=
U
Н
K
u
(2.17)
U
вх
=
11
0.8286
=13.27 (В)
2.1.12 Розраховуємо вихідний опір каскаду:
R
вих
=
r
e
+
r
e
+
R
екв
1+
h
21e
(2.18)
R
вих
=1.46+
1.46+525
1+175
=4.5 (Ом)
2.1.13 Розраховуємо потужність, яка розсіюється на колекторі одного транзистора в режимі максимального сигналу:
P
k
=
U
н
2
4×
R
н
(2.19)
P
k
=
11
2
4×62
=0.48 (Вт)
P
0
=
E
ж
×
I
k0
+0.318×
I
н
×
E
ж
(2.20)
P
0
=24×17мА+0.318×0.17×24=1.77 (Вт)
Умова
P
k
<
P
kд
справджується 1.77<90 Вт.
Висновок: вибраний транзистор повністю задовольняє вимоги. Потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора,
P
k
=1.77 (Вт), менша за максимально допустиму потужність розсіювання транзистора
P
kд
=90 (Вт). Жоден з розрахованих параметрів не суперечить параметрам транзистора.
2.2 Проектування принципової схеми 2-го проміжного каскаду – схеми із спільним емітером
Вхідні дані:
амплітуда вихідної наруги
U
н
=13.2 (В)
нижня робоча частота
F
н
=45 (Гц)
верхня робоча частота
F
в
=100 (кГц)
опір навантаження
R
н
=3 (кОм)
напруга живлення каскаду
E
ж
=100 (В)
Принципова схема схеми із спільним емітером наведена на рис.2.2. В якості підсилювального елементу проміжного каскаду обираю транзистор BC567c з наступними параметрами:
Таблиця 2.2
Тип
транзистора
Провід-
ність
UКД
В
IКД
мА
РКД
мВт
h21E
CK
пФ
(
пс
FT
МГц
IOK
мкА
BC547c
p-n-p
45
100
500
320-800
4
100
3
15
/
Рисунок 2.2 - Принципова схема схеми із спільним емітером
2.2.1 Розрахунок амплітуди струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні:
I
н
=
U
н
R
н
(2.21)
I
н
=
13.2
3000
=4.4 (мА).
2.2.2 Вибираємо струм спокою транзисторів
I
k0
з умови:
I
k0
=5×
I
н
(2.22)
I
k0
=5×4.4мА=22 (мА)
Вибираємо
I
k0
=22 (мА).
2.2.3 Розраховуємо номінальне значення опору резистора колекторного струму:
R
к2
=
0.4×
E
ж
I
k0
(2.23)
R
к2
=
0.4×100
22мА
=1818.18 (Ом)
Вибираємо
R
к2
=
R
вих
=1800 (Ом).
2.2.4 Розраховуємо номінальне значення опору резистора емітерної стабілізації:
R
e3
=
0.15×
E
ж
I
k0
(2.24)
R
e3
=
0.15×100
22мА
=681.81 (Ом)
Вибираємо
R
e3
=680 (Ом).
2.2.5 Розраховуємо максимальний струм колектора:
I
kmax
=
E
ж
R
к2
+
R
е3
(2.25)
I
kmax
=
100
1800+680
=0.0403 (А)
2.2.6 Розраховують потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора в статичному режимі:
P
k0
=
I
k0
×
E
ж
−
I
k0
×
R
к2
+
R
е3
(2.26)
P
k0
=22мА×
100−22мА×
1800+680
=0.485 (Вт)
2.2.7 Вибираємо транзистор, у якого максимально допустима напруга колектор-емітер
U
ке доп
, максимально допустимий струм колектора
I
ке доп
, максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі
P
к доп
, гранична частота
f
гр
задовільняють умови:
U
кедоп
≥1.1×
E
ж
I
кдоп
≥1.1×
I
kmax
P
кдоп
≥1.1×
P
k0
f
гр
≥20×
F
в
(2.27)
U
кедоп
=1.1×100=110 (В)
I
кдоп
=1.1×0.0403=0.0444 (А)
P
кдоп
=1.1×0.9997=1.0996 (Вт)
f
гр
=20×10×
10
3
=2 (МГц)
2.2.8 Розраховуємо струм бази транзистора в статичному режимі та потенціал бази транзистора:
I
б0
=
I
k0
h
21e
(2.28)
I
б0
=
22мА
505
=0.043 (мА)
E
б0
=
U
бе0
+
I
k0
×
R
e3
(2.29)
E
б0
=0.8+22мА×680=15.76 (В)
2.2.9 Розраховуємо струм дільника базового зміщення:
I
д0
=20×
I
б0
(2.30)
I
д0
=20×0.043мА=0.0009 (А)
2.2.10 Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів дільника базового зміщення:
R
5
=
E
ж
−
U
бе0
I
д0
(2.31)
R
5
=
100−0.8
0.0009
=966884.54 (Ом)
Вибираємо
R
5
=91 (кОм).
R
6
=
E
б0
I
д0
−
I
б0
(2.32)
R
6
=
15.76
0.0009−0.043мА
=19040.19 (Ом)
Вибираємо
R
6
=20 (кОм).
2.2.10 Розраховуємо вхідний опір транзистора:
r
б
=
τ
C
к
(2.33)
r
б
=
100×
10
−12
4×
10
−12
=25 (Ом)
r
e
=
26
I
k0
×
10
−3
(2.34)
r
e
=
26
22.2мА
×
10
−3
=1.18 (Ом)
h
11e
=
r
б
+
r
e
×
1+
h
21e
(2.35)
h
11e
=25+1.18×
1+505
=623 (Ом)
R
вх.т
=
h
11e
=623 (Ом)
2.2.11 Визначаємо вхідний опір каскаду:
R
вх
=
1
1
R
вх.т
+
1
R
5
+
1
R
6
(2.36)
R
вх
=
1
1
623
+
1
91кОм
+
1
20кОм
=600.1 (Ом)
Вибираємо
R
вх
=620 (Ом).
2.2.12 Визначаємо вихідний опір каскаду:
R
вих
=
R
к2
=620 (Ом).
2.2.13 Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду за напругою в ділянці робочих частот:
S=
h
21e
h
11e
(2.37)
S=
505
623
=0.81
R
н~
=
R
к2
×
R
вх
R
к2
+
R
вх
(2.38)
R
н~
=
1800×620
1800+620
=1125 (Ом)
K
u
=S×
R
н~
(2.39)
K
u
=0.81×1125=911.91
2.2.14 Розраховуємо амплітуду вхідного сигналу:
U
вх
=
U
н
K
u
(2.40)
U
вх
=
13.2
911.91
=0.0145 (В)
2.2.15 Розраховуємо верхню граничну частоту підсилення каскаду:
R
дж
=0.2×
R
вх
(2.41)
R
дж
=0.2×620=124 (Ом)
R
екв
=
R
дж
×
R
вх
R
дж
+
R
вх
(2.42)
R
екв
=
124×620
124+620
=103.3 (Ом)
С
екв
=
С
к
×
1+
K
u
(2.43)
С
екв
=4×
10
−12
×
1+911.91
=3.6 (нФ)
F
вк
=
1
2×π×
R
екв
×
С
екв
(2.44)
F
вк
=
1
2×π×103.3×3.6нФ
=421.7 (кГц)
2.2.16 Розраховуємо частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті:
М
в
=
1+
F
в
2
F
вк
2
(2.45)
М
в
=
1+
100×
10
3
2
421.7×
10
3
2
=1.027
М
вдБ
=20
ln
М
в
(2.46)
М
вдБ
=20
ln
1.027
=0.2375
Оскільки частотні спотворення в ділянці верхніх частот перевищують допустимі, ми зменшуємо їх за рахунок введення місцевого зворотного зв’язку за рахунок введення додаткового резистора між емітером транзистора VT3 та точкою з’єднання резистора
R
e3
і конденсатора
C
6
.
2.2.17 Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду при введенні від’ємного зворотного зв’язку:
K
uзв
=
R
зв
R
н~
(2.47)
K
u
′
=
K
u
1+
K
u
×
K
uзв
(2.48)
K
u
′
=25
2.2.18. Розраховуємо номінальне значення опору резистора додаткової емітерної стабілізації:
R
eдод
=
K
u
K
u
′
−1
×
R
н~
K
u
(2.49)
R
eдод
=
911.9
25
−1
×1125
911.9
=43.76 (Ом).
Вибираємо
R
eдод
=
R
зв
=43(Ом).
2.2.19 Перераховуємо розрахунки, на які впливає зворотній зв'язок:
R
вх.т
′
=
R
вх.т
×
1+
K
u
×
K
uзв
(2.50)
R
вхт
′
=623×
1+911,9×0.0382
=22338 (Ом)
R
вх
′
=
1
1
R
вхт
′
+
1
R
5
+
1
R
6
(2.51)
R
вх
′
=
1
1
22338
+
1
91кОм
+
1
20кОм
=9455.74(Ом)
Вибираємо
R
вх
′
=9100
Ом
.
K
Uзв
=
R
зв
R
н~
(2.52)
K
Uзв
=
43
1125
=0.0382
K
u
′
=
K
u
1+
K
u
×
K
uзв
(2.53)
K
u
′
=
911.9
1+911.9×0.0382
=25.43
U
вх
=
U
н
K
u
′
(2.54)
U
вх
=
13.2
25.43
=0.519 (В)
R
вих
′
=
R
вих
+(1+
K
u
)×
R
зв
(2.55)
R
вих
′
=620+
1+911.9
×43=41055.4 (Ом)
R
дж
′
=0.2×
R
вх
′
(2.56)
R
дж
′
=0.2×9100=1820 (Ом)
R
екв
′
=
R
дж
′
×
R
вх
′
R
дж
′
+
R
вх
′
(2.57)
R
екв
′
=
1820×9100
1820+9100
=1516.66 (Ом)
C
екв
′
=
C
к
×(1+
K
U
′
)
(2.58)
C
екв
′
=4×
10
−12
×
1+25.43
=10 (нФ)
F
вк
′
=
1
2×π×
R
екв
′
×
C
екв
′
(2.59)
F
вк
′
=
1
2×π×1516.66×10нФ
=0.99 (МГц)
М
в
′
=
1+
F
в
2
F
вк
′ 2
(2.60)
М
в
′
=
1+
100×
10
3
2
0.99×
10
6
2
=1.0051
М
вдБ
′
=20×
ln
(
М
в
′
)
(2.61)
М
вдБ
′
=20×
ln
(
1.0051)=0.0439
2.2.20 Розраховуємо частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті на конденсаторах:
М
нс4дБ
=0.2
М
нс5дБ
=0.2
М
нc6дБ
=0.2
М
нс4
=
10
М
нс4дБ
20
=1.0223
М
нс5
=
10
М
нс5дБ
20
=1.0223
М
нс6
=
10
М
нс6дБ
20
=1.0223
(2.62)
2.2.21 Розраховуємо номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів та блокувального конденсатора:
C
4
=
0.16
F
н
×(
R
дж
′
+
R
вх
′
)×
М
нс4
2
−1
(2.63)
C
4
=
0.16
100×
10
3
×(1820+9100)×
1.0223
2
−1
=1.5 (мкФ)
C
5
=
0.16
F
н
×(
R
вих
′
+
R
н
)×
М
нс5
2
−1
(2.64)
C
5
=
0.16
100×
10
3
×(41055.4+3000)×
1.0223
2
−1
=0.36 (мкФ)
C
6
=
0.16
F
н
×(
r
e
+
R
едод
)×
М
нсe
2
−1
(2.65)
C
6
=
0.16
100×
10
3
×
1.18+22
×
1.0223
2
−1
=0.0004 (Ф)
2.2.22 Розраховуємо сумарний колекторний струм та сумарний струм дільника напруги:
I
K0сум
=0.001+0.001+0.0036=0.0056
I
д0сум
=10×
10
−6
+83×
10
−6
+0.0004=0.0005
(2.66)
2.2.23 Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів та ємностей фільтрувальних конденсаторів в колі живлення:
R
ф
=
100−12
I
k0
+
I
д0
+
I
k0сум
+
I
д0сум
(2.67)
R
ф
=
100−12
0.0022+0.0009+0.0056+0.0005
=3 (кОм)
C
ф
=10×
0.16
F
н
×
R
ф
(2.68)
C
ф
=10×
0.16
45×3000
=12 (мкФ)
Висновок: даний транзистор задовольняє вимоги, потужність яка розсіюється на колекторі транзистора,
P
к
=485 мВт, менша за максимальну допустиму потужність розсіювання транзистора
P
кд
=500 мВт. Завдяки введенню додаткового резистора емітерної стабілізації частотні спотворення на верхній граничній частоті не перевищують заданих.
2.3 Проектування принципової схеми 1-го проміжного каскаду – схеми із спільним емітером
Вхідні дані:
амплітуда вихідної наруги
U
н
=0.51 (В)
нижня робоча частота
F
н
=45 (Гц)
верхня робоча частота
F
в
=100 (кГц)
опір навантаження
R
н
=9.1 (кОм)
напруга живлення каскаду
E
ж
=12 (В)
Принципова схема схеми із спільним емітером наведена на рис.2.3. В якості підсилювального елементу проміжного каскаду обираю транзистор BC567c з наступними параметрами:
Таблиця 2.