Курсова робота. Підсилювач низької частоти

• Название: Підсилювач низької частоти
• Анкор: Курсова робота.docx
• Дата: 01.09.2018
• Размер: 256.88 Kb.
• Имя файла: Курсова робота.docx
• Тип: Документы; #23903

Міністерство освіти і науки України

Національний університет Львівська політехніка

Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни Аналогові електронні пристрої
на тему:Підсилювач низької частоти

Виконав:

ст. гр. РТ – 31

Дідик Ігор

Перевірив:

Мінзюк В.В.
Львів 2014

Зміст
Перелік основних умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів…………………………………………………………………………….3
Технічнезавдання…………………………………………………………………6
Вступ……………………………………………………………………………….7
1.РОЗРАХУНОК СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЧА.
1.1. Розрахунокнапругиживлення………………………………………………8

1.2. Вибіркількостікаскадів……………………………………………………..8
2.РОЗРАХУНОК КАСКАДІВ.
2.1.Розрахунок вихідногоемітерногоповторювача ……………………………9

2.2.Розрахунок схемизіспільнимемітером…………………………………...15

2.3.Розрахунок схемизіспільнимемітером……………………………………..

2.4.Розрахунок схемизіспільнимемітером…………………………………......

2.5.Розрахунок нестабільностіположенняробочої точки………………...……
3.Перелік елементів………………………………………………………………...
4.Схема електрично-принциповапідсилювача НЧ………………………………
Висновки……………………………………………………………………………
Списоклітератури………………………………………………………………….

Перелік основних умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів
АЧХ –амплітудно-частотна характеристика;

БТ – біполярний транзистор;

ВЗЗ – від’ємний зворотний зв’язок;

ВП – витіковий повторював;

ДК – диференційний каскад;

ЕП – емітерний повторював;

ОП – операційний підсилювач;

ПНЧ – підсилювач низької частоти;

ПТ – польовий транзистор;

СБ – спільна база;

СВ – спільний витік;

СЕ – спільний емітер;

СЗ – спільний заслін;

СС – спільний стік;

ТК – температурний коефіцієнт;

С_ВХ – вхідна ємність каскаду;

С_Е – ємністьемітерного переходу;

С_К– ємність колекторного переходу;

С_М – ємність монтажу;

С_Н – ємність навантаження;

Е_Б – напруга на базі транзистора відносно загальної шини;

Е_Е – напруга на емітері транзистора відносно загальної шини;

Е_Ж – напруга живлення;

Е_К – напруга на колекторі транзистора відносно загальної шини;

F_В – верхня гранична частота підсилення підсилювача;

F_ГР – гранична частота підсилення транзистора;

F_Н – нижня гранична частота підсилення підсилювача;

h_11Е – вхідний опір транзистора, ввімкненого за схемою зі спільним емітером;

h_21Е – коефіцієнт підсилення транзистора за струмом;

І_Б0 – струм бази біполярного транзистора в статичному режимі;

І_КБ0 – зворотний струм переходу база-колектор біполярного транзистора;

І_КД – максимально допустимий струм колектора біполярного транзистора;

І_К0 – струм колектора біполярного транзистора в статичному режимі;

І_C0– струм стоку польового транзистора в статичному режимі;

М_В – допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті у відносних одиницях;

М_ВДБ– допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті у децибелах;

М_Н – допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті у відносних одиницях;

М_НДБ – допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті у децибелах;

Р_К – потужність, яка розсіюється на колекторі біполярного транзистора;

Р_КД – максимально допустима потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора;

Р₀– потужність, яка споживається від джерела живлення;

R_ДЖ – внутрішній опір джерела сигналу;

R_ВИХ– вихідний опір каскаду;

R_ВХ– вхідний опір каскаду;

R_Н – опір зовнішнього навантаження;

U_БЕО – напруга між базою та емітером в статичному режимі;

U_ВИХ – амплітуда напруги вихідного сигналу;

U_ВХ – амплітуда напруги вхідного сигналу;

U_ДЖ – амплітуда напруги джерела сигналу;

U_КЕ0 – напруга між колектором та емітером в статичному режимі;

U_КД – максимально допустима напруга переходу колектор - емітер біполярного транзистора;

U_КН – напруга між колектором та емітером в режимі насичення;

U_Н – напруга сигналу на навантаженні;

А – ампер;

В – вольт;

Гц – герц;

КГц – кілогерц, 1 КГц = 10³ Гц;

КОм – кілоом, 1 КОм = 10³ Ом;

мА – міліампер, 1 мА = 10^-3 А;

мВ – мілівольт, 1 мВ = 10^-3 В;

мкА – мікроампер, 1 мкА = 10^-6 А;

мкВ – мікровольт, 1 мкВ = 10^-6 В;

мкФ – мікрофарада, 1 мкФ = 10^-6 Ф;

МГц – мегагерц, 1 МГц = 10⁶ Гц;

МОм – мегаом, 1 МОм = 10⁶ Ом;

нФ – нанофарада, 1 нФ = 10^-9 Ф;

пФ – пікофарада, 1 пФ = 10^-12 Ф;

Ф – фарада;

 - коефіцієнт підсилення транзистора за струмом в схемі зі спільною базою;

 - коефіцієнтпередачі сигналу в петлізворотногозв’язку;

 - стала часу зворотногозв’язку транзистора.

Вступ

Аналогові електронні пристрої широко застосовується практично у всіх сферах науки і техніки, тому нам необхідні знання з основ схемотехніки. Багато задач вимірів, управління, що з’являються в різних областях техніки, можуть бути успішно вирішені фахівцем знайомим з основами електроніки. У наш час в техніці широко використовуються різні підсилювачі пристроїв. Підсилювачі скрізь оточують нас. В кожному радіоприймачі, телевізорі, комп’ютері, станку з числовими програмними управлінням є підсилюючі каскади. В залежності від типу підсилюючого параметра підсилюючі пристрої розподіляють на підсилювачі струму, напруги та потужності. В даній курсовій роботі вирішується задача проектування підсилювача низької частоти (ПНЧ).

Об’єктом дослідження даної роботи є підсилювач.

Предметом дослідження – ПНЧ.

Метою курсової роботи є розрахунок параметрів елементів ПНЧ.

Відповідно до мети були поставлені наступні завдання:

• 
  аналіз технічного завдання;
  
• 
  виконати попередній розрахунок ПНЧ;
  
• 
  розрахувати каскади ПНЧ;
  

Шляхом вимірювань та обчислень результаті курсової роботи необхідно визначити номінальні значення елементів ПНЧ, методом аналізу і синтезу виявити кількість каскадів в ПНЧ та розглянути кожен з них окремо, за допомогою розрахунків та дедукції обрати елементи ПНЧ.

Шляхом моделювання зобразити структурну та електричну схему ПНЧ, використовуючи аксіоматичний метод , гіпотези та припущення, а також за допомогою системного підходу і систематизації пояснити отримані результати в курсовій роботі.
Технічне завдання

Метою даної курсової роботи є проектування і розрахунок підсилювача низької частоти (ПНЧ) на дискретних елементах та на ОП. Призначення ПНЧ полягає в отриманні на заданому опорі кінцевого навантажувального пристрою необхідної потужності сигналу, що підсилюється.

Вихідні дані для розрахунку наступні:

Вихідна напруга джерела сигналу – Uдж=4,5мВ

Напруга на навантаженні – Uн=12 В

Вихідний опір джерела сигналу – Rдж=260кОм

Нижня частота сигналу – fн=20 Гц

Верхня частота сигналу – fв=130 кГц

Опір навантаження – Rн=65 Ом

Ємність навантаження – Сн=50 пФ

Температурний діапазон – +10…+55 °С

Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті – Мн=3 Дб

Допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті – Мв=3 Дб
В якості елементної бази вибираємо активні елементи транзистори(біполярні та польові), а також резистори і конденсатори.

Оскільки джерело вхідного сигналу розвиває дуже низьку напругу, то подавати сигнал безпосередньо на каскад підсилення потужності не має сенсу, оскільки при такій слабкій керуючій напрузі неможливо отримати значної зміни вихідного струму, а отже і вихідної потужності. Тому до складу структурної схеми ПНЧ, крім вихідного каскаду, який віддає необхідну потужність корисного сигналу в навантаження, необхідно ввести каскади попереднього підсилення.

3. Ескізний розрахунок структурної схеми


Рисунок 3.1. Загальна структурна схема ПНЧ
_{3.1 Розраховуємо напругу живлення:}

Ez=(1.1…1.2)2Un
Ez=(26.4…28.8) В

З стандартного ряду вибираємо Еж=27 В.
3.2 Розраховуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача:

Ku=
Ku==2666,66
3.3 Вибираємо необхідну кількість каскадів, щоб забезпечити необхідний коефіцієнт підсилення:
N= , де Ku1=50

N=

Отже вибираємо N=3 каскади проміжного підсилення.
Намалюємо структурну схему підсилювача, яка складається з 3-ох проміжних каскадів, що забезпечує дане підсилення:



Рисунок 3.2. Структурна схема підсилювача
3.4 Розраховуємо напругу живлення для схеми підсилювача низької частоти:





З стандартного ряду вибираємо джерело живлення, що входить в дані межі Е_ж=27В

Напруга живлення 3-го підсилювального каскаду:

→ 24 В.
Напруга живлення 2-го підсилювального каскаду:

→ 18 В.
Напруга живлення 1-го підсилювального каскаду:

→ 15 В.
Розраховуємо напругу живлення вхідного каскаду:

→ 24 В.
3.5 Розбиваємо частотні спотворення в ділянці НЧ між каскадами:

Каскади	Частотні спотворення в ділянці НЧ, дБ	Частотні спотворення в ділянці НЧ, раз
Мн1	0,4	1.05
Мн2	0,5	1.08
Мн3	0,5	1.08
Мн4	0,5	1.06
Мн5	1,1	1.15
М∑	3	1.41

2.Розрахунок підсилювача НЧ на дискретних елементах

2.1 Розрахунок вихідного ЕП



Рис. 2.1.1 Схема двотактного

емітерного повторювача

Вихідні дані:

U_н= 12 B

R_н= 65Oм

C_н= 50×10^-12 Ф

E_ж=+27 B

F_н=20 Гц

F_в=130×10³ Гц
Для вихідного каскаду використовуємо транзистори типу 2SC3298B і 2SA1306B з наступними параметрами: U_КД = 200 В; І_КД= 1.5А; Р_КД = 20 Вт; h_21E = 130; C_K = 25 пФ;  = 250 пс; F_ГР = 100 МГц.

Принципова схема вхідного емітерного повторювача наведена на рис. 2.1.1.
2.1.1 Розраховуємо амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні:



_{Iн=12В/65Ом=185мА}

2.1.2 Вибираємо струм спокою транзисторів І_К0 з умови:

.

=(9.23 …28)мА

Вибираємо I_К0 = 18 мА.

2.1.3 Розраховуємо максимальне значення струму бази транзисторів вихідного емітерного повторювача:

.

=(20мА +185мА)/60=1,56мА

2.1.4 Вибираємо струм дільника базового зміщення:

.

=(3,12…4,68)мА

Вибираємо = 3,89 мА.

2.1.5 Розраховуємо номінальні значення опорів дільника базового зміщення:

.

R17 = R20 = (27 - 0.7) / 0.0038 = 3,285 кОм

Вибираємо R17= R20=3,3кОм



R18= R19=0.7 / 0.0038 = 179,651 Ом

Вибираємо R18 = R19=180 Ом

2.1.6 Визначаємо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача :



= 250 / 25 = 10 Ом

= 26 /

= 26 / 18 = 1,44 Ом

,

= 10 + (1,44+65)(1 + 130) = 8,714 кОм

2.1.7 Розраховуємо вхідний опір каскаду.

.

= 87143465 = 1,448 кОм

2.1.8 Розраховуємо верхню граничну частоту вихідного емітерного повторювача:

,

= 10034653465 = 94,54 Ом

.

= 2∙25пФ= 50 пФ

,

F_вк=1/(2π∙1448∙50∙10^-12)= 33,66 МГц

2.1.9 Розраховуємо частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті:

.



2.1.10 Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

.

= 130/(1+130) = 0,992

Але реальний коефіцієнт підсилення на цьому каскаді: 0.935 тому далі будемо використовувати саме це число.
2.1.11 Визначаємо необхідну амплітуду вхідного сигналу:



= 12/0,935 = 12,834 В

2.1.12 Розраховуємо вихідний опір каскаду:

.

= 1,44+(1,44+94,54)/131 = 2,177 Ом
2.1.13 Розраховуємо потужність, яка розсіюється на колекторі одного транзистора в режимі максимального сигналу:



= 27*0.018 + 0.318*0.185*27 – 0.25 * *65 = 1,55 Вт

Умова Р_К < Р_КД справджується:

=1,57 Вт, = 12,5Вт

2.1.14 Розраховуємо потужність, яка споживається від одного джерела живлення:



Вт

2.2 Розрахуноксхеми із СК
Оскільки, вхідний опір вихідного каскаду занадто малий для правильного розрахунку попередніх каскадів, то використаємо ще один проміжний каскад із спільним колектором для забезпечення узгодження між вихідним каскадом, який має низький вхідний опір і каскадом спільного емітера, який має середній вихідний опір.

Для проміжних каскадів використовуємо транзистори типу 2SD600 з наступними параметрами: U_КД = 40 В; І_КД= 600 мА; Р_КД= 625 мВт; h_21E = 173; C_K = 20 пФ;  = 500 пс; F_T =130 МГц;
Вихідні дані:

U_н= 12,834 B

R_н= 1448 Oм

R_дж= 2,177 Ом

E_ж=+27 B

F_н=20 Гц

F_в=130×10³ Гц

2.2.1 Розраховуємо амплітуди струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні:



_{Iн=12,834В/1448Ом=8,863мА}

2.2.2 Струм спокою транзистора І_К0 :

І_К0= (2...3)

=(18 …27)мА

Вибираємо I_К0 = 22 мА.

2.2.3 Номінальне значення опору резистора R16:



R16==609,25

Вибираємо R16=620 Ом

2.2.4 Струм бази транзистора, який забезпечує режим роботи каскаду:





2.2.5 Струм дільника базового зміщення:



_{Ідо=(0,26…0,64) мА}

Вибираємо I_д0=0,448 мA

2.2.6 Номінальне значення опорів резисторів дільника базового зміщення:



Е_Б0=0,022+0,6=14,1 В



<sub>R14=(27-14,1)/0,000448=28,78 кОм

Вибираємо R14=27 кОм



R15=14,1/(0,000448-0,000128)=44,03 кОм

Вибираємо R15=43 кОм</sub>

2.2.7 В вхідний опір транзистора емітерного повторювача та вхідний опір каскаду:



де















2.2.8 Перевірка виконання умови:

- умова виконується

2.2.9 Коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:





2.2.10 У відповідності з визначають вихідний опір каскаду:





2.2.11 Верхня гранична частота підсилення каскаду:





С_ЕКВ = С_К

С_ЕКВ =20 пФ





2.2.12 Частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті:



Мв=1,000004

Мвд=20log(Мв)

Мвд=3,474∙10^-5Дб

2.2.13 Розподіл частотних спотворень каскаду на нижній граничній частоті М_Н між конденсаторами С1 та С2:



2.2.14 У відповідності з розраховують значення ємностей розділювальних конденсаторів С6 та С7:





Вибираємо С6=1,6 мкФ





Вибираємо С7=16 мкФ

2.2.15 Амплітуду вхідного сигналу:

Реальний ,отже подальші розрахунки ведемо по ньому





2.2.16 Перевірка виконання умови

.

12,873<27- умова виконується

2.2.17 Потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора:



Pк=299мВт

2.2.18 Потужність, яка споживається каскадом від джерела живлення:

Р₀ = Е_ЖІ_К0.

Р0=598мВт

3. 
   Розрахунок ІІ підсилювального каскаду – схеми зі спільним емітером
   

Принципова схема каскаду на польовому транзистор, ввімкненому за схемою з СЕ наведена на рис. 3. Вибираємо біполярний транзистор 2SD600


Вихідні дані:

U_н= 12,873 B

R_н= 13580 Oм

R_дж= 1,3 Ом

E_ж=+27 B

F_н=20 Гц

F_в=130×10³ Гц

2.3.1 Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад у навантаженні:

_{Iн=12,873В/13580Ом=0,95мА}

2.3.2 Вибирають струм спокою транзистора:



І_К0=(1,14..1,42)мА

Вибираємо =10мА.

2.3.3 Перевіряють виконання умови:

І_КО < І_КД, 10мА<1500мА– умова виконалась, отже транзистор підходить

2.3.4 Розраховують номінальне значення опору резистора колекторного навантаження:


R11=0,42/0,010=2,16 кОм

Вибираємо значення R3=2,2 кОм

2.3.5 Розраховують номінальне значення опору резистора емітерної стабілізації R12.

.

R12=(0,1…0,2)27/0,010

R12=(540…1080) Ом

Вибираємо R12=1 кОм

2.3.6 Визначають потенціал бази транзистора в статичному режимі по відношенню до загальної шини:

.

=0,0101000+0,7=10,7 В

2.3.7 Розраховують струм бази транзистора в статичному режимі:



=0,010/173=57 мкА _{Беремо ІБ0=1мА}

2.3.8 Струм дільника базового зміщення вибирають з умови:



=(2…5)1

=(2…5)мА

Вибираємо значення =4мА

2.3.9 Розраховують номінальні значення опорів резисторів дільника базового зміщення:

.

R9=(54-10,7)/4

R9=10.8 кОм

Вибираємо R9=11кОм



R10=10,7/(4)

R10=3,6 кОм

Вибираємо R10=3,6кОм

2.3.10 Розраховують вхідний опір транзистора:



= 500 / 6,5

= 76,92 Ом

= 26 /

= 26 / 10

= 2,6 Ом



=76,92+(2,6(1+173)

=5233Ом

2.3.11 Розраховують вхідний опір каскаду:



R_ВХ=

R_ВХ=1786 Ом

2.3.12 Вихідний опір каскаду:

R_ВИХ = R11.

R_ВИХ=2,2 кОм

2.3.13 Розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

.





=1893 Ом

<sub>S=0,329

Ku=52,5

R13=30,42

Вибираємо R13=30 Ом</sub>
2.3.14 Визначають необхідну амплітуду вхідного сигналу:





=0,245 В

2.3.15 Розраховують верхню граничну частоту підсилення каскаду:




=1,299





=347,8 пФ





=352,3 МГц

16. Розраховують частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті:





_{МВ=1,0000000641}

17. Розподіляють частотні спотворення на нижній граничній каскаду М_Н між розділювальними конденсаторами С1, С3 та блокувальним конденсатором С2:

М_НДБ = М_НС1ДБ + М_НС2ДБ + М_НС3ДБ.

18. Розраховують номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів:

;

.

19. Розраховують номінальне значення ємності блокувального конденсатора:

.

20. Розраховують потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора в статичному режимі:

.