Усилитель для переносного транзисторного приёмника

05 Содержание.docx

Техническое задание на проектирование
Анализ существующих решений и выбор структурной схемы
Расчет элементов принципиальной схемы
1.Расчет выходного каскада
2.Расчет входного каскада
3.Расчет цепи отрицательной обратной связи
4.Расчет разделительных конденсаторов С1 С2 и резистора R2
5.Расчет КПД усилителя
Список использованной литературы
Приложение 1. Схема усилителя
Приложение 2. Перечень элементов

03 Титульный лист.docx

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный горный университет»
Кафедра «Автоматики и управления в технических системах
по дисциплине: «Общая электротехника и электроника».
Раздел: «Электроника»
Курсовой проект выполнил студент:
учебной группы АУ-2-07
факультета автоматизации и информатики
Руководитель курсового проекта:
кандидат технических наук доцент
Грошев Валерий Александрович

06 Техническое задание на проектирование.docx

Задание на курсовой проект
Спроектировать усилитель для переносного транзисторного приёмника.
Техническое задание на проектирование:
Выходная мощность PВЫХ = 1 Вт
Напряжение питания EПИТ = 9 В
Сопротивление нагрузки RН = 8 Ом
Коэффициент нелинейных искажений γ = 5%
Частотная характеристика:
Неравномерность частотной характеристики: Mн = ± 3 дБ
Входное напряжение UВХ = 20 мВ
Входное сопротивление RВХ = 10 кОм
Температура окружающей среды: от +20°С до +40°С
Дополнительные требования: минимальный вес и габариты

04 Оборот титульного листа.docx

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Войшвилло Г.В. «Усилительные устройства» издание второе (перераб. и дополн.) издательство Москва «Радио и связь» 1983 год.
Цыкина А.В. «Проектирование транзисторных усилителей» издание второе (дополн.) издательство Москва «Связь» 1968 год.
Дата выдачи задания: «09» октября 2009 года
Дата представления проекта руководителю: «18» декабря 2009 года
Руководитель проекта: кандидат технических наук доцент Грошев В.А.
ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА
Работа допускается к защите
«__» декабря 2009 года
РЕЗУЛЬТАТ ЗАЩИТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Примечание. Курсовой проект оформлен в соответствии с требованиями
ГОСТ 7.32-91 ГОСТ 2.105-95 определяющими требования структуру и правила оформления научно-технических документов.

07 Курсовой проект.docx

Одной из наиболее важных операций в электронике является усиление. На базе усилителей построены практически все электронные устройства. Усилители электрических сигналов классифицируются по ряду признаков: характеру усиливаемых сигналов; диапазону частот; назначению; электрическим характеристикам усиливаемого сигнала; типу усилительных (активных) элементов.
Например в зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:
) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель)
) с общим эмиттером – ОЭ.
Сравнительные характеристики данных схем сведены для наглядности в табл. 1
с общим эмиттером (ОЭ)
с общим коллектором (OK)
Коэффициент усиления
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко из-за малого входного сопротивления. Эмиттерный повторитель (схема с ОК) обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями. Поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями и датчиками в качестве первого каскада усилителя а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором на выходе усилителя. Из данных схем наибольшее распространение в усилителях получила схема с ОЭ.
Анализ существующих решений и выбор структурной схемы
На сегодняшний день наиболее распространены три основных варианта построения усилителей мощности:
на основе одной интегральной микросхемы реализующей в себе все
необходимые каскады для получения требуемой мощности на заданной
на основе операционного усилителя реализующего функцию
усиления напряжения и выходных транзисторных каскадов
обеспечивающих получение заданной мощности в нагрузке;
на основе транзисторных каскадов предварительного усиления и
усилителя мощности выполненных на дискретных элементах.
Обобщенная структура усилителя мощности приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема усилителя мощности
Построение выходного каскада
Применение трансформаторов в каскадах усиления мощности существенно увеличивает их массогабаритные и стоимостные показатели в особенности это относится к интегральным усилительным каскадам которые широко применяются в измерительно-преобразовательных устройствах. В настоящее время применение трансформаторных каскадов оправдано лишь при необходимости получения значения напряжения на нагрузке во много раз превышающего величину напряжения питания и при необходимости обеспечения гальванической развязки между входом усилителя и его нагрузкой. Существует множество различных схем бестрансформаторных каскадов.
Рассмотрим лишь некоторые позволяющие понять общие принципы их построения. Усилительные каскады используемые для построения усилителей мощности бывают двух типов - однотактные и двухтактные. В однотактном усилительном каскаде обе полуволны входного сигнала усиливаются одним транзистором работающим в линейном режиме или так называемом режиме А (точка А на входной вольтамперной характеристике для схемы ОЭ рис. 2).
К достоинствам схемы однотактного каскада относятся её простота и сравнительно малые нелинейные искажения а к недостаткам - низкая экономичность. Вследствие этого однотактные усилители применяются только при сравнительно небольших мощностях в нагрузке.
В двухтактном усилителе мощности усиление сигнала происходит за два такта. В течение одного полупериода входного сигнала усиление осуществляется одним транзистором другой транзистор в течение этого полупериода или его части закрыт При следующем полупериоде входного сигнала усиление осуществляется вторым транзистором а первый при этом закрыт. Такая поочередная работа транзисторов позволяет использовать экономичные режимы В и АВ (рис.2). В режиме В точка покоя находится в начале вольтамперной характеристики при напряжении смещения равном нулю. Нелинейность начального участка характеристики вызывает нелинейные искажения типа "ступенька". Для уменьшения нелинейных искажений применяется режим АВ при котором рабочая точка располагается в начале линейного участка характеристики. Различают схемы с питанием от одного источника и с питанием от двух источников.
Рис. 2. Режимы работы усилителя мощности
Выходные каскады усилителей мощности могут выполняться на транзисторах одного типа проводимости (при этом на входе должны быть противофазные сигналы) но чаще выполняются на комплементарных парах транзисторов.
Выходные каскады на комплементарных парах транзисторов
На рис. 3а изображена схема каскада ОК с питанием от двух источников а на рис. 3б - с питанием от одного источника. При использовании в этих схемах комплементарных пар транзисторов типов n-р-n и р-n-р отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор VT1 и закрыт VT2 при отрицательной полуволне наоборот открыт VT2 и закрыт VT1. Схемы работают в режиме класса В поэтому имеют место нелинейные искажения типа «ступеньки» коэффициент усиления каскада ОК по напряжению всегда меньше 1.
Рис. 3. Выходные каскады усилителей мощности
на комплементарных парах транзисторов
Выходные каскады с большим выходным током
Большинство мощных выходных транзисторов имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по току (80). Поэтому однокаскадные эмиттерные повторители могут работать при выходных токах до нескольких сот миллиампер.
Большие коэффициенты усиления по току можно получить включив
выходные транзисторы по схеме Дарлингтона (рис. 4 5). На рис. 4
выходной каскад построен на составных транзисторах (обычная схема Дарлингтона на транзисторах одного типа проводимости) включенных по схеме ОК причем использован режим АВ (комплементарная схема). Для создания смещения включены диоды VD1 и использование их позволяет осуществить температурную компенсацию. Общий коэффициент усиления увеличивается: =1*2 соответственно увеличивается входное сопротивление каскада и уменьшается выходное сопротивление. Заметим что современные мощные транзисторы могут иметь =700 1000 так что необходимость включения составных транзисторов может отпасть.
На рис. 5 выходной эмиттерный повторитель построен по квазикомплементарной схеме Дарлингтона. VT1 и VT3 - составной повторитель дающий ток положительной полуволны выходного сигнала а отрицательную полуволну формирует схема на транзисторах VT2 и VT4 которая по своим «внешним» параметрам полностью аналогична составному транзистору на VT1 и VT3 но имеет свойства р-п-р транзистора. Резисторы R3 и R4 необходимы для отвода обратных коллекторных токов мощных выходных транзисторов VT3 и VT4 . Квазикомплементарная схема лучше симметрируется так как на выходе включены мощные транзисторы одного типа.
Рис. 4. Выходной каскад на комплементарых составных транзисторах
Рис. 5. Выходной каскад на квазикомплементарных составных транзисторах
Выбираем схему усилителя с двухтактным выходным каскадом на транзисторах с большим коэффициентом усиления включенных по схеме ОК (рис. 6). Входной каскад построен на ОУ что обеспечивает малый дрейф нуля а также позволит обеспечить минимальные габариты и стоимость разрабатываемого усилителя. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ; отрицательная обратная связь (ОOC) охватывает два каскада. Сигнал ООС (на R3 R1) подается на инвертирующий вход. Оконечный каскад работает в режиме АВ смещение создается с помощью диодов VD1 и VD2 при этом на выходе протекает небольшой ток покоя.
Рис.6. Усилитель мощности
Расчет элементов принципиальной схемы
1Расчет выходного каскада
Для подбора мощных транзисторов и их применения в качестве выходного каскада необходимо рассчитать следующие параметры:
где Uн(max) – амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн.
Рассчитаем необходимые предельные параметры транзисторов VT1 и VT2:
Iн(max)= 05 А для надежности выберем с запасом Iк(доп) =8 А.
Uкэ(max) – максимальное напряжение коллектор-эмиттер выходного транзистора составляет Е+ Uн(max)=9+4=13 (В). Потребуем Uкэ(доп)=40 В.
Рmax – максимальная мощность рассеиваемая одним транзистором выходного каскада.
Приняли Рк(доп) = 20 Вт.
На основании рассчитанных выше значений из справочной литературы произвели выбор мощных транзисторов выходного каскада который обычно осуществляется по следующим параметрам:
по максимальному току коллектора – Iк(доп) ;
по максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером транзистора Uкэ(ma
по максимальной мощности рассеиваемой на коллекторе – Рк(доп) ;
по коэффициенту передачи тока в схеме с общим эмиттером – h21(э) = ;
по предельной (граничной) частоте – hгр.
Подобрали транзисторы:
Транзисторы должны образовывать комплементарную пару то есть иметь одинаковые параметры.
Максимальная величина базового тока транзисторов выходного каскада необходимая для обеспечения заданной мощности в нагрузке определяется соотношением:
где min – минимальная величина коэффициента передачи по току.
По рассчитанному значению Iб(max) используя входную характеристику примененного транзистора определили максимальное значение напряжения перехода баз – эмиттер Uбэ(доп) = 1 В. Отсюда можно определить максимальное напряжение на входе транзистора конечного каскада необходимое для обеспечения заданной мощности в нагрузке:
Входное сопротивление оконечного транзисторного каскада в этом случае можно определить по выражению:
Зададим ток коллектора покоя выходного каскада Iк(п) = 50 мА тогда ток базы покоя VT1 равен:
По входным характеристикам определили необходимое значение Uбэ(п) = 13 В.
Для уменьшения нелинейных переходных искажений и температурной стабилизации в плечи промежуточного каскада рекомендуется вводить диоды разность потенциалов на которых образует напряжение смещения Uсм. В данном случае применено 2 диода. Зададим ток делителя протекающий через диоды:
Определили по вольтамперной характеристике диода значение падения напряжения на одном диоде Uпр = 06 В.
Таким образом получив параметры напряжения смещения и тока диодов из справочной литературы выбрали тип диодов по следующим параметрам:
по величине прямого напряжения Uпр ;
по величине прямого тока Iпр ;
по максимальной частоте fmax.
Подобрали диод с характеристиками:
Величина полного входного сопротивления оконечного усилительного каскада определяется параллельным соединением RВХ VT1 и сопротивления делителя Rдел (R4 или R5 на рисунке 5). Величина последнего рассчитывается по формуле:
Необходимо отметить что входное сопротивление оконечного каскада является нагрузкой для каскада усилителя напряжения выполняемого на основе операционных усилителей имеющих четко регламентированные значения минимально допустимых величин сопротивлений нагрузки. Так для большинства операционных усилителей общего применения минимальное сопротивление нагрузки должно быть ≥ 2 кОм.
Выбрали резистор R4 равный 18 кОм (стандартный ряд Е24).
2Расчет входного каскада
Входной каскад – каскад усиления напряжения на операционных усилителях. Для выбора и расчета усилительного каскада на операционных усилителях (ОУ) необходимо учесть несколько факторов:
полное входное сопротивление выходного каскада усилителя должно превосходить минимальное сопротивление нагрузки ОУ данное в справочнике (RВХ > Rн ОУ);
требуемое максимальное входное напряжение оконечного каскада усилителя мощности с учетом обратной связи должно быть меньше максимального выходного напряжения ОУ данного в справочнике (UВХ(ma
на верхней частоте усиления fВ ОУ должен обеспечивать расчетный коэффициент усиления;
температурные и другие требования задания должны удовлетворяться.
На основании вышеизложенных факторов из справочной литературы выбирается ОУ КР544УД1А с подходящими параметрами:
коэффициент усиления по напряжению Коу = 50000;
максимальное значение выходного напряжения UВЫХ = 10 В;
напряжение смещения Uсм = 003 В;
входное сопротивление RВХ = 1000 МОм;
частота единичного усиления f1 = 15 МГц;
напряжение источников питания Uп = ±15 В;
Произвели расчет требуемого коэффициента усиления всего усилителя мощности:
UВХ(max) – амплитудное значение входного сигнала (по заданию).
Питание ОУ следует осуществлять через стабилизатор напряжения
3Расчет цепи отрицательной обратной связи
На рис. 7 схематично представлен входной каскад на ОУ охваченный ООС. Для его расчета возможно применение идеализированного выражения:
Задав номинал резистора R1 = 1 кОм из данного выражения определили R3.
Выбрали резисторы из стандартного ряда Е24: R1 = 1 кОм R3 = 075 МОм.
Рис. 7. Схема входного каскада на ОУ
4Расчет разделительных конденсаторов С1 С2 и резистора R2
Для того чтобы не пропустить в каскады усилителя постоянное напряжение включаются разделительные конденсаторы С1 и С2.
Емкость разделительного конденсатора определили по формуле:
где н – нижняя круговая частота (н=2fн);
R - сопротивление перезаряда;
Мн – коэффициент частотных искажений обусловленный влиянием разделительного конденсатора.
В случае применения нескольких разделительных конденсаторов их влияние определяется следующим образом:
Это говорит о том что заданный коэффициент частотных искажений для всего усилителя должен быть разделен по отдельным конденсаторам.
По условию курсовой работы нам задан коэффициент частотных искажений Мн = ± 3 дБ. В абсолютной величине Мн = 3120 = 1056. Разделим его следующим образом: М1=103 и М2=1026.
Величина сопротивления перезаряда для первого конденсатора определяется сопротивлением генератора и параллельным соединением резистора R2 и входного сопротивления операционного усилителя.
Определили величину резистора R2:
Определили сопротивление перезаряда для первого конденсатора:
где RГ сопротивление источника сигнала (RГ = 10 кОм);
RВХ полное входное сопротивление каскада .
Определили емкость первого конденсатора:
Величина сопротивления перезаряда для второго конденсатора равна сумме выходного сопротивления ОУ и входного сопротивления оконечного каскада:
По рассчитанным параметрам подобрали конденсаторы К50 емкостью:
С1 = 1мкФ; С2 = 18мкФ.
5Расчет КПД усилителя
Коэффициент полезного действия усилителя определяется в основном мощностью отбираемой от источника питания выходным каскадом:
где РΣ – мощность потребляемая всем усилителем.
Определили мощность потребляемую всем усилителем:
Подставили полученное значение в исходное выражение:
Спецификация на разработанный усилитель приведена в прил. 2.
В состав данной спецификации входят следующие элементы:
конденсаторы К50-24;
транзисторы КТ825Д КТ827Д;
операционный усилитель КР544УД1А.
Типоразмеры элементов выбирались в соответствии с расчетными данными с учетом номинального ряда Е24 (допуск на разброс параметров не
В данном курсовом проекте был спроектирован усилитель низкой частоты который отвечает всем параметрам заданным в техническом условии. Коэффициент полезного действия спроектированного усилителя низкой частоты превышает заданное нам по условию значение что гарантирует эффективную работоспособность устройства. Получены результаты удовлетворяющие требованиям нормативных документов. Усилитель низкой частоты рассчитан по частотным искажениям применение схемы на основе операционного усилителя позволило добиться коэффициента усиления равного 750 при достаточно простой схеме.
Список использованной литературы
Горячева Г.А. Добромыслов Е.Р. «Конденсаторы: Справочник» – М.: «Радио и связь» 1984. – 88 с.
«Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные стабилитроны тиристоры: Справочник» Под ред. А.В. Голомедова. – М.: «Радио и связь» 1988.
«Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой мощности: Справочник» Под ред. А.В. Голомедова. - М.: «Радио и связь» 1989.
Шакирова Р.Х Гатиатулина Т.Ю. Данилин О.Е. «Проектирование электронных устройств: Учебное пособие» – Уфа.: Изд-во «УГАТУ» 2007. – 76 с.
Б.С. Гершунский «Справочник по расчету электронных схем» – Киев: «Вища школа» 1983. – 239 с.

01 Штамп А4 (вертикальный).dwg

ГОУ ВПО "МГГУ" кафедра АТ
Первичное применение
Вариант №18 Усилитель для переносного транзисторного приёмника

10 Спецификация (лист).dwg

ГОУ ВПО "МГГУ" кафедра АТ
Первичное применение
Вариант №18 Усилитель для переносного транзисторного приёмника
Операционный усилитель
Приложение 2 Перечень элементов

09 Спецификация (модель).dwg

ГОУ ВПО "МГГУ" кафедра АТ
Первичное применение
Вариант №18 Усилитель для переносного транзисторного приёмника
Операционный усилитель
Приложение 2 Перечень элементов

02 Штамп А4 (горизонтальный).dwg

ГОУ ВПО "МГГУ" кафедра АТ
Первичное применение
Вариант №18 Усилитель для переносного транзисторного приёмника

08 Схема усилителя.dwg

ГОУ ВПО "МГГУ" кафедра АТ
Первичное применение
Вариант №18 Усилитель для переносного транзисторного приёмника
Приложение 1 Схема усилителя