Курсовая работа (т): Усилитель мощности низкой частоты

Усилитель мощности низкой частоты

Министерство образования Российской Федерации

Ижевский государственный технический институт

Приборостроительный факультет

Кафедра «Радиотехника».

Курсовая работа

на тему: «Усилитель мощности низкой частоты»

Ижевск 2006.

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Анализ технического задания

3. Расчет принципиальной схемы усилителя мощности

3.1 Расчет оконечного каскада

3.2 Расчёт предоконечного и предварительного каскада усилителя мощности

3.3 Расчёт входного каскада

3.5 Расчёт коэффициента усиления усилителя и параметров ООС

3.6 Расчет емкостей и частотных искажений

4. Расчет охлаждения транзисторов

5. Расчет температурной стабилизации усилителя

6. Определение коэффициента гармоник с помощью программного обеспечения

7. Моделирование в программе Electronic Workbentch

8. Проверочные расчёты

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества.

В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства.

Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует выбрать принципиальную схему. Затем необходимо рассчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя ( в нашем случае А ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в области верхних и нижних частот.

Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости, входящих в него компонентов.

1. Техническое задание

Рассчитать усилитель мощности низкой частоты со следующими параметрами:

Рвых=10 Вт

Rнагр=8 Ом

Rист=20 кОм

Мн=2 дб.

Мв=2 дб.

Мг=2 %

Кu=50 дб.

Диапазон рабочих температур от -10 до +40 град С

Полоса частот (0,04-60) кГц.

2. Анализ технического задания

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.

В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко.

Рассмотрим общую схему усилителя низкой частоты, см. рис 1.

В оконечном каскаде применяют часто схему двухтактную, усиливающую каждую полуволну по отдельности. В данном случае этого требует очень большое усиление по мощности, на выходе должно быть 10 Вт(следовательно большое усиление по току).

Рис. 1

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Иногда применяют и микросхемы.

Для согласования источника сигнала с усилителем, что требуется для максимального усиления по мощности, можно использовать каскад с общим коллектором или истоковый повторитель, так как данные схемы имеют самое большое входное сопротивление.

Входным устройством является разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую и обеспечивает заданные искажения на нижних частотах.

На выход также стоит поставить разделительный конденсатор, который выполняет схожие функции с емкостью на входе.

3. Расчет принципиальной схемы усилителя мощности

.1 Расчет оконечного каскада

Рис. 1.

1.              Определяются Unm и Inm

 B

  A

2.              Определяется допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рkdop

 Вт

. Определяется Uke6=Uke7=Uke67

Где Uz=1В-это запас, исключающий попадание рабочей точки в область насыщения.

. Определяется величина напряжения источника питания Ек

Из ряда напряжений питания выбираем ближайшее напряжение

. Выбираем транзисторы VТ6 и VТ7, исходя из полученных ограничений KT817А, КТ816А

Необходимые характеристики:

, Р=15 Вт

. Определяется ток покоя транзисторов VТ6 и VТ7.

. Определяются величины резисторов защиты R17,R18

Поскольку сопротивление R17, R18 очень мало, обычно их изготавливают путём намотки необходимого число витков высокоомного провода на корпусе обычного резистора.

. Определяется ток покоя транзисторов VT4, VT5, который зависит от величины тока базы транзисторов VТ6 и VТ7 и тока через резисторы R15, R16.

,

где Ube67 определяется по входной характеристике транзистора КТ817А, выбирается такое напряжение, где входная характеристика более линейна Ube67=0,7 В

Сразу зададим значение резисторов R15 и R15 из ряда E24 R15, R16=43 Ом.

9. Определим постоянное напряжение Uke45

. Определим мощность, рассеиваемую на транзисторах VT4, VT5.

. Выберем транзисторы VT4, VT5 из условия, что Рdop > Pkdop45

Выбираем транзисторы: пару КТ817А и КТ816А

Характеристики транзисторов

, P=15Вт

. Определим ток базы .

. Определяется коэффициент передачи повторителя на транзисторах VT4, VT6

. Определяется входное сопротивление двухтактного конечного каскада.

3.2 Расчёт предоконечного и предварительного каскада усилителя мощности

1. Выбирается ток покоя транзистора предоконечного каскадаVT3 из условия  но не менее 5 мА для максимальных усилительных свойств транзистора

2. Определяется величина сопротивления R13. Сопротивление R13 выбирается таким, чтобы усилитель соответствовал заданному значению коэффициент усиления по напряжению.

 Ом

Зададим сопротивление R13 из ряда E24 номиналов резисторов R13=300Ом.

3. Находится напряжение смещения диодов:

- определяем по входной характеристике транзистора КТ817А, КТ816А

. Выбирается тип и число диодов исходя из того, что падение напряжение на диоде смещённым прямо составляет U_d=0,7-0,9В

 n=4

тип диода 2А506А

. Определяется мощность, рассеиваемая на коллекторе VT3 при условии

Возьмём

. Проверяется правильность выбранного значения Uke3

, так как Uke3>14.6478 Uke3 выбран правильно.

. Определяется допустимая мощность транзистора VT3.

6. Выбирается транзистор КТ611А и определяются рабочие характеристики

, Ikn=1мкА  ,

В- определяется из входной характеристики транзистора КТ611А

. Определяется величина сопротивления R14:

,  

Зададим сопротивление R14 из ряда E24 номиналов резисторов R14=180 Ом

8. Входное сопротивление оконечного каскада является нагрузкой предоконечного каскада. Определяется величина сопротивления предоконечного каскада по переменному току.

. Определяется h11- параметр для транзистора VT3.

,

где rb3 - объемное сопротивление базы транзистора VT3, которое определяется через статическую входную характеристику.

re3 - сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT3

,  

≈200Ом

Отсюда: ,

Rvx3¹ =h113= 230,45Ом, так как ёмкость С4 шунтирует R14 на средних частотах.

10. Определяется величина тока покоя коллектора Iko1.

In2=6*Ib3

Ib2=5,25мА

.Выбирается транзистор эмиттерного повторителя по граничной частоте и току покоя In2.

Транзистор эмиттерного повторителя КТ373Г..

вmin1=50, вmax1=125, fгр=250МГц, Ikn=0,05мкА, Ube=0.68В

. Определяется сопротивление R12.

При использовании эмиттерного повторителя в качестве входного для повышения входного сопротивления и снижения уровня шумов напряжение коллектор эмиттер Uke2 возьмем 20 В.

R12=, R12=3809 кОм

Зададим сопротивление R12 из ряда E24 номиналов резисторов R12=3,9кОм

13. Определяется сопротивление нагрузки цепи эмиттера переменному току.

Rvx3=230,45Ом

=217,31Ом

.Определяется сопротивление транзистора в эмиттерном повторителе и h112.

,

где Rvxob=re2+rb2*(1+вmin2)

re2==4,95Ом.

rb2- объёмное сопротивление базы, которое вычисляется по входным характеристикам (Рис. 2).

Рис. 2.

=>rb3=, =rb2+re2*(1+вmin2), h112=426,48Ом