Курсовая работа (т): Усилитель мощности низкой частоты

Отсюда: Rvxob=re1+rb1*() => Rvxob=8,36Ом.

Тогда 11,091кОм

h112=rb2+re2*(1+вmin2), h112=527Ом

. Определяется выходное сопротивление транзистора в эмиттерном повторителе.

,

=103.6Ом

. Определяется коэффициент передачи эмиттерного повторителя.

Kper=, Kper=0.96.

. Определяются сопротивления стабилизации R11 и R10.

Зададимся значением R11=3*Rvxok =>R2=32730кОм.

Зададим сопротивление R11 из ряда E24 номиналов резисторов R11=33кОм

R10 определим следующим образом

Температура окружающей среды:

Tokmax=40, Tokmax= - 10

Температура транзистора:

Tpmax=40, температура транзистора не отличается от температуры окружающей среды, т.к. мощность транзистора сравнительно маленькая и нагревается незначительно.

Tpmin=-10

Ibe3=0.04мА, Ubeo3=0.85 - определяется по входным характеристикам и положением рабочей точки.

Ink1max=Ink*, Ink1max =9,35 мкА

Ubeo2max=, Ubeo2max=0.916В

Ubeo2min=, Ubeo2min=0.806 В

,

R10=19800 Ом

Зададим сопротивление R11 из ряда E24 номиналов резисторов R10=20кОм

18. Определяется входное сопротивление делителя.

Rvxep=,

где ==12412кОм

Тогда Rvxep=5857кОм.

20. Основные нелинейные искажения вносятся каскадом на VT3, рассчитаем коэффициент гармоник. Воспользуемся методом 5 ординат.

Определим координаты прямой постоянному току, для чего зададим нагрузочную прямую по постоянному току.(Рис. 3)

Uke=Ek-Usm-Ip3(R12+R11)

Рассматриваются 2 режима: отсечка и насыщение.

  А  В В

. Нагрузочная прямая переменному току имеет вид (Рис 3.).

 21,358В

По рабочей точке А с координатами Ip3 ,Uek3 и Ukep строим нагрузочную прямую переменному току.

Рис. 3

. Используя входную характеристику и нагрузочную прямую переменному току, заполняем таблицу 1.

Таблица 1

. Строится сквозная характеристика, для определения коэффициента гармоник методом пяти ординат.

На ней отмечаются 5 значений Uбэ {U;0,5U;U;-0,5U;-U. При этих значениях определяется значения токов: А; А; А; А; А

. Определяем амплитуды первых четырех гармоник выходного тока и его среднее значение за период.

Проверяем правильность найденных значений

 теоретическое значение отличается от практического, из-за небольших погрешностей при построении сквозной характеристики.

. Определяем коэффициент гармоник

где b=0,1 - это коэффициент ассиметрии двухтактного каскада.

Коэффициент гармоник меньше заданного в ТЗ, что нас устраивает.

. Выбирается операционный усилитель ОУ из условия получения по ТЗ заданного коэффициента усиления при заданных нелинейных искажения и минимальной глубине обратной отрицательной связи.

Выбираем микросхему КД140УД5А

Kop=500; Upit=12.6; Ip=12мА; TKU=35мкВ/К;Roy=0.05МОм

25. Определим коэффициент усиления по напряжению усилителя на VT3.

K3=,

где Rvix - выходное сопротивление эмиттерного повторителя.

K3=32.07

условия я для каскадов ой связи.

.3 Расчёт входного каскада

. Выбираем полевой транзистор с учетом Ес, заданного частотного диапазона

КП303А

. Зададим ток стока VT1

Ic1=1mА

. Определим величину сопротивления резистора R4, где Ucu=8В.

 Ом Зададим его номинал R4=4700 Ом.

. Определяется внутреннее сопротивление истокового повторителя по характеристикам

. Определяется сопротивление первого каскада переменному току

. Используя выходную характеристику (Рис. 4) VT1 и прямую Ucu=2В заполняем таблицу 2.

Рис. 4.

Таблица 2.

54. Сроится сквозная характеристика. Определяется напряжение между затвором и истоком, необходимое для определения тока стока.

Uzi= -0,2 В

. Выбирается величина сопротивления R2

R2=50000 Ом

. Определяется напряжения на сопротивлениях делителя R2, R3 и найдем его значения

  R3= 18.7кОм

. Выберем величину сопротивления R1, исходя из ТЗ, по которому надо согласовать с 20 кОм.

Определим R1=100кОм.

. Определим коэффициент передачи истокового повторителя

 113,8 кОм

где S - крутизна сквозной характеристики, S=2 мА/м .

.5 Расчёт коэффициента усиления усилителя и параметров ООС

K=Kvx*Kper*Kus*K3*Kn,

где Kvx - коэффициент передачи делителя эмиттерного повторителя.

Kper - коэффициент передачи эмиттерного перехода .

Кper=0,96

Кus - коэффициент усиления микросхемы.

К2=500

- коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада.

К3=32.07

Кр - коэффициент передачи выходных каскадов.

Кр=0,902

Отсюда К=11802

.Определим коэффициент усиления транзистора с ООС и глубину обратной связи.

Глубина отрицательной обратной связи

 , Mg - заданный по ТЗ коэффициент гармоник.

Должно выполняться F’<F, и на основание получения заданного усиления по напряжению подбираем F=46.

Kus==320.

. Определяется коэффициент передачи цепи обратной связи.

, в_ooc=0,00381282

. Определим сопротивление R5.

Зададимся значением соротивления R8=12кОм

R5==12кОм

Возьмем R5=3кОм

. Определяется величина сопротивления R8.

R12==779кОм

Зададим сопротивление R8 из ряда E24 номиналов резисторов R12=750кОм

5. Определяется входное сопротивление усилителя с ООС.

Rvxooc=R5-, Rvxooc=6000 Ом

. Определяется ток, потребляемый от параметрического стабилизатора.

Ipotr=Id1+Ic1+Ip

=3*10^-3+1*10^-3+3,8*10^-3=7,8*10^-3

7. Определяется ток через стабилизаторы.

Ictab=Ipotr/0.7

Ictab=10мА

.Выбираются стабилитроны VD1, VD2 по напряжению питания микросхемы и истокового повторителя и току протекающий через стабилитроны.

Выбираем стабилитроны 2С156А.

Uct=6,2B, Imin=1mA, Imax=12mA, Rct=25Om, Tmin=-60C, Tmax=+125C

.Определяется сопротивление R6.

R7=. R6=1388Ом

Зададим сопротивление R7 из ряда E24 номиналов резисторов R7=1,3кОм

3.6 Расчет емкостей и частотных искажений

Произведем расчет конденсаторов по заданному коэффициенту частотных искажений на нижней частоте, равной 40 Гц.

. Выбирается доля частотных искажений, приходящихся на конденсаторы С1, С4, не входящих в цепь ООС.

Mn=1.2589

Mn=Mn1∙Mn2∙Mn3∙Mn4∙Mn5* Mn6

Отведем на С1,С2 большую долю нелинейных искажений

Mn1=Mn2=1,07

Тогда для оставшихся С3,С4,С5 вместе получим

Выбирается доля частотных искажений, приходящих на конденсаторы С3,С5,С6

Доля частотных искажений приходящих на конденсаторы С4 отводится больше.

Mn5= Mn3=1,027

Mn4=1.04

. Вычислим значения конденсаторов

, С1=490нФ

, С2=10мкф

, С3=18мкФ

, С5=1330мкф

Выберем значения конденсаторов из ряда E24.

С1=470нФ

С2=10мкФ

С3=18мкФ

С5=1300мкФ

. Определим С4 через вспомогательный коэффициент m

Тогда С4=234 мкФ.

Зададим ёмкость С4 из ряда E24 номиналов ёмкостей С4=220мкФ

Частотные искажения на верхней частоте, равной 60кГц, определяются выбранными транзисторами и способом их включения.

По ТЗ Мв=1,2587

. Определим частотные искажения, вносимые транзистором VT1

,

где Cmont -емкость монтажа, а Ссu- емкость перехода.

.Для транзистора VT2

, =1,000000002

где , =2,028*10^-8

, =6,38*10^-10

, =2,22*10^-9

=1,28

 ,R ekv=99,20Ом

ft2 - предельная частота транзистора, ft2=250МГц

Ск2=8пФ-это емкость коллекторного перехода,

. Для транзистора VT3

, =1,000022

где , =7,96*10^-8

, =1,23*10^-9

, =11*10^-8

=0,83

,R ekv=4,7Ом

ft3 - предельная частота транзистора, ft2=60МГц

Ск3=6пФ-это емкость коллекторного перехода,

. Для транзистора VT4

, =1,0018

где , =12*10^-8

, =5.3*10^-8

, =4.027*10^-8

=59

re4=0.026/Ip45=0.2Ом . rb4=111.1

,R ekv=560Ом

=11.303

.Для транзистора VT6

, =1,00099

где , =74*10^-8

, =5,3*10^-8

, =6,6*10^-9

=13,8

re6=0.026/Ip45=0.032Ом . rb6=111.1Ом

,R ekv=8Ом

=8Ом

4. Расчет охлаждения транзисторов

По справочным данным получается, что для рассеяния необходимой мощности на транзисторе VT6, VT7 требуется их поставить на радиатор.

Для расчета площади задают температуру окружающей среды

Tmах=313 K

Для гладкого радиатора площадь с двух сторон

Прад=(1400·P)/(Tпmax-Tmax-P·Rтпк)

Rтпк- тепловое сопротивление между переходом и корпусом

P=14Вт

Тпmax=Tmax+∆T

Rткр - тепловое сопротивление между корпусом и радиатором

Rтрс - тепловое сопротивление между средой и радиатором

∆T=P∙(Rтпк+Rткр+Rтрс)=Р∙Rпс

Rпс=1,2 К/Вт - общее тепловое сопротивление

∆T=16,4 К

Прад=651 смІ

На одну сторону приходиться 325,5 смІ.

Для уменьшения габаритных размеров можно применять радиаторы рельефного вида, так как они за счет выступов получат большую площадь, чем пластина при тех же общих размерах.

5. Расчет температурной стабилизации усилителя

Произведем расчет температурной стабилизации для оконечного каскада на VT6, VT7, так как они вносят основной вклад в увеличение тока коллектора.

∆Iк=(1+в)∙∆Iко+(Iб+Iко)∙∆в+в∙∆Iб

Где ∆Iб мало изменяется с ростом температуры.

∆в=0,0031∙в(Т1)∙∆Т

∆в=0,0031∙25∙20=1,55

∆Iко=∆Iко(Т1)∙exp()

Где ∆Т=Т2-Токр=40-20=20°С

∆в=0,0031∙25∙20=1,55

∆Iко=0.3*10^-3*exp(∆Т /7)= 5.22 мА

∆Iк=(1+40)∙0,003+(0,032+0,0001)∙3,1=0,11 А

Найдем относительное изменение

Iк=1,58 А

е =(∆Iк/Iк)∙100%=3%

Как видно изменение рабочего тока коллектора происходит не более чем на 3%.

усилитель мощность транзистор частотный

6. Определение коэффициента гармоник с помощью программного обеспечения

7. Моделирование в программе Electronic Workbentch

Рис. 6 Схема усилителя в программе Electronics Workbench.

Рис. 7 Осциллограмма на выходе транзистора VT1.

Рис. 8 Осциллограмма на выходе микросхемы.

Рис. 9 Осциллограмма на выходе транзистора VT2.

Методика использования программного пакета Electronics Workbentch.

1. Запускаем программный пакет Electronics Workbentch.

.1 Рисуем рассчитанную в курсовой работе схему.

.2 В правой колонке выбираем осциллограф.

.3 Подключаем генератор напряжения ( его выбираем в левой колонке) и задаём его характеристики (0,04В, 10кГц).

Рис. 10

.4 Подключаем осциллограф к интересующей нас точке. Если мы хотим зафиксировать осциллограмму напряжения нужно подключить параллельно, если - тока последовательно.

.5 Снимем осциллограмму напряжения (нас интересует напряжение на выходе).

А. Подключаем вход А к интересующей нас точке, вход G к земле.

Б. Подключаем генератор напряжения ( его выбираем в левой колонке) и задаём его характеристики (0,04В, 10кГц).

Рис. 11

1.6 Включить симуляцию сигнала можно кнопкой показанной на Рис. ,либо кнопкой F5, и кликаем мышкой на осциллографе открывается окно где показывается осциллограмма.

Рис. 12

.7 Если же сигнала нет, нужно изменить значение аттенюатора напряжения и фаз осциллографа.

Рис.13

2. Измерим какова мощность на нагрузке.

.1 Выбираем в правой колонке ваттметр.

.2 Подключаем выводы для измерения напряжения параллельно нагрузке, а выводы для измерения токов последовательно к нагрузке.

.3 Включаем симуляцию и кликаем мышке на ваттметре.

Рис.14

8. Проверочные расчёты

, R3p=,

Rn=0.5*Rnag*в4в6=0.5*25*25*8=2500 , Rvix==95,

h113=1.5*3*(1+в)=4.5*40=180

=38.4

 ,  

, R2p==171.75, h112=1.5*6*в=450

=19.5,

Проверочный расчет показал, что коэффициент усиления усилителя изменился в пределах нормы.

Определим частотные искажения, вносимые транзисторами.

.Для транзистора VT2

, =1,00002178

где , =11*10^-9

, =6,38*10^-10

, =1,894*10^-9

=1,38

 ,R ekv=99,20Ом

R10=20кОм

R11=33кОм

Аналогично, вычислим значения искажений на других транзисторах

Mv3=1.000039

Mv4=1.00075

Mv6=1.0058, тогда общее искажение усилителя на верхних частотах равен

, что вполне устраивает ТЗ

Заключение

Спроектированный усилитель работает на однополярном напряжение питания 36 В при температуре окружающей среды от -10 °С до 40°С. Имеет полосу пропускания от 40 Гц до 60 кГц.

Коэффициент усиления по напряжению на средних частотах 50 дб при выходной мощности 10Вт и искажениях на нижних частота 2 дб , и примерно 2 дб на верхних.

Недостатком спроектированного усилителя является подборка элементов, так как очень трудно подобрать одинаковые транзисторы. Также недостатком данного усилителя является сравнительно большое количество элементов, что приводит к трудностям при настройке схемы усилителя.

Результаты расчёта данного усилителя подтверждаются результатами полученные в программе Electronic Workbentch и программном обеспечении для получения нелинейных искажений.

Список используемой литературы

1. Цыкина А.В. «Проектирование транзисторных усилителей», М., Связь,1968.

. Шелковников Ю.К. «Методика расчета и анализа бестрансформаторных мощных усилительных каскадов» Ижевск:ИжГТУ, 2006-48стр

.Войшвилло Г.В. «Усилительные устройства» . М , Радио и связь. 1983.

. Горюнов Н.Н., Полупроводниковые приборы. Справочник. М,1986

. Перельман и Брежнева «Транзисторы широкого применения» M, 1973

Приложение