Курсовая работа: Підсилювач потужності

Міністерство транспорту та зв’язку України

Українська Державна Академія Залізничного Транспорту

Кафедра “Транспортний зв’язок”

ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ

Пояснювальна записка курсового проекту

з дисципліни “Електроніка та мікросхемотехніка”

Харків

2008

Зміст

Вступ

1 Попередній розрахунок підсилювача

1.1 Типова структурна схема підсилювача

1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду

1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів

1.4 Розподіл спотворень по каскадах

2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду

2.1 Розрахунок схеми на комплементарних транзисторах

2.2 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах

3 Розрахунок вхідного і проміжного каскадів

3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму

3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ

3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах

4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ

4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача

4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача

Висновок

Список літератури

Вступ

У наш час однією із самих швидко розвиваючих і перспективних галузей науки та техніки є електроніка. Зараз практично неможливо знайти яку-небудь галузь промисловості у якій би не використовувалися електронні вимірювальні прилади, пристрої автоматики й обчислювальної техніки. Але всього цього не було б без винаходу напівпровідних пристроїв, у тому числі транзисторів і діодів, які є тими елементарними цеглинками, з яких і будується сучасний будинок електроніки. Спочатку, транзистор був розроблений саме як підсилювальний прилад, покликаний замінити громіздкі електронні лампи, а вже пізніше став використовуватись як основний елемент логічних схем. З тих пір практично всі електронні підсилювачі виконуються на основі транзисторів.

Пристрій, призначенний для підсилення вхідного сигналу за рахунок енергії джерел живлення називається підсилювачем. Важливим типом підсилювача є підсилювач потужності. Будучи або самостійними пристроями, або частиною більш складних апаратів, підсилювачі знайшли широке застосування в радіомовленні, звуковому кіно, техніці звукозапису, телебаченні, радіолокації й радіонавігації, ядерній фізиці, медицині й біології, системах автоматики й т.д. У даному курсовому проекті зроблений розрахунок підсилювача потужності на транзисторах і мікросхемі.

1 Попередній розрахунок підсилювача

1.1  Типова структурна схема підсилювача

Як вхідний каскад підсилювача використовують резистивний підсилювач на мікросхемі ОП. З метою одержання основного підсилення сигналу, яке здійснюється проміжним каскадом, використовують схему на транзисторі за схемою ЗЕ, отже саме він володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення.

З метою забезпечення в навантаженні  необхідної потужності , в якості вихідного каскаду підсилювача використовуємо безтрансформаторну двотактну схему, яка володіє малими габаритами і широким діапазоном частот.

Рисунок 1.1 Типова структурна схема підсилювача

1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду

За відомою потужністю на виході =8 Вт і опором навантаження =4 Ом визначають амплітуду напруги на виході:

Розраховуються необхідні коефіцієнти підсилення за напругою і потужністю:

;

;

де,- ЕРС і внутрішній опір джерела сигналу;

- потужність на вході підсилювача при вхідному опорі .

Так як напруга джерела живлення  не задана, то її необхідно визначити зі співвідношення:

,

де , n=1, ;

напруга насичення транзистора (0,5… 2 В);

 амплітуда напруги сигналу на виході;

(3…5)В- запас напруги, що враховує температурну нестабільність каскаду.

В

В

З ряду номінальних джерел вибираємо двополярне джерело живлення:

В   В    В.

Вибираємо схему каскаду за вихідною потужністю:

Вихідна потужність – більше 1…5 Вт,

Режим транзисторів – В,

Схема каскаду-двотактний без трансформаторний каскад з ЗЕ на складених транзисторах.

Транзистори для вихідного каскаду вибираються за потужністю розсіювання на колекторі при максимальній робочій температурі, за максимальними величинами напруги і струму, а також за верхньою робочою частотою.

Якщо підсилювач забезпечує в навантаженні потужність , то орієнтовне значення потужності, що розсіюється на колекторі, буде дорівнювати:

Вт

де, - для без трансформаторного каскаду;

- коефіцієнт використання транзистора;

- коефіцієнт, що враховує тип схеми ( двотактна ).

Для забезпечення надійної роботи підсилювача потужність повинна бути менше граничної потужності розсіювання транзистора при максимальній температурі навколишнього середовища

Вибір транзистора вихідного каскаду проведемо відповідно до наступних умов:

 Вт

Визначимо максимально допустиму напругу:

 В

Гранична частота підсилення струму транзистора в схемі з ЗЕ  в обраного транзистора повинна задовольняти умові:

 Гц

Транзистор повинен забезпечити в навантаженні амплітуду струму:

 А

Максимальний припустимий струм колектора  повинен задовольняти умові:

 А

Обраний транзистор КТ817А задовольняє умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.1 Параметри транзистора КТ817А

Перевіримо умову:

Гц

Для схеми на складених транзисторах, крім вихідного транзистора, необхідно вибрати комплементарну пару, що задовольняє наступним умовам:

1)  Вт

2)  А

3)  В

4)  Гц

Обрані транзистори ГТ402А, ГТ404А задовольняють умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.2 Параметри транзисторів ГТ402А, ГТ404А

Перевіримо умову:

 Гц

Рисунок 2. Вхідні та вихідні характеристики транзистора КТ817А

За амплітудою базового струму за допомогою вхідної характеристики визначається амплітуда вхідної напруги =1,1-0,65=0,45В, а за ними - вхідний опір вихідного каскаду Ом і величина ЕРС передкінцевого каскаду з вихідним опором Ом

 В

Коефіцієнт підсилення кінцевого каскаду за потужністю орієнтовано визначається за формулою:

;

Орієнтовано коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою дорівнює:

;

1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів

Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів полягає у визначенні числа каскадів, типів і схем включення транзисторів чи мікросхем.

Амплітуда вхідної напруги і струму кінцевого каскаду:

 В

Для передкінцевого каскаду вибирається транзистор з потужністю, яка розсіюється на колекторі ( стоці ),

 Вт,

і максимально припустимим струмом колектора ( стоку ),

 А

і максимально допустимою напругою колектор емітер:

 В

Обраний транзистор КТ815В задовольняє умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.3 Параметри транзистора КТ815А

Перевіримо умову:

 Гц

Коефіцієнти підсилення проміжного каскаду по потужності та напрузі:

Амплітуда вхідного струму передкінцевого каскаду:

 А

Амплітуда вхідної напруги передкінцевого каскаду:

 В

Вхідний опір передкінцевого каскаду:

 Ом

Мікросхеми для вхідного і проміжного каскадів вибирають за величинами вхідного струму, напруги й опору наступного каскаду. У використовуваної мікросхеми припустимий опір навантаження повинен бути менше, а величини максимальної вихідної напруги і струму ( і )- більше відповідних вхідних величин наступного каскаду.

Умови вибору мікросхеми:

Параметри обраної мікросхеми представлені в таблиці 1.4

Таблиця 1.4 Параметри мікросхеми КР140УД1

Перевіримо умову вибору:

  Гц

1.4 Розподіл спотворень по каскадах

Нелінійні спотворення цілком відносять на вихідних каскад. Щоб забезпечити малий рівень нелінійних спотворень у проміжних каскадах величини струму колектора і напруги колектор-емітер у робочій точці вибирають у 1,3…1,7 рази більше амплітуд перемінних складових струму і напруги.

Орієнтовно рівень нелінійних спотворень кінцевого каскаду можна оцінити за коефіцієнтами підсилення по струму в точках “P”, “M”.

, А, А,

, А, А,

,

;

%

Величина коефіцієнта нелінійних спотворень (КНС)  оцінюється за співвідношенням  цих коефіцієнтів для двотактного каскаду з режимом В- вище приблизно в 1,5 рази.

< 2%

Отже місцевий НЗЗ не потрібний.

Лінійні спотворення в області нижніх частот вносяться розділовими і блокувальними конденсаторами, а також трансформаторами ( при їх наявності). Знаючи число і тип каскадів, можна визначити число елементів, що вносять спотворення, і сумарну величину спотворень:

дБ

 дБ

Так як , то не треба вводити НЗЗ.

Спотворення в області верхніх частот:

 дБ,

 дБ,

 дБ;

де .

Сумарна величина спотворень   (дБ) повинна бути менше припустимої  дБ.

0,24 дБ < 2 дБ, отже НЗЗ не потрібний.

2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду

2.1 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах

Схема простого двотактного безтрансформаторного підсилювача наведена на рисунку 4.

Рисунок 4. Схема простого двотактового безтрансформаторного підсилювача

Складений транзистор у кінцевому каскаді, маючи високий вхідний опір, полегшує роботу передкінцевого каскаду і дозволяє одержати від нього велику амплітуду сигналу.

Методика розрахунку схеми на складених транзисторах цілком збігається з розрахунком простої схеми на комплементарних транзисторах. При цьому використовують параметри складеного транзистора, які можна визначити з наступних співвідношень:

 Ом

Ом

Номінальне значення R3=R4=33 Ом.

 В

де  параметри транзисторів VT1, VT2;

 параметри транзисторів VT3,VT4;

 напруги зсуву транзисторів VT1 і VT3.

Розрахунок починається з визначення параметрів робочої точки:  В і А  для режиму В. На вихідних статичних характеристиках обраних транзисторів у координатах  будується лінія навантаження, що проходить через точки  і -

(12;0)і (0;3);

Рисунок 5.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ817A

Знаючи необхідну амплітуду напруги в навантаженні , визначаємо  В,

За допомогою вхідної статичної характеристики обраного транзистора, визначаємо:

 А,

  В,  В,

 мА,

 А,

 В, В,

В, В,

 мА; А,

 В;

Постійний струм бази  визначається зі співвідношення:

 А

Оцінюємо задану потужність:

 Вт

У схемі з ЗК діє місцевий НЗЗ, глибина якого:

,

де

Резистори R1, R2 і діод VD ставляться в схемі, якщо вихідний і перед кінцевий каскади розділені конденсатором. Тоді опори R1, R2 приймають однаковими з розрахунку:

,

 де 

 Ом

 мА

Номінальне значення R1=R2=1200 Ом = 1,2 кОм

Розраховуємо потужність, що розсіюється:

 Вт;

Рисунок 6. ВАХ діода КД520

Вхідний опір дорівнює , якщо ставиться дільник R1,VD,R2, де Ом і  вхідний опір транзистора, обумовлений за вхідною характеристикою поблизу точки .

Ом;

Амплітуда напруги вхідного сигналу дорівнює:

 ,

де

 В

І амплітуда вхідного струму дорівнює:

А = 17 мА;

Будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора . При цьому необхідно враховувати, що для безтрансформаторного каскаду

, де  Ом.

Таблиця 1.5 Наскрізна динамічна характеристика

 В,

 В,

 В,

 В,

 В;

Рисунок 7. Наскрізна динамічна характеристика

За цією характеристикою визначають коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці  без обліку впливу НЗЗ.

З урахуванням дії місцевого НЗЗ коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці . Нелінійні спотворення по другій гармониці в двотактних схемах компенсуються тим краще, чим менше коефіцієнт асиметрії струму (Х) у плечах схеми. У залежності від точності застосовуваних елементів і розкиду параметрів транзисторів Х=0,1…0,5. Тоді  і, з обліком НЗЗ, . Повний коефіцієнт гармонік дорівнює:

;

Ємність розділового конденсатора (при його наявності) визначається за припустимою величиною лінійних спотворень  (у відносних одиницях) на частоті . Величина лінійних спотворень: ;

 мкФ

Номінальне значення -  мкФ.

Частотні спотворення на нижній граничній частоті будуть рівні:

 дБ

Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті діапазону визначається виразом:  дБ.

3. Розрахунок вхідного і проміжного каскадів

3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму

Вихідними даними для розрахунку є параметри наступного каскаду: амплітуда перемінної напруги  на вході і вхідний опір .

Розрахунок проводиться в такому порядку. Визначаються параметри робочої точки транзистора, що задовольняє умовам:

 А = 21 мА;

В;

Отримані значення округляємо до цілих значень:  мА та   В;

Визначається значення струму бази :

 А = 0,52 мА;

Постійна напруга =0,7 В визначається за вхідною статичною характеристикою обраного транзистора і розрахованим струмом . Опір резистора  визначається з умови:

 , де …0,2 для каскаду ЗЕ.

 Ом;

Номінальне значення -  Ом.

Опір резистора вибирається як менше з двох значень:

 Ом ,

 Ом ,

 Ом

Номінальне значення   Ом = 0,5 кОм.

Фільтр  в схему включати не потрібно, так як .

Резистори R1 і R2 визначаються за формулами:

 ,  Ом

Ом

 Ом,

де  =24 В – при відсутності фільтра.

 вхідний опір транзистора, а значення  визначається за статичними вхідними характеристиками транзистора поблизу точки .

Номінальні значення R1=1600 Ом, R2=240 Ом.

Для всіх резисторів розраховується потужність, що розсіюється:

 Вт,

 Вт,

 Вт,

 Вт;

3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ

Схема каскаду наведена на рисунку 8. Вихідними даними для розрахунку є амплітуда перемінної напруги  і вхідний опір  каскаду, що підключається до виходу даної схеми.

Рисунок 8. Схема проміжного каскаду

Розрахунок по постійному струму проводиться за методикою розділу 3.1 Розрахунок по перемінному струму починається з визначення еквівалентному опору колекторного навантаження перемінному струму:

 Ом;

Вхідний опір каскаду перемінному струму дорівнює:

,

де Ом , вхідний опір транзистора.

 Ом;

Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі визначається за формулою:

,

де  вихідна провідність транзистора, обумовлена за вихідними характеристиками поблизу робочої точки .

см

Амплітудне значення вхідної напруги дорівнює:

 В;

Вхідна потужність дорівнює:

Вт = 0,5 мВт;

Ємності конденсаторів визначають з нерівностей:

,

мкФ

Номінальне значення С2=20 мкФ.

 ,

 мкФ

Номінальне значення  мкФ, де

Ом;

;

Ом;

 і  величини спотворень, внесених конденсаторами С2 і , які виражені у відносних одиницях;

вихідний опір попереднього каскаду чи внутрішній опір джерела сигналу для вхідного каскаду. Якщо попередній каскад з ЗК чи на мікросхемі, то  Ом

Фактична величина спотворень, що внесені елементами схеми з обраними номіналами, визначається за формулами:

дБ,

 дБ

Сумарна величина лінійних спотворень на нижній частоті дорівнює:

 дБ

Величина лінійних спотворень на верхній граничній частоті дорівнює:

 дБ

3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах

Розрахунок каскадів підсилення на мікросхемах полягає у виборі типу мікросхеми, здатної забезпечити на опорі  амплітуду  із припустимою величиною лінійних спотворень  і . Для підсилення сигналів широко використовують мікросхеми операційних підсилювачів (ОП). На цих мікросхемах, застосовуючи зворотній зв’язок, можна реалізувати різні види підсилювачів.

Розрахунок каскаду по постійному струму полягає у виборі резистора фільтра . Так як необхідна напруга  для мікросхем більш за джерело живлення , то фільтр не треба включати в схему. Схеми ОП у більшості випадків вимагають двох джерел живлення. Однак їх можна підключати до одного джерела . Схема підсилювача на ОП з живленням від одного джерела наведена на рисунку 9.

Рисунок 9. Схема підсилювача на ОП

При розрахунку каскаду на ОП по перемінному струму задаються величиною R2 з умови:

 Ом = 3 кОм.

Номінальне значення R2=3 кОм.

Величину резистора R3 визначають за необхідною величиною коефіцієнта підсилення за напругою .

 ,        

 Ом

Номінальне значення R3=93 кОм.

Резистор R1 визначають з умови .

 кОм.

Номінальне значення R1=100 кОм.

При цьому враховується, що потужність, що розсіюється на них, звичайно не перевищує 125 мВт.

Фактичний коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

;

Вхідний і вихідний опори:

,  кОм.

де коефіцієнт підсилення,  і - вхідний і вихідний опори ОП.

;  Ом.

При цьому повинні виконуватися умови:

 -,

 -,

 -;

Амплітуда вхідної напруги:

В = 7мВ.

Конденсатор С3 призначений для запобігання можливого збудження ОП на частотах вище . Його ємність дорівнює:

пФ;

Номінальне значення: С3=33 пФ.

Конденсатор С2 призначений для збільшення глибини НЗЗ за постійним струмом, що зменшує дрейф нуля ОП і стабілізує роботу каскаду. Ємність конденсатора визначають з умови:

 мкФ;

Номінальне значення: С2=5 мкФ.

Ланцюжок  забеспечує стійкість підсилювача, його конфігурація та параметри визначаються типом мікросхеми і вибираються за довідником.

 Ом,  пФ.

Ємність розділового конденсатора С4 визначається за формулою:

 мкФ;

Номінальне значення: С4=200 мкФ.

Величина спотворень, фактично внесених на нижній граничній частоті , дорівнює:

 дБ,

а на верхній граничній частоті  дорівнює:  дБ.

4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ

4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача

Якість підсилювача характеризується ступенем його відповідності технічному завданню. Найбільшою мірою це відображає коефіцієнти підсилення К,  і величини спотворень ,  і .

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як добуток коефіцієнтів підсилення за напругою окремих каскадів , розрахованих раніше:

;

Цей коефіцієнт має бути більше необхідного:

Ємність першого розділового конденсатора  на вході підсилювача визначається зі співвідношення:

 ,

де внутрішній опір джерела сигналу,

вхідний опір першого (вхідного) каскаду. 

 мкФ;

Номінальне значення:  мкФ.

Величина спотворень, внесених ємністю, дорівнює:

дБ;

Тоді,

 дБ.

 дБ

де ,  - величини лінійних спотворень, внесених і-им каскадом. Отримані величини не повинні перевищувати заданих:

,  дБ

,  дБ

4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача

Величина споживаного струму  визначається за відомими з попередніх розрахунків величинами колекторних (стокових) струмів спокою вхідного і проміжного каскадів , постійною складовою струму колектора вихідного каскаду , а також за струмами дільників базового зсуву  всіх каскадів, включаючи вихідний ( при наявності):

 А.

У двотактному каскаді режиму В- =0,637.

Потужність, споживана від джерела живлення,

 Вт.

ККД підсилювача дорівнює:

Висновок:

В ході курсового проекту був розрахован трьохкаскадний підсилювач потужності. Був вибран двотактний безтрансформаторний каскад, зібраний по схемі з загальним емітером (ЗЕ) на складених транзисторах. Наведені принципові схеми, вольт-амперні характеристики (ВАХ) транзисторів, діода, наскрізна динамічна характеристика.

Список літератури:

1. Гусев В.Г. Злектроника. - М.: Высшая школа. 1991. 622с.

2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -К.: Техника 1984. 424с.

3. Методические указания к курсовой работе по дисцеплине «Злектронные устройства ЖАТС». Часть З -X.: ХИИТ, 1988. 37с.

4. Методичні вказівки до курсового проекту з дисципліни « Електроніка та мікросхемотехніка». Часть 1 - X.: УкрДАЗТ. 2003. 62с.

5. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Под. ред. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985. 560 с.

6. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова. Издание второе, переработанное.. М.: Знергоатомиздат 1985. 902 с.