МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматики и промышленной электроники
Курсовая работа
по курсу
“Аналоговая схемотехника”
“Проектирование усилителя низкой частоты”
Выполнил: студент
Гр. ЭС-91
Руководитель: Дудник А.Б.
Сумы - 2002

Содержание
  Введение
1. Выбор принципиальной схемы
2. Расчет выходного каскада
3. Расчет предоконечного каскада
4. Расчет входного каскада
5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи
6. Расчет элементов связи
Литература

Введение

Усилителями называют устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов - усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.
Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющей сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, но оно же обусловило ещё большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой ёмкости).
Наряду с применением основного типа усилителей - УПТ - в ряде случаев оказывается целесообразным использование усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи между каскадами усилителей в настоящее вышло из употребления, так как конденсаторы с большой ёмкостью невыполнимы в виде элементов ИМС.
Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.

1. Выбор принципиальной схемы

Находим максимальную мощность P_вх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления R_вх усилителя и внутреннего выходного сопротивления R_ген источника сигнала:
 (1.1)
где e_ген - величина ЭДС источника сигнала;
R_ген - внутреннее сопротивление источника сигнала.
Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:
 (1.2)
где a_p= (1,1¸1,3) - коэффициент запаса по мощности;
 - мощность, выделяемая в нагрузку.

Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле:
 (1.3)
Определим ориентировочное число каскадов, считая, что каждый каскад может обеспечивать усиление мощности примерно на 20дб.

 (1.4)
Составим структурную схему (рисунок 1.1):

ПК

ПОК

ВК

Uн

Rн

Iн

ВхК

Rвх

Rген

eген

Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя: ВхК - входной каскад, обеспечивающий главным образом согласование с источником сигнала; ПК - промежуточный каскад; ПОК - предоконечный каскад; ВК - выходной сигнал, работающий непосредственно на нагрузку
Составив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады.

2. Расчет выходного каскада

+ Eп

- Eп

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Rн

R4

R2

R3

R1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C5

C4

+ Eп

- Eп

Uвх

Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный выходной каскад
Выбор выходных транзисторов.
Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1):
 (2.1)
где U_н - эффективное значение напряжения на нагрузке в В.
Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4):

 (2.2)
Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:
 (2.3)
Необходимое напряжение источника питания:
 (2.4)
где k₁= (1,01¸1,1) - коэффициент запаса по напряжению;
r_нас= (0,1¸1) - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.
Выберем напряжение источника питания равным 15В.
Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
 (2.5)
По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT3 (VT4):
 (2.6)
По справочнику [11] выбран транзистор KT817Б со следующими параметрами:
 - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;
 - максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;
 - максимально допустимый постоянный ток коллектора;
 - коэффициент передачи тока базы минимальный;
 - максимально допустимая температура перехода;
 - тепловое сопротивление подложка-корпус;
 - обратный ток коллектора.
Выходные и входные характеристики изображены на рисунках 3 и 4.
После предварительного выбора транзисторов VT3 и VT4 нужно проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:
 (2.7)
где  - номинально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при максимальной температуре коллекторного перехода, Вт;

где t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур, ^°С.

Поскольку , то выбранные транзисторы подходят.
Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I_0k3 транзисторов VT3 и VT4:
 (2.8)
где I_kоmax (50^°C) =1500мкА берётся в справочнике [11].

I_0k3< I_kдоп - это значит, что транзисторы выбраны правильно.
На семействе выходных характеристик транзисторов VT3 (VT4) строятся нагрузочные прямые по переменному току с координатами (см. рис.2.2):
А (I_0k3; E_п); В (I_0k3+I_km3; E_п-U_km3); (2.9)
А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);
Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): U_бm3=0,54В - амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U_0б3=0,6В - напряжение покоя базы; U_б3max=1,14В - максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; I_бm3=57мА - амплитудное значение тока базы; I_0б3=1,78мА - ток покоя базы; I_б3max=55.22мА - максимальное значение тока базы.
Входное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзисторов VT3 (VT4):
 (2.10)

Номинал резисторов R₃ и R₄ для мощных транзисторов:
 (2.11)
Мощность, выделяемая на резисторах R₃ и R₄:
 (2.12)
Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки
Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1):
 (2.13)
Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2):
 (2.14)
Принимается . По следующим неравенствам выбираются транзисторы VT1, VT2:

По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ815Б (n-p-n) со следующими параметрами:

Для построения линии нагрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются следующие координаты точек A’ и A”:
, (2.15)
.
Переносим точки A’ и A" на входные характеристики транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4).
По графику (рис.2.4) определяются следующие параметры:
 - амплитудное значение напряжения на базе;
 - амплитудное значение тока базы;
 - ток покоя базы транзистора;
 - напряжение покоя базы.
Определение основных параметров выходного каскада
Выходное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2):
 (2.16)
Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3:

 (2.17)
Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4:
 (2.18)
Амплитудное значение входного напряжения:
- верхнего плеча (VT1,VT3):
 (2.19)
- нижнего плеча (VT2,VT4):
 (2.20)
Требуемое падение напряжения U_од на диодах VD1, VD2 при токе
 (2.21)
равно:
 (2.22)

По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА, прямое напряжение должно быть больше 1,815В. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами:
- Средний прямой ток 8мА;
-При токе 0,27мА на диоде происходит падение напряжения равное 0.7В, поэтому необходимо брать 3 диодов.
Сопротивление резисторов R₁ и R₂ делителя
 (2.23)
Мощность, выделяемая на резисторах R₁ и R₂:
 (2.24)
Входное сопротивление верхнего плеча каскада с учетом R₁ и R₂:
 (2.25)
Входное сопротивление нижнего плеча каскада:
 (2.26)
Коэффициент усиления по напряжению:
- верхнего плеча:
 (2.27)
- нижнего плеча:
 (2.28)
- среднее значение:
 (2.29)
Коэффициент полезного действия всего каскада:
 (2.30)
Мощность на выходе каскада:
 (2.31)
Поправка к схеме

Rн

R4

Rэ

R3

R1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C5

C4

+ Eп

- Eп

Cэ

R”

R’

VT0

VD3

Рисунок 2.5 - Уточнённый бестрансформаторный выходной каскад
Выбирается транзистор VT0 КТ3102А со следующими параметрами:

Мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7):


Поскольку , то выбранный транзистор подходит.
Определяются следующие токи:







Нахождение сопротивления R_э и C_э:
 (2.32)
 (2.33)
Мощность, выделяемая на резисторе R_э:
 (2.34)
Определение сопротивлений R’ и R”:

 (2.35)
 (2.36)
Мощность, выделяемая на резисторах R^’ и R^”:
 (2.37)
Уточнённое значение мощности рассеивания одним транзистором VT3 (или VT4):
 (2.38)
Тепловое сопротивление корпус-среда:
 (2.39)
Площадь радиатора:
 (2.40)
где K_T=0,0012¸0,014 Вт×см²×град^-1 - коэффициент теплоотдачи.

3. Расчет предоконечного каскада

Сквозной коэффициент усиления:
 (3.1)
Рисунок 3.1 - Схема предоконечного каскада
Поскольку K_скв очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной - каскады с общим эммитером.
Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами:

+30В

R1

R2

Rk

Rэ

R4

С1

Сэ

С2

VT

В

А

Принимается  
Тогда


Допускается, что напряжение в точке В U_B=24В. Тогда напряжение в точке А будет
.
Сопротивление резисторов R₁ и R₂ делителя:
 (3.2)
Мощность, выделяемая на резисторах R₁ и R₂:
 (3.3)
Сопротивление R₄:
 (3.4)
Мощность, выделяемая на резисторе R₄:
 (3.5)

Сопротивление R_э:
 (3.6)
где U_Rэ=U_B/10=3В.
Мощность, выделяемая на резисторе R_э:
 (3.7)
 (3.8)
Напряжение база-эмиттер:
 (3.9)
Здесь



Из уравнения (3.6) определяется r_б:
 (3.10)
Входное сопротивление каскада:
 (3.11)
Сопротивление R_k:
 (3.12)
Мощность, выделяемая на резисторе R_к:
 (3.13)
Выходное сопротивление каскада (учитывая, что r_k>>R_k):
 (3.14)
Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:
 (3.15)
 (3.16)
Тогда
 (3.17)
 (3.18)
Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:
 (3.19)

4. Расчет входного каскада

Схема входного каскада представлена на рис.5.1.
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

+UХп=24В

R1

R2

R3

Rэ

С1

Сэ

VT

А

Рисунок 5.1  Схема входного каскада
Выбирается транзистор VT КТ3102Г со следующими параметрами:

Принимается  Тогда



Напряжение в точке А будет
.
Сопротивление резисторов R₁ и R₂ делителя:
 (5.1)
Мощность, выделяемая на резисторах R₁ и R₂:
 (5.2)
Сопротивление R_э:
 (5.3)
Мощность, выделяемая на резисторе R_э:
 (5.4)
 (5.5)
Напряжение база-эмиттер:

 (5.6)
Здесь



Из уравнения (3.6) определяется r_б:
 (5.7)
Входное сопротивление каскада:
 (5.8)
Сопротивление R_k:
 (5.9)
Мощность, выделяемая на резисторе R_к:
 (5.10)

Выходное сопротивление каскада (учитывая, что r_k>>R_k):
 (5.11)
Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:
 (5.12)
 (5.13)
Тогда
 (5.14)
 (5.15)
Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:
 (5.16)

5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи

Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным
 (6.1)
где  - коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
 - коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;
 - коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.
Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
 (6.2)
Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:
 (6.3)

где K - коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):
 (6.4)
Коэффициент j:
 (6.5)
где R’ выбирается 10Ом, а R_ОС - порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в
 раз.
Можно записать:

Откуда j=6/K.
Тогда

 (6.6)
В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
 (6.7)
Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным
 (6.1)
где  - коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
 - коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;
 - коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.
Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
 (6.2)

Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:
 (6.3)
где K - коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):
 (6.4)
Коэффициент j:
 (6.5)
где R’ выбирается 10Ом, а R_ОС - порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в
 раз.
Можно записать:

Откуда j=6/K.
Тогда
   (6.6)
В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
 (6.7)

6. Расчет элементов связи

Распределение фазовых сдвигов:
   

Для входного каскада:
 (7.1)
Для предоконечного и промежуточных каскадов:
 (7.2)
 (7.3)
Для выходного каскада:
 (7.4)
 (7.5)

R1, R2, R5, R6, R9, R10, R13, R14	ВС-1-0,125-6,2кОм-10%
R3, R7, R11, R15	ВС-1-1-68Ом-10%
R4, R8, R12, R16	ВС-1-0,5-30Ом-10%
R17	ВС-1-0,125-3,9МОм-10%
R18, R19,	ВС-1-0,125-240кОм-10%
R20	ВС-1-0,125-13кОм-10%
R21, R22	ВС-1-0,125-1кОм-10%
Rн	ВС-1-20-11Ом-10%
Rф	ВС-1-1-62Ом-10%
Rос	ВС-1-0,125-22кОм-10%
R’	ВС-1-20-10Ом-10%
С1	К50-6-50В-2мкФ- (-20¸+80)%
С2, С4, С6, С8	К50-6-10В-10мкФ- (-20¸+80)%
С3, С5, С7	К50-6-16В-5мкФ- (-20¸+80)%
С9	К50-9-3В-0,5мкФ- (-10¸+100)%
С10	К75-42-1600В-0,0033мкФ-10%
С11	К50-6-10В-50мкФ- (-20¸+80)%
Сф	К50-22-50В-1500мкФ- (-20¸+50)%
VT1-VT5	KT-3102A
VT6	КТ-814Б
VT7	KT-815Б
VT8,VT9	KT-817Б
VD1-VD6	Д2Ж

Литература

1. Аронов В.А., Баюков А.В. и др. Полуроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982.
2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленной электронике. - М.: Радио и связь, 1987.
3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - М.: Наука, 1983.
4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. - М.: КубК-а, 1996.
5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М: Радио и связь, 1985.
7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
8. Доршков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту “Проектирование усилителя низкой частоты". - Сумы: СФТИ, 1993.
9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983.
10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982.
11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - М.: Радио и связь, 1984.
12. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Энергоатомиздат, 1985.