Министерство  образования Российской Федерации

Уфимский  государственный авиационный технический  университет 

Кафедра технической кибернетики 
 
 
 
 
 
 
 
 

26.2.070107.421ПЗ 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

по  дисциплине «Общая электротехника и электроника»

по  теме:

Проектирование и расчет низкочастотного усилителя 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

студентка гр. САУ-302

Иванова И.

Проверила:

доцент  кафедры ТК

Костюкова Л. П. 
 
 
 
 

Уфа 2007

Введение

   Электроника является универсальным и исключительно  эффективным средством при решении  самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся  необходимыми все более широкому кругу специалистов.

   Усилители, одни  из  самых  широко  используемых  устройств  в   радиотехнике. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь) и через трансформатор (трансформаторная связь).

   Все характеристики усилителя можно  разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным  характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная  емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

   Часто работа усилителя необходима  в  определенном  спектре  частот.   Одним  из  вариантов  решения  подобных  задач  заключается  в  использовании усилителей низкой частоты.

   Курсовой  проект посвящен исследованию и разработке функциональных блоков и устройств информационных систем. К таким блокам относится усилитель низкой частоты.

   Выходное  сопротивление генератора очень  мало. С целью его наилучшего использования, необходимо создать такое сопротивление нагрузки генератора, которое, как минимум, на порядок превышает его внутреннее сопротивление:

   R_н=10*R_ген=10*10 кОм=100 кОм=0.1 МОм. 
 
 
 
 
 
 

1. функциональная схема усилителя

   В данной работе для реализации была выбрана следующая схема:

     

    Входным каскадом является на основе неинвертирующей схемы включения операционный усилитель (К140УД6), который обеспечивает высокое входное сопротивление (1 МОм). Это необходимо для согласования усилителя с источником входного сигнала, за счет снятия нагрузки с источника входного сигнала.  

   Каскад  предварительного усиления является многозвеньевым и обеспечивает заданную форму логарифмической  амплитудной характеристики.

   Выходным  каскадом является усилитель мощности, который обеспечивает согласование с нагрузкой и обеспечивает выходной сигнал по мощности.

   В качестве усилителя мощности наиболее часто применяются бестрансформаторные  усилители, которые характеризуются  простотой схемного построения, отсутствием нестандартных деталей, высокими качественными показателями, малыми габаритами и весом. Наиболее удобно применение двухтактных усилителей мощности, выполненных на транзисторах с дополнительной симметрией и работающих в режимах классов В и АВ. Такие усилители хорошо сопрягаются с ОУ и могут с ними охватываться общей отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька». С этой целью рекомендуется использовать режим работы класса АВ. 
 
 
 
 
 
 

2. Расчет и проектирование  элементов усилителя 

    2.1 Расчет усилителя мощности

    Рассчитаем  усилитель по схеме:

      

    Определяется  амплитудное значение коллекторного  напряжения одного плеча:

     = =

    Определим  необходимое напряжение источника  питания:

     _, где U_{k min} примем равным 1,5 В.

    По  полученному значению E_k выберем из ряда стандартных напряжений ближайший в сторону увеличения стандартный номинал напряжения источника питания. В нашем случае это 6,3 В (E_k=6,3 В).

    Определим амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT3(VT4):

     .

    Определяем  среднее значение тока, потребляемое от источника питания оконечным  каскадом:

     = ,

где  I_ok – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4  
(примем I_ok=25 мА).

    Определяем  мощность, потребляемую от источников питания оконечным каскадом при  номинальной выходной мощности

    

     = .

    Определяем  мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора оконечного каскада

     = .

    По  рассчитанным значениям P_k, 2E_k, (I_km+30%) 
и требованиям к частотным свойствам (n³20 кГц) подбираем транзисторы VT3 и VT4. При этом они должны иметь одинаковые параметры и ВАХ.

Итак, должны выполняться  следующие условия:

, т.е. ( )

, т.е.  ( )

, т.е.  ( ) 

    Этим  условиям удовлетворяют параметры  транзисторов КТ819А (n-p-n) и КТ818А (p-n-p). Они подходят по максимально допустимым параметрам и имеют одинаковые параметры и ВАХ.

    По  статическим характеристикам транзисторов VT3(VT4) определяем амплитудное значение тока базы I_бm и напряжение на базе U_бm(Рис 1):

    I_бm= 180 мA,

    U_бm=0,42 В.

    Далее определяем входное сопротивление  транзистора для переменного  тока:

    R_вхT3~ = =

    Определяем  амплитуду входного напряжения каждого  плеча(VT3,VT4):

    U_вхт3 = U_бm+U_km = 0,42+2,83 =3,25 В

    Определяем  величину сопротивлений резисторов R3 и R4. Она выбирается в 5÷10 раз больше значения входного сопротивления переменному току транзисторов VT3 и VT4 при максимальном входном сигнале:

    R3=R4=(5÷10)R_вхT3~= .

    

    По  полученному значению R3 (R4) выберем из ряда стандартных сопротивлений резисторов ближайший в сторону увеличения стандартный номинал сопротивления резисторов R3 (R4). В данном случае R3=R4=150 Ом

    Находим сопротивление эмиттерной нагрузки транзисторов VT1 и VT2:

    R_нт1= .

    Рассчитаем  режим работы транзисторов VT1 и VT2. Найдем амплитуду импульса коллекторного  тока транзистора VT1:

    I_kmT1= .

    Определяем  среднее значение тока

    I₀ = ,

где I_ok - начальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 примем равным 1,5 мА.

    Определяем  мощность  при номинальной выходной мощности:

    Р₀= .

    Определяем  мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора:

    Р_к= = .

    Аналогично  вышеуказанному способу, выбираем пару транзисторов VT1 и VT2. В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем соответственно транзисторы КТ503А(n-p-n) и КТ502А (p-n-p):

, т.е. ( )

, т.е.  ( )

, т.е.  ( )

    По  статическим характеристикам транзисторов VT1(VT2) определяем амплитудное значение тока базы I_бм и напряжение на базе U_бм (Рис 2):

    I_бm=5,3 мА, U_бm=186 мВ.

    Далее определяем входное сопротивление  транзистора для переменного тока:

    

    R_вхT1~ = = .

    Определяем  амплитуду входного напряжения каждого  плеча(VT1,VT2):

    U_вхТ1=U_бmТ1+U_kmT1=0.186+3,25=3,436B, заметим, что U_kmT1=U_вхТ3=3,25 В.

    Так как R_вхT1~ < 1 кОм, значит R_вхУМ < 1 кОм (R_вхУМ = R_вхT1~ | | R₁).

    {Находим делитель R₁-VD1-VD2-R₂ по I_д = 7.5·I_0бT1=0,375мА, по  
U_д ≈ U_0bT1 =0,34 В. Определяем диод  по этим параметрам: выбираем КД514А.

    Определяем  R₁(R₂):

    R₁=R₂= = . Выбираем сопротивление из стандартного ряда (±5%): R1=R2=33 кОм.                                     

    Найдем  входное сопротивление усилителя  мощности:

    R_вхУМ= .} 

    2.3 Расчет теплоотвода для транзисторов выходного каскада

    Подводимая  к усилителю электрическая мощность рассеивается в основном помимо нагрузки, на транзисторах оконечного каскада. Вследствие этого температура внутренних областей и корпуса прибора превышает температуру окружающей среды. Температура p – n – переходов является важнейшим фактором, от которого зависят не только величины основных параметров, но и общая работоспособность приборов.

    С целью удержать температуру на допустимом уровне используют теплоотводящие радиаторы.

    Определим требуемую площадь радиатора, изготовленного из алюминия с коэффициентом теплопроводности К=0,0013 Вт/см²*градус.

    Примем  температуру окружающей среды равной

     =50 .

     =125 - максимальная температура переходов для транзисторов VT3 и VT4 с радиатором (взята из справочника).

     =4.73 Вт - суммарная мощность рассеивания на переходах транзисторов VT3 и VT4,

    Тепловое  сопротивление между полупроводником  и корпусом:

    

      T_K определяется по графику (Рис. ): T_K=380 К=107 ⁰C