Курсовая работа: Проектирование усилителя сигналов

Содержание

Введение

1. Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы усилителя

2. Расчет усилителя мощности

2.1 Выбор цепи термостабилизации

2.2 Расчет оконечного каскада

2.3 Расчет предоконечного каскада

2.4 Расчет цепи термостабилизации

2.5 Расчет входного каскада

2.6 Расчет цепи обратной связи

3. Компьютерное моделирование

Заключение

Список литературных источников

Приложение

Введение

Усилители сигналов находят широкое применение во многих отраслях науки и техники. Они используются в радиовещании, радиосвязи, телевидении, дальней связи по проводам, радиолокации, радионавигации, измерительной, вычислительной технике и так далее.

Всякий усилитель характеризуется полосой пропускания от до . Усилители, у которых нижняя частота пропускания равна нулю, называются усилителями постоянного тока. Усилители переменного тока имеют .

Для усиления низкочастотных сигналов используются усилители низкой частоты, иначе называемые апериодическими усилителями; в соответствии с этим усилители высокой частоты, иначе избирательные усилители, применяются для усиления высокочастотных сигналов.

К усилителям низкой частоты относятся усилители постоянного тока, усилители звуковой частоты, усилители телевизионных сигналов, получившие название видеоусилителей, и другие.

Усилители высокой частоты подразделяются на резонансные и полосовые. В частности, усилитель промежуточной частоты супергетеродинного радиоприемника обычно представляет собой полосовой усилитель, у которого зависимость усиления от частоты в большей степени приближается к идеальной прямоугольной форме, чем у резонансного усилителя.

В зависимости от вида усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители гармонических и импульсных сигналов.

По типу усилительных элементов усилители делятся на ламповые, диэлектрические, магнитные, транзисторные и на интегральных микросхемах.

По области применения - микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и так далее.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. При необходимости получения усиления большего, чем может обеспечить один элемент, используется более развитой усилитель, содержащий несколько усилительных элементов. Усилительный элемент и относящиеся к нему элементы связи и питания образуют усилительный каскад. Таким образом, в общем случае усилитель содержит несколько усилительных каскадов, сокращенно каскадов. Основой каскада являются сам усилительный элемент; какие именно из элементов являются элементами связи данного каскада (усилительного элемента), устанавливают, исходя из наиболее удобных соотношений для анализа и расчета.

Первые каскады усилителя работают при относительно низком напряжении сигнала и носят название каскадов предварительного усиления иначе каскадов усиления напряжения, их основным назначением является повышение уровня сигнала.

Выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, создается оконечным каскадом, представляющий собой каскад усиления мощности. У усилителей со сравнительно большой входной мощностью, предоконечный каскад, так же как и оконечный, является каскадом усиления мощности.

В дальнейшем рассмотрим построение и расчет усилителя мощности для стационарной аппаратуры.

1. Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы усилителя

Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя мощности.

Сигнал от источника сигнала (рис.1.1) поступает на вход предварительный усилителя мощности, где происходит усиление сигнала по напряжению и току (мощности). С выхода усилителя сигнал подается на нагрузку.

Определим число каскадов, необходимых для усилителя:

Определим номинальный сквозной коэффициент передачи:

Задаемся необходимым запасом усиления для обеспечения заданных характеристик усиления:

а) на введение ООС запас численно равен глубине обратной связи F, обеспечивающей снижение нелинейных искажений оконечного каскада усилителя до установленного заданием предела:

- коэффициент гармоник оконечного каскада без отрицательной обратной связи:

в) технологический запас, учитывающий разброс параметров компонентов:

определим требуемый сквозной коэффициент усиления:

определяем число каскадов усиления по напряжению:

получили ;

определяем необходимость мер по согласованию цепей передачи сигнала в усилительном тракте. Для уменьшения потерь в цепи источника сигнала входное сопротивление усилителя должно удовлетворять условию:

Полученная схема представлена на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 - Подробная структурная схема усилителя мощности для стационарной аппаратуры

На рисунке 1.2 Приняты следующие обозначения: ВК входной каскад усилителя мощности; ПОК - предоконечный каскад УМ; БП - блок питания; ФП - фильтр питания; ООС - цепь обратной связи УМ; ОК - оконечный каскад УМ.

2. Расчет усилителя мощности

Рисунок 2.1 - Схема усилителя мощности.

2.1 Выбор цепи термостабилизации

На приведенной схеме (рис. 2.1) эта цепь была условно обозначена . Она предназначена для создания начального смещения на базах транзисторов выходного каскада. В процессе нагрева их параметры существенно изменяются, что влечет за собой изменение режимов и нарушение работы всей схемы. Цепь в зависимости от температурного режима изменяет напряжение смещения так, чтобы компенсировать изменение параметров транзисторов. усилитель мощность каскад термостабилизация

По условиям задания, наиболее оптимальной является схема на транзисторе.

В качестве цепи термостабилизации применим диодную схему. Её включим в схему усилителя вместо условно показанной на Рис.2.1 цепи R_t.

Рисунок 2.2 - Цепь термостабилизации.

Данная схема обеспечивает достаточную температурную стабильность в диапазоне температур -20 ... +40 ^оС.

2.2 Расчет оконечного каскада

1.Определяем амплитуду напряжения и тока на нагрузке:

2.Определяем напряжение источника питания:

где =1...3 В - остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при P=1...12 Вт, но всегда >0,4...0,7 В. должно иметь запас 10…15% то есть:

выбираем из стандартного ряда

При данных условиях можно реализовать усилитель по бестрансформаторной схеме, так как максимальная мощность обычного двухтактного каскада больше мощности указанной в техническом задании.

3.Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

4.Определяем желаемый коэффициент усиления по току для выходных транзисторов:

где = 10…20 мВт - выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А:

5.Выбираем транзисторы оконечного каскада (VT3, VT4) по следующим параметрам:

Применим в оконечном каскаде комплементарную пару составных транзисторов - MJH6284, MJH6287. Пары таких транзисторов специально предназначены для работы в оконечных каскадах усилителей мощности низкой частоты. Выбранные транзисторы имеют достаточный запас по всем максимально допустимым параметрам. Основные технические характеристики для VT3 и VT4 сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

6. Необходимо проверить, смогут ли выходные транзисторы нормально работать без дополнительного теплоотвода. Максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе при заданной температуре окружающей среды и отсутствии радиатора определяется выражением:

где соответственно max рабочая температура перехода коллектор-база, тепловое сопротивление промежутка переход-среда.

Согласно условиям эксплуатации, данные транзисторы должны работать с дополнительными теплоотводами, т.е. с радиаторами. Тепловое сопротивление радиатора и площадь его поверхности определяется с помощью следующих выражений:

7. Определяем постоянный ток и мощность, потребляемые от источника питания, и коэффициент полезного действия:

Ток покоя оконечных транзисторов в рабочей точке:

2.3 Расчет предоконечного каскада

Для расчета необходимы следующие исходные данные:

Амплитуда тока базы выходных транзисторов

Входное сопротивление оконечного каскада

Определим напряжение смещения оконечного каскада (напряжениями на резисторах R9, R10 как правило можно пренебречь), при этом учитываем, что транзисторы составлены в пары по схеме Дарлингтона:

1. Задаем ток покоя:

2. Выбираем R8:

Из ряда Е12 R8 = 150 Ом

3. Рассчитываем R7

Из ряда Е12 R7=180 Ом

4. Выбираем VT2 по следующим параметрам:

Выбираем транзистор VT2: BC557

2.4 Расчет цепи термостабилизации

1. Для цепи смещения выбираем транзистор BC547 по следующим критериям:

Ток через делитель цепи смещения транзистора:

I_д (0,2…0,3) I_к2 = 0,2·0,033 = 6,6 мA

Номинал резистора резистора R_бт:

R_бт= U_см - U_0бэ / I_д = 2,4 - 0,7 / 0,0066 = 258 Ом

из ряда Е12 выбираем R_бт = 270 Ом.

Номинал резистора резистора R_п:

Rп = U_0бэ / I_д = 0,7 / 0,0066 = 106 Ом

Применим подстроечный резистор СП5-3 100 Ом.

5. Определяем входное сопротивление ПОК. Оно практически определяется входным сопротивлением транзистора.

где .

6. Определим коэффициент усиления каскада по напряжению:

7. Результаты расчета предоконечного каскада:

2.5 Расчет входного каскада

Исходные данные:

Задаем постоянный ток коллектора VT1

Зададим ток коллектора

Выбираем VT1 по критериям:

Транзистор VT1: BC547

Рассчитываем R4:

где

Из ряда Е12 R₄ = 820 (Ом)

2.6 Расчет цепи обратной связи

Коэффициент в данном случае можно округлить, как коэффициент передачи напряжения от точки “С” к переходу б-э транзистора VT1:

где

Сопротивление представляет собой нижнее плечо делителя в цепи обратной связи, состоящее из параллельного соединения сопротивления и выходного сопротивления транзистора VT1 со стороны эмиттера :

,

где:

где .

Определим ток базового делителя:

Выберем ток

Задаем падение напряжения на :

Задаем значение :

Из ряда Е12

Определим постоянный потенциал базы VT1:

Для нормальной работы необходимо, чтобы Проверяем

Определяем :

Из ряда Е24 R₃ = 33 (кОм)

Определяем :

Из ряда Е12 R₂ = 27 (кОм)

Определяем :

Из ряда Е12 R₁ = 6,8 (кОм)

Коэффициенты усиления предоконечного и выходного каскадов:

Где

где - внутренняя крутизна транзистора.

Найдём

Из ряда Е12

Коэффициент петлевого усиления равен:

где - коэффициент усиления оконечного каскада (VT3 и VT4),

- предоконечного каскада (VT2),

- входного каскада (VT1)

Найдем входное сопротивление каскада на VT1:

Рассчитаем величины емкостей ,, и , по формуле:

где - затухание (в разах)

Рассчитаем ; для него

Из ряда Е12

Рассчитаем:

Для C3 и С4 расчет можно упростить. Емкости С3 и С4 находятся в петле обратной связи. Искажения, вносимые этими емкостями, будут уменьшены в глубину обратной связи (в F раз), поэтому их величины могут быть рассчитаны, исходя из следующих соображений. Сопротивления этих емкостей на нижней частоте диапазона должны быть заметно меньше, чем R5 и R8 соответственно:

Из ряда Е12

Рассчитаем:

Из ряда Е12

Рассчитаем для него и положим искажения, вносимые этой емкостью М=1дБ

Из ряда Е12

Определим

Из ряда Е12

Определим: для устранения возможности самовозбуждения на высоких частотах частотную характеристику коэффициента петлевого усиления ограничивают за счет включения конденсатора , определяемого по выражению:

Из ряда E12

Результаты расчетов занесём в таблицу: