Расчет усилителя

Введение

Электронные усилители широко применяются в системах автоматики. Твердые знания в области электроники невозможны без приобретения практических навыков расчета электронных усилителей.

Курсовая работа  является практическим продолжением теоретического материала, который изучается в разделах по схемотехнике электронных устройств.

 

1. Общие сведения

1.1. Цель курсовой работы

Целью роботы является приобретение навыков расчета усилителя переменного тока, на примере бестрансформаторного усилителя низкой частоты (УНЧ).

 Полученные в ходе выполнения курсовой роботы практические навыки должны стать основою приобретения навыков  основательно составлять технические задания на разработку электронных устройств и систем, при этом грамотно пользоваться научно-технической и справочной литературой, рационально выбирать схемы электронных устройств и их элементов при решении практических задач по специальности.

Для выполнения расчетов необходимо знать основные характеристики усилителя переменного тока, принцип их построения и работы, методы  расчета.

1.2.Содержание пояснительной записки и общие требования к ней. 

Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки.

Пояснительная записка – это документ, который содержит описание принципа построения и работы электронного устройства, которое разрабатывается, а также обоснование принятых при его разработке технических и технико-экономических решений. 

Пояснительная записка содержит:

1. Титульный лист;
2. содержание;
3. введение, в котором приводятся краткие общие сведения про устройство;
4. разработку технического задания;
5. анализ технического задания и разработку структурной схемы УНЧ;
6. разработку электрической принципиальной схемы УНЧ;
7. расчет каскада предварительного усилителя УНЧ, где приводятся расчетные формулы с пояснением переменных, результаты вычислений, положения по выбору параметров элементов и режимов работы, а также др. необходимые для понимания полученных результатов данные;
8. графическую часть, в которую входят электрическая принципиальная схема электронного устройства, при необходимости его узлов, графики зависимостей, которые использовались при вычислениях или есть результатами вычислений;
9. выводы;
10. список литературы.

Требования к оформлению курсовой работы

Текстовая часть работы должна быть написана (или напечатана) на одной стороне листа стандартного размеру (297х210). Лист курсовой работы должен иметь поля: левое – 25 мм, верхнее – 20 мм, правое –10 мм, нижнее – 20 мм. Каждая страница имеет номер. Первый номер имеет титульный лист, однако он не пишется. Все остальные страницы нумеруются в такой последовательности, в какой они сброшюрованы в проекте. В тексте записки необходимы ссылки на литературные источники.

Расчетные формулы, вписывают разборчиво и нумеруют арабскими цифрами. Порядковый номер указывают в круглых скобках с правого боку напротив нижнего ряда формулы. При ссылке в тексте на формулы необходимо указать ее полный номер в скобках. После формулы ставится точка, с нового ряда пишется слово „где” и  расшифровываются обозначения.

Электрические схемы необходимо выполнять в соответствии с требованиями государственных стандартов. Принципиальная схема усилителя обязательно должна иметь рамку и штамп. Элементы схемы выбирают с учетом требований стандартов. Например, резисторы выбирают по номинальным значениям, близким к расчетным величинам сопротивлений, и величине мощности, которая рассеивается на резисторе в рабочем режиме. Конденсаторы выбирают по номинальным значениям емкости, ближайшим к расчетным величинам и величиною рабочего напряжения.

Общий объем курсовой работы, включая список литературы и дополнения, не должны превышать 30–35 страниц, напечатанных через два интервала.

1.3. Задание на курсовую работу

На основании исходных данных для расчета УНЧ:

1)  Рвых, Вт – мощность на выходе усилителя;

2)  Rн, Ом – сопротивление нагрузки;

3)  Uвх, мВ – напряжение источника входного сигнала;

4)  Rи, Ом – внутреннее сопротивление источника входного сигнала;

5)  (fн - fв), Гц – нижняя и верхняя границы частот усиления.

Варианты исходных данных приведены в табл.1.

                         Таблиця 1   

Цифры номера зачетной книжки		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
десятки	единицы
Рвых,Вт		5	4	3	2	1	5	4	3	2	1
Rн,Ом		8	4	4	8	8	4	8	8	4	4
	Uвх, мВ	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65
	Rи, Ом	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
	Мн=Мв	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1
	(fн-fв),Гц	50 - 20000

 

 Необходимо спроектировать бестрансформаторный УНЧ и определить:

1)   коэффициент усиления УНЧ по мощности Кр;

2)   тип схемы выходного каскада;

3)   типы транзисторов каскадов усиления;

4)   число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

5)   электрическую принципиальную схему УНЧ;

6)   параметры элементов каждого каскада, режимы работы транзисторов.

Пример выбора варианта по номеру зачетной книжки 77732:

с колонки 3 имеем - Рвых=2 Вт, Rн = 8 Ом;

с колонки 2 - Uвх =30 мВ, Rи =300 Ом, (fн-fв) = (50-20000) Гц, Мн=Мв=1,4.

1.4. Литература

1. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств/ Под ред. А.А. Ровдо.– М., 2001.–368 с.

2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий и др. –Телеком, 1999.

3. Справочник по расчету  электронных схем./ Б.С. Гершунский. – Киев: Высшая школа; Изд-во при  Киев. ун-те, 1983. – 240 с.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.– М.: Высшая школа, 1991.

5. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум./За ред. А.Г. Соскова. – К.: Каравела, 2003.– 368 с.

Подробная методика проектирования УНЧ приведена в методической разработке.

 

2. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы

Выполнение курсовой работы необходимо начинать с выяснения задания, последовательности и объема конкретных вопросов, которые подлежат разработке.  После этого составляется примерный план работы, который утверждается руководителем. Затем необходимо ознакомиться с рекомендованною литературой.

2.1. Теоретические положения

УНЧ предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых находится в пределах от десятков герц до десятков килогерц. УНЧ строятся преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном выполнении.

Функция УНЧ состоит в получении на заданной величине сопротивления нагрузки, сигнала необходимой мощности. Источником сигнала может быть микрофон фотоэлемент, индукционный датчик и др. В качестве нагрузки может служить громкоговоритель, измерительный прибор (вольтметр, осциллограф), следующий каскад усиления и др.

При построении современных УНЧ используют большое число схем та схемотехнических приемов. Выходные каскады УНЧ строятся по одно- или двухтактным схемам, с трансформаторной  или бестрансформаторной связью с нагрузкой.

Последнее время широко применяются  бестрансформаторные выходные каскады усиления. Это позволяет упростить схему усилителя и исключить из них габаритные элементы – трансформаторы. Такие УНЧ работают в экономичном режиме класса АВ или В при высоком КПД. Выходные каскады усиления выполняют на транзисторах разного типа проводимости – на комплементарных парах транзисторов или на составных транзисторах. Схема простейшего каскада усиления на комплементарных парах транзисторов, приведена на рис.1,а. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с общим коллектором (ОК). Другая схема, в которой используются составные транзисторы, приведена на рис.1,б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)        б)

Рис. 1. Бестрансформаторные оконечные каскады усиления:

а)  на комплементарных парах транзисторов;

б)  на составных транзисторах.

Входные каскады та каскады предварительного усиления, как правило, выполняют  на биполярном (рис. 2,а) или полевом транзисторе (рис. 2,б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)        б)

Рис. 2. Каскады предварительного усиления:

а)  на биполярном транзисторе;

б)  на полевом транзисторе.

 

Схема каскада усиления на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) является наиболее распространенной. Такой каскад, по сравнению с каскадами с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), имеет наибольший коэффициент усиления по мощности.

Каскад усиления с общим истоком (ОИ) нашел широкое применение во входных цепях интегральных усилителей.

Проектирование УНЧ необходимо проводить в два этапа. На первом этапе проводится предварительный (эскизный) расчет УНЧ.  На другом этапе –окончательный расчет УНЧ.

2.2. Предварительный расчет УНЧ

Содержанием предварительного расчета УНЧ является:

1) Разработка технического задания (ТЗ), то есть определение  основных показателей, которые должны иметь проектируемый УНЧ.

В ТЗ приводиться напряжение источника входного сигнала Uвх; диапазон частот усиливаемого сигнала (fн-fв); напряжение Uвых или мощность Рвых на выходе усилителя; сопротивление нагрузки Rн; коэффициент частотных искажений на нижней частоте диапазона Мн; система питания усилителя.

Эти основные выходные данные могут быть дополнены специальными требованиями, обусловленными назначением и условиями роботы УНЧ.

2) Разработка структурной схемы УНЧ с приведением технических требований к отдельным узлам: ориентировочно выбирают типы транзисторов отдельных каскадов, распределяют по каскадам общий коэффициент усиления, частотные та нелинейные искажения, определяют регулируемые параметры – усиление, тембр и др.

2.2.1. Разработка технического задания (ТЗ)

Для предварительного расчета УНЧ исходными данными являются:

1)   требуемая мощность на выходе УНЧ – Рвых;

2)   сопротивление нагрузки – Rн;

3)   напряжение источника входного сигнала – Uвх;

4)   внутреннее сопротивление источника сигнала – Rи ;

5)   диапазон частот fн – fв.

Считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях. Температура окружающей среды: Tmin=+15 °С ; Ттаx = +25 °С.

Задавшись исходными данными на проектирование УНЧ, переходят к разработке его структурной схемы.

2.2.2. Разработка структурной схемы УНЧ

Для этого необходимо определить:

1)   коэффициент усиления УНЧ по мощности Кр;

2)   число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

3)   тип схемы и  типы транзисторов выходного (оконечного) каскада.

Порядок расчета УНЧ:

1. Находим мощность входного сигнала.

Отметим, что максимальная мощность отдается источником входного сигнала нагрузке,  когда входное сопротивление каскада равно внутреннему сопротивлению источника (Rвх = Rи).

Тогда

,

где Rвх – входное сопротивление первого каскада УНЧ.

2. Находим требуемый коэффициент усиления по мощност.

В общем случае коэффициент усиления УНЧ по мощности определяется по такой формуле:

    (1)

де ήTвх – к.п.д. входного трансформатора, задается в пределах (0,7...0,8);

ήTвых – к.п.д. выходного трансформатора, задается в пределах (0,75...0,85);

Крег– коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3...0,5).

Поскольку для выходного каскада выбрали двухтактную  бестрансформаторную схему, то из формулы (1) необходимо убрать ήTвх и ήTвых.

Тогда получим:

           

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:

.

3. Находим ориентировочно число  каскадов усиления и составим структурную схему УНЧ.

УНЧ состоит из нескольких каскадов, которые осуществляют последовательное усиление сигнала.

Структурная схема УНЧ приведена на рис.3, где цифрами 1-3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 – выходной (оконечный) каскад.

 

 

 

 

Для предварительного усиления, как правило, применяют усилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 дб.

Тогда

m = Кр[дб] / 20.

Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.

Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по  мощности равной 10 дб.