Проектирование усилителя низкой частоты

Министерство образования и  науки РФ 
Государственное образовательное учреждение высшего 
профессионального образования 
"Самарский государственный аэрокосмический 
Университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)"

 

Кафедра радиотехники и МДС

Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

 

Проектирование усилителя низкой частоты

 

Пояснительная записка к курсовому  проекту

 

 

                        Выполнил: Дементьев А.А.

                        Группа:        543

                        Руководитель проекта: Днищенко В.А.

                       Дата сдачи на проверку:

                       Оценка и дата защиты:

 

 

 

 

 

 

САМАРА 2012

 

Задание № 37 на курсовой проект студенту Дементьеву А.А. гр. 543

 

1. Содержание задания

1.1 Спроектировать усилитель низкой частоты.

1.2 Смоделировать  процесс настройки усилителя  на ЭВМ.

1.3 Оформить ПЗ и графическую часть курсового проекта.

2. Исходные данные для проектирования:

2.1 Нижняя частота полосы пропускания,  f_н              – 15 Гц

2.2 Верхняя частота  полосы пропускания, f_в               – 15 кГц

2.3 Допустимые искажения на нижней  частоте, М_н            – 2 дБ

2.4 Допустимые искажения на верхней  частоте, Mв              – 3 дБ

2.5 Активное сопротивление нагрузки, R_н                    – 7 Ом

2.6 Сопротивление источника сигнала, R_ист           – 700 Ом

2.7 Номинальная амплитуда входного сигнала, U_вх.m                        – 0,35 В

2.8 Выходная мощность усилителя , Р_вых               – 7 Вт

2.9 Допустимый коэффициент гармоник при номинальной амплитуде

выходного сигнала, К_г                                                                            – 3%

2.10 Диапазон рабочих температур                                       – (+20; +60)ºС

3. Перечень и объем графических  и текстовых документов.

3.1 Усилитель. Схема принципиальная  электрическая и 

спецификация.                                                                                     – 1л.А4

3.3 Пояснительная записка                                                           – 43л.А4

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Курсовой проект.

Пояснительная записка: 43 с., 16 рис., 11 табл., 10 источников.

Графическая документация: 1 л. А4.

 

 

 

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ, ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ НА ЭВМ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 

 

 

Произведены выбор функциональной и принципиальной схем усилителя  низкой частоты. Выполнены эскизный и электрический расчеты усилителя в соответствии с заданными параметрами. Произведено моделирование настройки усилителя на ЭВМ. Проанализированы влияние разброса параметров элементов и изменения температуры.

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Усилительные устройства являются важной частью радиотехнических аналоговых электронных устройств.

Они применяются в передающей и  приемной радиоаппаратуре, а так же во вспомогательных устройствах преобразования сигналов и электропитания. Современные усилители строятся по схемам, близким к схемам операционных усилителей.

В курсовом проекте производится проектирование современного усилителя низкой частоты и моделирование его настройки с помощью ЭВМ. Курсовой проект является завершающей частью изучения дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств». В процессе выполнения курсового проекта приобретаются практические навыки по расчету и настройке многокаскадного усилителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ

1.1 Выбор функциональной схемы

Решая  вопрос об использовании  ООС необходимо учитывать, что применение ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом расширяет полосу пропускания (связи типа H и Y), повышает стабильность коэффициента усиления (в том числе и термостабильность), уменьшает нелинейные искажения. В тех случаях, когда положительное действие ООС имеет существенное значение, принимают решение об использовании ООС.

При использовании ООС, её глубину определим исходя из требуемого

уменьшения нелинейных искажений  по формуле:

 

 

С учетом ООС следует  выбирать общий расчетный коэффициент  усиления (при разомкнутой ООС) по формуле:

 

 

 

 

Для P_{нагр. зад} >0,2 Вт на выходе усилителя  используем комплементарный повторитель, обладающий высоким коэффициентом полезного действия. Его коэффициент усиления приблизительно равен единице. Так как K_{расчетн} >50,  функциональная схема усилителя, должна содержать следующие каскады:

1-й каскад (входной) – дифференциальный,

2-й каскад (предвыходной) – с  общим эмиттером,

3-й каскад (выходной) – комплементарный.

Функциональная схема усилителя  показана на рисунке 1

 

Рисунок 1 – Функциональная схема  усилителя

1.2 Выбор и описание принципиальной схемы усилителя и назначение элементов

Определив количество и типы каскадов разрабатываемого усилителя, следует  конкретизировать их внутреннюю структуру (рисунок 2).

Первый (дифференциальный) каскад выполнен с использованием источника тока, что значительно повышает коэффициент ослабления синфазного сигнала, а значит улучшает качество усилителя. Источник тока в эмиттерной цепи выполнен по схеме токового зеркала для уменьшения температурной нестабильности. Так как  не требуется большой коэффициент усиления, то в коллекторной цепи используется один коллекторный резистор.

Второй каскад выполняется по схеме  с общим эмиттером. В его коллекторной цепи должен находиться источник напряжения смещения для выходного комплементарного каскада. Источник смещения выполнен из последовательно соединенных диодов, включенных в прямом направлении. Второй каскад должен выполняться с местной ООС. Это необходимо потому, что на его вход поступает выходное напряжение первого каскада, которое усилено по сравнению со входным сигналом усилителя. Если не применять во втором каскаде местную ООС, то нелинейные искажения в этом каскаде будут недопустимо велики. Здесь можно использовать ООС типа Z, так как ООС типа Z обеспечивает большое входное сопротивление и легко согласуется с выходным сопротивлением первого каскада. В качестве коллекторного сопротивления второго каскада использован резистор, что позволяет расширить полосу пропускания.

Третий каскад выполнен по схеме  комплементарного повторителя, т.к. заданная мощность в нагрузке позволяет подобрать комплементарную пару транзисторов. В данном курсовом проекте нелинейные искажения ограничиваются на достаточно низком уровне. Поэтому в выходном каскаде должно быть предусмотрено напряжение смещения между плечами комплементарного каскада, которое обеспечит минимальные искажения у выходных транзисторов. При этом велика опасность самоуничтожения комплементарного каскада. Поэтому в выходном каскаде предусмотрены статические транзисторные цепи защиты выходных транзисторов от перегрузки.

При использовании входного дифференциального каскада внешнюю ООС удобно реализовать по типу H.

С учетом изложенного электрическая  схема проектируемого усилителя  низкой частоты имеет вид, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Электрическая схема  усилителя низкой частоты

 

Работа усилителя происходит следующим  образом. Входной сигнал поступает  на транзистор VT1, где усиливается  и инвертируется. Усиленный и  проинвертированный сигнал поступает  на транзистор VT5, где еще раз усиливается  и инвертируется. Сигнал с коллектора VT5 поступает на выход усилителя через комплементарный повторитель на транзисторах VT9…12. С выхода усилителя через делитель цепи ООС (R_ос.1, R_ос.2, C_ос.1, C_ос.2) часть выходного сигнала поступает на второй вход дифференциального каскада (VT2). Транзистор VT2 повторяет сигнал обратной связи на эмиттере VT1, чем и реализуется ООС типа H.

Назначение вспомогательных фрагментов схемы усилителя следующее:

Для задания эмиттерного тока в  дифференциальном каскаде используется источник стабильного тока на транзисторах VT3 и VT4, собранный по схеме токового зеркала.

Для создания динамической нагрузки в коллекторной цепи VT5 используется источник стабильного тока на транзисторе VT6.

Для создания источника напряжения смещения используются диоды VD1…VD3 включенные в прямом направлении.

Для защиты выходного каскада от перегрузки по выходу используются цепи статической транзисторной защиты, включающие в себя транзисторы VT7 и VT8, а так же резисторы R₁₃ и R₁₄ и диоды VD4, VD5.

Цепь ООС типа H реализуется на элементах R_ос.1, R_ос.2, C_ос.1, C_ос.2.

Для согласования параметров дифференциального  каскада с напряжением питания  используются резисторы R_бал и R₅.

Для выравнивания сопротивлений во входных цепях транзисторов VT1 и VT2 предназначен резистор R_доб.

1.3 Распределение заданных параметров усилителя по отдельным каскадам

На этом этапе заполняется таблица 1.

Общий коэффициент нелинейных искажений  приблизительно равен сумме коэффициентов  нелинейных искажений отдельных каскадов:

где К_1г – коэффициент нелинейных искажений первого каскада;

     К_2г – коэффициент нелинейных искажений второго каскада;

     К_3г – коэффициент нелинейных искажений третьего каскада;

Т.к. выбором напряжения смещения в  комплементарном повторителе можно  существенно уменьшить нелинейные искажения третьего каскада, а так же учитывая то, что второй каскад (с общим эмиттером) создает нелинейные искажения больше, чем первый, примем:

Тогда получаем рекомендацию по выбору K_1г в виде следующей формулы:

 

 

Учитывая, что для первого (дифференциального) каскада:

,

можем определить значение амплитуды  требуемого входного напряжения первого  каскада /7/ следующим образом:

Обеспечить требуемое значение входного напряжения можно при использовании общей ООС типа H со следующей глубиной:

1.4 Распределение коэффициентов усиления по отдельным каскадам

Распределение коэффициентов усиления по отдельным каскадам следует начинать с выходного каскада.

,

где  S_вых.тр – общая крутизна коллекторного тока пар выходных транзисторов VT10, VT11 и VT12, VT13; – термопотенциал p-n–перехода.

                                0,985

 

где К₃ – коэффициент усиления по напряжению выходного каскада.

Далее следует определить значение коэффициента передачи входной цепи. Для чего на этапе эскизного расчета положим: . Тогда:

Выбор значения сопротивления  R_ос1 производится на основании следующих критериев: во-первых, обязательно R_ос.1 ³ 3 R_н = 3 6 = 18 Ом;                                           во-вторых, обязательно R_ос.1 ³ R _ист = 2000 Ом; в-третьих, желательно выбрать минимальное значение R_доб = R_ос.1 – R _ист для уменьшения шумов на выходе.

На основании этих критериев выбирается R_ос.1 = 680 Ом.

Тогда коэффициент передачи входной  цепи определится, исходя из выражения:

Учитывая, что  , и выбирая , определим значение коэффициента усиления первого каскада по формуле:

_.

Для определения глубины местной  ООС типа Z зададимся значением амплитуды требуемого выходного напряжения второго каскада /7/:

.

Тогда глубина местной ООС во втором каскаде определится как:

1.5 Распределение частотных искажений по отдельным каскадам

При распределении частотных искажений  по отдельным каскадам необходимо учитывать, что для низких частот все частотные  искажения обусловлены только элементом С_ос.2 . Для верхних частот частотные искажения должны распределяться с учетом частотных свойств отдельных каскадов (наилучшими частотными свойствами обладает комплементарный повторитель, а наихудшими – каскад с общим эмиттером). С учетом вышеизложенного распределение частотных искажений по каскадам показано в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Эскизное распределение  параметров усилителя по каскадам

 
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ