Проектирование усилителя низкой частоты

Перейдем к анализу схемы.

 

3.1 Настройка усилителя по постоянным составляющим токов и напряжений

Вначале  отделим каскады друг от друга и разомкнем общую ООС (типа H). Для этого надо базовый электрод транзистора VT5 „отключить” от коллектора VT1 и „соединить” с эмиттером VT5.

Для размыкания цепи общей ООС следует  „отключить” резистор R_ос.1 от выхода усилителя и „подключить” к общей шине (общему узлу).

Далее запустим ПП PSpice и наблюдать на экране монитора вид зависимости напряжения на коллекторе транзистора VT1 от входного постоянного напряжения.

При правильном выборе сопротивлений резисторов R_ос.1 и R_доб график зависимости U_к1 (U_вх) располагается симметрично относительно оси ординат (U_вых) и не требует смещения вправо или влево, представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Коэффициент передачи 1-ого каскада

Коэффициент передачи входного каскада  без учета влияния входной  цепи находится по формуле:

Коэффициент передачи входного каскада  с учетом влияния входной цепи рассчитывается  по формуле:

что близко к эскизному расчету.

Далее подключим базу транзистора VT5 к коллектору VT1, осуществляя этим соединение первого и второго каскадов. При этом отключим второй каскад от комплементарного повторителя, для чего базовые выводы транзисторов VT9 и VT10  присоединим к своим эмиттерам. Одновременно отключим коллекторы транзисторов токовой защиты VT7 и VT8 от транзисторов VT5 и VT6 и соединим коллекторы VT7 и VT8 с базовыми выводами этих же транзисторов.

   Затем  пронаблюдаем на  экране монитора вид зависимостей U_вых (U_вх) для двух каскадов, который показан на рисунке 7.

Рисунок 7 – Коэффициент передачи двух каскадов

Здесь наклон графика зависимости U_к.5 (U_вх) на среднем участке соответствует расчетному значению коэффициента усиления всего усилителя без ООС.

Теперь подключим комплементарный  повторитель и проверим зависимость  выходного напряжения усилителя  без ООС от постоянного входного напряжения. График этой зависимости  должен быть аналогичным графикам зависимостей U_к.5 (U_вх) и U_к.6 (U_вх), но должен проходить через начало координат, представлен на рисунке 8. Коэффициент передачи усилителя без ООС.

                          Рисунок 8 – Коэффициент передачи усилителя без ООС     

После наблюдения графика зависимости U_вых (U_вх) подключим общую ООС. Затем временно заменим конденсатор С_ос.2 на независимый источник постоянного напряжения с напряжением равным U_б.п.2  и подключим резистор R_ос.1 между базой транзистора VT2 и выходным узлом усилителя. После этого будем наблюдать на мониторе график зависимости U_вых (U_вх), который должен иметь вид прямой линии, проходящей через начало координат с наклоном, соответствующим заданному коэффициенту усиления всего усилителя.

Коэффициент передачи усилителя c ООС изображен на рисунке 9:

Рисунок 9 – Коэффициент передачи усилителя c ООС

На этом моделирование настройки усилителя по постоянному току закончено.

3.2 Настройка усилителя по переменным составляющим для средних частот, настройка полосы пропускания

   Восстановим подключение  конденсатора C_ос.2. Затем заменим источник постоянного входного напряжения на источник переменного напряжения и ввести в директивы  для анализа по переменному току.

Рисунок 10 – АЧХ усилителя

 Коэффициент гармоник на среднегеометрической частоте 616Гц.

HARMONIC   FREQUENCY    FOURIER    NORMALIZED    PHASE        NORMALIZED

    NO         (HZ)     COMPONENT    COMPONENT    (DEG)       PHASE (DEG)

     1     6.160E+02    1.200E+01    1.000E+00   -2.488E+01    0.000E+00

     2     1.232E+03    3.223E-02    2.685E-03   -1.476E+02   -9.787E+01

     3     1.848E+03    1.533E-01    1.277E-02   -7.955E+01   -4.911E+00

     4     2.464E+03    4.361E-03    3.633E-04    1.786E+02    2.781E+02

     5     3.080E+03    3.872E-03    3.226E-04    9.256E+01    2.170E+02

     6     3.696E+03    2.611E-03    2.175E-04   -1.304E+02    1.886E+01

     7     4.312E+03    1.427E-03    1.188E-04    1.768E+02    3.509E+02

     8     4.928E+03    2.348E-03    1.956E-04   -1.634E+02    3.559E+01

     9     5.544E+03    1.255E-03    1.046E-04   -1.641E+02    5.984E+01

    10     6.160E+03    1.849E-03    1.541E-04   -1.783E+02    7.049E+01

    11     6.776E+03    1.482E-03    1.234E-04   -1.577E+02    1.160E+02

    12     7.392E+03    1.473E-03    1.227E-04    1.722E+02    4.708E+02

    13     8.008E+03    1.593E-03    1.327E-04   -1.681E+02    1.553E+02

    14     8.624E+03    1.064E-03    8.866E-05    1.672E+02    5.155E+02

    15     9.240E+03    1.422E-03    1.185E-04    1.760E+02    5.492E+02

     TOTAL HARMONIC DISTORTION =   1.306995E+00 PERCENT

К_г=1,307% < К_г.зад, следовательно находится в допустимых пределах.

3.3 Анализ влияния разброса элементов и температуры

В таблице 10 и на рисунках 11-16 представлены постоянная составляющая выходного напряжения, сила тока, потребляемого от источника питания, коэффициент усиления, верхняя и нижняя границы полосы пропускания  при изменении температуры от минус -50ºC до 50ºC.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 10 - Температурная зависимость основных параметров усилителя.

Параметр	Значение параметра при минимальной  темературе	Значение параметра при максимальной темературе
Постоянная составляющая выходного  напряжения	-726мкВ	214мкВ
Сила тока, потребляемого от источника  питания	2,12	2,23
Коэффициент усиления	89,7	94,3
Верхняя граница полосы пропускания	31,43	19,65
Нижняя граница полосы пропускания	18,03	18,95

 

Рисунок 11 – Зависимость постоянной составляющей выходного сигнала от температуры                                                        

                                                                                                                                                                                                                                                                 

Рисунок 12 – Зависимость амплитуды выходного сигнала от температуры

Рисунок 13 – Зависимость нижней частоты полосы пропускания от температуры

Рисунок 14 – Зависимость верхней границы полосы пропускания от температура

 

Рисунок 15 – Зависимость силы тока, потребляемого от источника питания в результате изменения температуры

Рисунок 16 – Зависимость коэффициента усиления от температуры

Данные отклонения ввиду изменения  температуры считаются допустимыми, поскольку не превышают 10% от заданных значений этих параметров, исключение составляет верхняя граница полосы пропускания, при температурах ниже 0 ºC.

 

 

 

 

Проведем анализ по методу Монте - Карло зависимости от диапазона  возможных отклонений сопротивлений  резисторов следующих параметров:

       - постоянной составляющей выходного напряжения;        

       - коэффициента усиления;  

       - верхней и нижней границы полосы пропускания.

Результаты анализа записаны в  таблицу 11.

Таблица 11 - Влияние разброса сопротивлений.

Параметр	Разброс сопротивлений
	5%	10%	20%
Постоянная составляющая выходного напряжения	входит	входит	не входит
Коэффициент усиления	входит	входит	не входит
Верхняя граница полосы пропускания	входит	входит	не входит
Нижняя граница полосы пропускания	входит	входит	не входит

 

 

По данным таблицы 8 делается выбор ряда сопротивлений Е12. На этом моделирование настройки усилителя по переменному току закончено.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе курсовой работы был спроектирован  усилитель, соответствующий полученнымданным.

  Электрический расчет позволил  получить параметры элементов,  значения которых были скорректированы, в процессе моделирования настройки на ЭВМ, не более чем на ±10%. Анализ влияния температуры показал, что разброс параметров усилителя незначителен. Анализ влияния разброса параметров показал, что допустимыми являются отклонения параметров элементов от номинальных значений в диапазоне ±10% , и при этом отклонения заданных параметров усилителя не превышают ±10%.

  Коэффициент полезного действия  усилителя при номинальной нагрузке  равен 45,5%, что близко к типовым значениям для современной аналоговой аппаратуры.

  Для питания спроектированного усилителя требуется источник, вырабатывающий два постоянных напряжения ±21 В при силе тока 2,3А. Внутреннее сопротивление источника питания не должно превышать 0,5 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ  ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

    УНЧ – усилитель низкой частоты

     АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

ООС – отрицательная обратная связь

 

ПЕРЕЧЕНЬ  ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Fн – нижняя частота полосы  пропускания

Fв – верхняя частота полосы  пропускания

Mн – коэффициент частотных  искажений на нижней границе  полосы                       пропускания

Mв - коэффициент частотных искажений  на верхней границе полосы                        пропускания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Полупроводниковые приборы : транзисторы. Справочник: под редакцией Н. Н. Горюнова. – М. Енергоатомиздат. 1983- 904с.
2. Аксенов А. И. Нефедов А. В. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочник. –М. СОЛОН – Пресс, 2005. -584 с.:ил..
3. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие/ К.С. Петров. – СПб.:Питер, 2003. – 512 с.: ил.
4. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ.-М.: Радио и связь, 1992.-304с.
5. Чекмарев А.И., Кузнецов С.Ф. Конструирование и оформление чертежа печатной платы. Методические указания.-Куйбышев: КуАИ, 1988.-40с.
6. Конструкция и обозначение в технической документации стандартных радиоэлементов. Резисторы: Метод. указаниея/ Куйбышев. авиац.           ин-т; Сост.  В.В. Волкова, Е. П. Веретельник. Куйбышев,1990 – 24 с.
7. Конструкция и обозначение в технической документации стандартных радиоэлементов. Конденсаторы: Метод. указаниея/ Куйбышев. авиац. ин-т; Сост.  В.В. Волкова, Е. П. Веретельник. Куйбышев,1990 – 36 с.
8. Конструкция и обозначение в технической документации стандартных радиоэлементов. Диоды и транзисторы: Метод. указаниея/ Куйбышев. авиац.           ин-т; Сост.  В.В. Волкова, Е. П. Веретельник. Куйбышев,1990 – 35 с.
9. Проектирование усилителя низкой частоты с моделированием настройки на ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию/Самарский государственный аэрокосмический университет; Ю.С. Дмитриев. Самара, 2004 - 49с
10. Справочник по полупроводниковым приборам. Москатов Е.А. –  М. Журнал «Радио», 2005. – 208 с.,ил.