Файл: Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ университет»
Институт геологии и нефтегазодобычи
Кафедра автоматизации и вычислительной техники
Вариант № 93
Курсовая работа

по дисциплине « Электроника »

на тему: Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты

Выполнял: студент группы АТПбз 18-4……….………….Иванов И.И.

Принял: доцент, канд. техн. наук ………………………… Сватов В.Ф.
Тюмень

ТИУ

2021

Введение 2

1. Предварительный расчёт УНЧ 4

1.1. Разработка технического задания 5

1.2. Разработка структурной схемы УНЧ 5

1.3. Предварительный расчёт оконечного каскада УНЧ 8

1.4. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ 10

2. Окончательный расчёт УНЧ 11

2.1. Расчёт оконечного каскада УНЧ 11

2.2. Расчёт каскада предварительного усиления УНЧ 13

Заключение 21

Список литературы 22

Приложение 23

24

Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

Усилители низкой частоты

Усилители постоянного тока

Избирательные усилители

Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот.

Но рассмотрим подробнее усилители низкой частоты, т.к. они являются темой нашей курсовой работы.

Для начала определим понятие усилитель.

Усилитель — устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

Усилитель низкой частоты

— устройство для усиления сигнала звукового диапазона 20 - 20 000 Гц.

Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

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

В ходе выполнения курсового проекта необходимо рассчитать усилитель низких частот по заданным входным характеристикам. К рассчитанному усилителю низких частот выполнить структурную схему и подобрать комбинацию каскадов (предварительные и оконечный).

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

1. Предварительный расчёт УНЧ

1.1. Разработка технического задания

Для предварительного расчета УНЧ исходными данными являются:

1) требуемая мощность на выходе УНЧ – Р_вых;

2) сопротивление нагрузки – R_н;

3) напряжение источника входного сигнала – U_вх;

4) внутреннее сопротивление источника сигнала – R_u;

5) диапазон частот f_н – f_в.

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

Таблица 1. – исходные данные УНЧ

Параметр	Физическая величина
Р_вых, Вт	5
R_н, Ом	4
U_вх,мВ	20
R_и, Ом	100
М_н= М_в	1,2
(f_н- f_в), Гц	50-20000

На основании данных приведённых в таблице 1 необходимо спроектировать бестрансформаторный УНЧ и определить:

1) коэффициент усиления УНЧ по мощности К_р;

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.

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

1.2. Разработка структурной схемы УНЧ

Для этого необходимо определить:

1) коэффициент усиления УНЧ по мощности К_р;

2) число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

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

1.2.1. Находим мощность входного сигнала.×

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

Тогда

(1)

где R_вх – входное сопротивление первого каскада УНЧ.

_{Pвх=0,000001 Вт.}

1.2.2. Находим требуемый коэффициент усиления по мощности.

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

(2)

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

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

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

Поскольку для выходного каскада выбрали двухтактную бестрансформаторную схему, то из формулы (2) необходимо убрать ή_Tвх и ή_Tвых.

Тогда получим:

(3)

_Kp=_12500000.

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:

(4)

_{Kp[дБ]=10log12500000=71 дБ.}

1.2.3. 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. 1, где цифрами 1-3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 – выходной (оконечный) каскад.

Рис. 1. УНЧ. Схема структурная

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 = К_р[дб] /20.

(5)

m = 71/20 = 3

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.

В таком случае усиление в схеме УНЧ составит:

К_р[дб]= 20 m+10.

(6)

К_р[дб] = 20 × 3 + 10 = 70 дБ.

1.3. Предварительный расчёт оконечного каскада УНЧ

1.3.1. Предварительный расчет оконечного каскада УНЧ.

Известно большое число различных схем с бестрансформаторным выходом, которые отличаются по типу проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы (АВ или В), а также видом связи оконечного каскада с предварительным и нагрузкой.

При этом важны следующие рекомендации:

- для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В), с мощностью транзисторов (малая, средняя или большая) определяются исходя из значения Р_вых;

- высокие качественные показатели имеют каскады, в которых применяют транзисторы разного типа электропроводности (комплементарные пары);

- режим В имеет высокий КПД (η = 0,6 ÷ 0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения.

Выходя из этого, преимущество следует отдать бестрансформаторному каскаду усиления на транзисторах разного типа проводимости (рис. 2) и режиму АВ. Режим АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В. Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В таком случае нагрузка подключается через конденсатор большой емкости.

Тип транзисторов выходного каскада выбираем по величине максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе – Р_{к макс}, а также максимальному току коллектора – I_{к макс}и частотным особенностям – f_h21Э:

Р_{к макс} ≥ (0,25 ÷ 0,3) Р_вых.

(7)

Р_{к макс} ≥ 0,3 × 5 = 1,5 Вт.

I_{к макс} ≥ (2 Р_вых/R_н)^1/2.

(8)

I_{к макс} ≥ (2 × 5 / 8)^1/2 ≈ 1,12 А.

f_h21Э ≥ (2÷3) f_в .

(9)

f_h21Э ≥ 2 × 20000 = 40000 Гц.
По найденным значениям Р_к, I_{к макс}, f_h21Э выбираем транзисторы выходного каскада. Выбираем комплементарную пару транзисторов p-n-p и n-p-n типа с близкими по значениям параметров и характеристикам.

Из справочника выбираем транзисторы: КТ816Б и КТ817Б со следующими параметрами

Таблица 2.

Тип транзистора	Структура	Рк макс, мВт	h21Э (β)	ƒh21 МГц	Граничный режим		Класс по мощности
					Uк макс В	Iк макс мА
КТ 816 Б КТ 817 Б	p-n-p n-p-n	1000 (25000) 1000 (25000)	>25 >20	3 3	40 40	3000 3000	Большой мощности

Напряжение источника питания выбираем из условия:

2U_{К макс} ≥ E_K ≥ 2(U_нач + U_{m вых}),

(10)

где U_{к макс} – максимально допустимое напряжение на коллекторе;

U_нач1В – коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (определяется из статических характеристик выбранного транзистора);