43010

Расчет УНЧ на БПТ

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Принципиальная схема каскада. Составив блоксхему усилителя выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств реостатноемкостные трансформаторные каскада мощного усилителя одноактный двухтактный трансформаторный бестрансформаторный каскадов предварительного усиления с прямой связью реостатный трансформаторный инверсный и т. После чего составляют принципиальную ориентировочную схему усилителя и распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам вносящим эти искажения. Расчет усилителя производят начиная...

Русский

2013-11-03

221 KB

19 чел.

Министерство образования Российской Федерации

Ижевский государственный технический университет

Кафедра «Конструирование  радиоэлектронной аппаратуры»

Курсовая работа

“Расчет УНЧ на БПТ”

                                                 Выполнил:                    студент группы 671

                                                                                А.Н. Кирдяшкин

                                           Проверил:                   С. А. Дерендяев

Ижевск 2003 г.

Содержание

  1.  Техническое задание.
  2.  Цель работы.
  3.  Последовательность расчета усилителя.
  4.  Принципиальная схема каскада.
  5.  Определение типа транзисторов.
  6.  Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет                               номиналов элементов усилителя.
  7.  Эквивалентная схема усилителя.
  8.  Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.
  9.  Вывод.
  10.  Литература.

Задание по работе:

Рассчитать УНЧ на БПТ по следующим исходным данным:

  •  Коэффициент  усиления – не менее 30дб;
  •  Полоса пропускания от 10 Гц до 10 КГц;
  •  Допустимая неравномерность частотной характеристики:  Мн=Мв=1,41;
  •  Амплитуда входного сигнала – 10 мВ;
  •  Входное сопротивление не менее 10 Ком;
  •  Сопротивление нагрузки не более 10 Ком;
  •  Емкость нагрузки – 50 пФ;
  •  Напряжение источника- + 9В.

Цель работы: Научиться рассчитывать УНЧ на БПТ.

Требования, предъявляемые к усилителю.

Для того чтобы, спроектировать усилитель. Необходимо знать: выходную мощность усилителя P вых., выходное напряжение Uвых., или сопротивление нагрузки Rн. Допустимый коэффициент гармоник Кг, рабочий диапазон частот (fн и fв), частотные искажения на низшей и высшей рабочих частотах Мн. дБ и Мв дБ; входные данные: входное напряжение Uвх, внутреннее сопротивление источника сигнала Rи.

Кроме указанных основных данных, должно быть известно назначение усилителя, условия его эксплуатации (например, диапазон измерения температуры окружающей среды и т. д.) , тип источника питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванический элемент и др.).

Последовательность расчета усилителя.

Проектирования усилителя начинают с составления блок-схемы и выбора ее элементов, исходя из предьявленых к усилителю требований. Типовая блок-схема усилителя с входным и выходным устройствами, предварительным и мощным усилителями изображена на рисунке.

При выборе блок-схемы решают, ли в проектируемом усилителе входное выходные устройства, мощный усилитель, предварительный усилитель. Составив блок-схему усилителя, выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств (реостатно-емкостные, трансформаторные), каскада мощного усилителя (одноактный, двухтактный, трансформаторный, бестрансформаторный), каскадов предварительного усиления (с прямой связью, реостатный, трансформаторный, инверсный и т. д.). После этого выбирают транзисторы для всех усилительных каскадов и находят число каскадов, исходя из заданной выходной мощности или выходного напряжения и напряжения источника сигналов, приближенно определив требуемый от каскадов коэффициент усиления. После чего составляют принципиальную ориентировочную схему усилителя и распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения. Распределение Мн и Мв производят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах, затем переходят к выбору режимов работы транзисторов и электрическому расчету деталей схемы. Расчет усилителя производят, начиная с оконечного каскада, затем рассчитывают предоконечный каскад т. д.

Выбор схемы оконечного каскада, транзистора для него, режима работы и способа включения.

В транзисторных усилителях звуковой частоты оконечный каскад обычно является каскадом мощного усиления должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшим потреблении мощности от источников питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. При проектировании оконечного каскада, прежде всего, решают, будет ли каскад одноактным или двухтактным. При этом учитывают, что двухтактный каскад отдает вдвое большую мощность, чем одноактный. Имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в три-пять раз большую пульсацию источника питания, но требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой, а также инверсную схему предыдущего каскада. Кроме того, двухтактная схема позволяет использовать экономичный режим. Во, что сильно уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя. При включении с общим эмиттером и общим коллектором транзисторы в плечах двухтактной схемы необходимо подбирать с одинаковыми значениями , а также по возможности с одинаковой граничной частотной.

Одноактный каскад имеет один транзистор и может быть использован только в режиме А, что увеличивает мощность источника питания. Он не требует инверсной схемы в предыдущем каскаде, допускает меньшую пульсацию источника питания, имеет более высокий коэффициент гармоник. Размеры выходного трансформатора у такого каскада больше из-за наличия постоянного подмагничивания.

Схема электрическая принципиальная УНЧ

                                                               рис. 1

                                               Задачи расчета.

Для расчета транзисторного каскада усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Р. вых, сопротивление нагрузки R.н., допустимый коэффициент гармоник К. г, низшую и высшую рабочие частоты f н и f в, допустимые коэффициенты частотных искажений каскада Мн и Мв, низшую и высшую температуру окружающей среды Т окр. макс. И Токр. мин. Кроме того, должен быть известен тип источника питания (сеть переменного тока, сухие батареи, аккумуляторы). В расчет каскада усилителя входит: выбор напряжения источника питания, если оно не задано, выбор точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока и напряжения смешения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности Р-, определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопротивления каскада, расчет коэффициента гармоник каскада Кг, расчет сопротивлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необходима. К расчету каскада усилителя также относится расчет электрических данных выходного трансформатора, его конструктивный расчет и расчет радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Конструкция радиаторов, охлаждающих, транзисторы каскадов может быть различной. Радиатор выполняют из металла с высокой теплоотводностью обычно из алюминия.

Определение типа транзисторов.

 Для усилительного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f, величине тока покоя коллектора IK0, и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп..

Граничная частота передачи тока базы f должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя fв:

f5 fВ = 50000 Гц.  

Ток покоя коллектора выбирается из условия IК доп. > IК0 > 1.5 IН,, где k=20lg(UН/U1), UН=100mB, IН = UН / RН=100мВ/10кОм=10 мкА. IК доп. > IК0 > 1.5*10mkA=15mkA.  

 Напряжение питания усилителя Ек должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения коллектора, т.е. меньше 0.8 UКЭ доп..

UКЭ доп=30В, зададимся EК=9В<0,8*UКЭ доп=0,8*30=24В.

Поставленным требованиям удовлетворяет импортный транзистор Q2N3904.

Его параметры:

– f = 250 МГц

IК доп.  = 100 мА >> 1.5 IК = 1 мА

– UКЭ доп. = 25 В. Зададимся ЕК = 9В < 0.8UКЭ доп. = 24В.

Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет                              номиналов элементов усилителя.

Расчет выходного каскада с общим эмиттером:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку,  

для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора IК, IК0=10мA, UКЭ=1/2* ЕК=4,5B.

Построим выходную характеристику транзистора, для этого в DesignLab’е выполним схему включения транзистора с общим эмиттером, где R1  ЕП / Ikmax =418Ом.

Задав параметры схемы, построим график рисунок 2.

                                                                  рис. 2

Рабочая точка имеет следующие координаты IК0=10мA, UКЭ=4,5B. IБ=25мкA.

Построим входную характеристику транзистора рисунок. 3.

       

рис. 3

Расчет.

Сопротивление нагрузки: RН=10кОм.

Находим амплитуду выходного сигнала: K=20lg(UН/U1), выражаем UН, UН=250mB.

Ток коллектора покоя: IК0=10мA.

По входной характеристике рис. 3 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: UБЭ0=0,667B, IБ0 =0,05мA.

Входное сопротивление транзистора, характеризуется сопротивлением цепи база – эмиттер: rВХ=U/I=(0,680-0,654)/(0,078-0,03)=0,8кОм.

Сопротивление в цепи коллектора RK рассчитывается: RK=(EП - UКЭ)/ IК0=(9-4,5)В/10мA=450Ом.

Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера RЭ. Для этого, прежде всего, зададимся падением напряжения на нем:U =0.2 EП =1,8В

Отсюда RЭ2 = URЭ / IЭ0  URЭ / IK0 = 180Ом.

Рассчитываем сопротивление делителя R4: R4=(EП-UЭ0-UБЭ0)/(IБ0+IД), где UЭ0=0.2 EП=1,8В. IД=(2-5) IБ0=0,15мA.

R4=(9-1,8-0,667)/(0,05+0,15)=32,6кОм.

Сопротивление делителя: R5=(UЭ0+UБЭ0)/ IД=(1,8+0,667)/0,15=16кОм.

Выходное сопротивление каскада: RВЫХ=450Ом.

Входное сопротивление каскада: RВХ=[(R4 R5)/( R4+R5)]*rВХ/[(R4 R5)/( R4+R5)]+rВХ=(10,8*0,8)/(10,8+0,8)=0,7кОм.

Расчет входного каскада с общим коллектором:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку, для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора IК, IК0=5мA, UКЭ=1/2* ЕК=4,5B.

Построим выходную характеристику транзистора, для этого в DesignLab’е выполним схему включения транзистора с общим эмиттером, где R1  ЕП / Ikmax =850Ом. Задав параметры схемы, построим график рисунок 2.

                                                                          рис. 4

Рабочая точка имеет следующие координаты IК0=5мA, UКЭ=4,5B, IБ=25мкA.

Построим входную характеристику транзистора рис. 4.

Расчет

Сопротивление нагрузки: RН=0,7кОм.

Ток коллектора покоя: IК0=5мA.

По входной характеристике рис. 4 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: UБЭ0=0,650B, IБ0 =0,025мА.

Напряжение коллектор – эмиттер покоя: UКЭ0=(0,4-0,45) EП=0,4*9=3,6В.

Входное сопротивление транзистора, характеризуется сопротивлением цепи база – эмиттер: rВХ=U/I=1кОм.

Сопротивление эмиттера R3: R3=(EП - UКЭ0)/IЭ=(9-3,6)/5м=1кОм.

Рассчитываем сопротивление делителя R2: R2=(EП - UКЭ0 - UБЭ0)/IБ0

R2=(9-3,6-0,650)/0,025=190кОм.

Выходное сопротивление каскада: RВЫХ=RЭrК(Э), где rЭ=Т/(IК0+IБ0), rЭ=26/(10+0,025)=2,6Ом, RВЫХ=1000*2,6/(1000+2,6)=2,6Ом.

Входное сопротивление каскада: RВХ=(1+)(R3*RН)/(R3+RН).

                                                                 рис.5

               где  = h21 Э min * h21 Э max   = 400 * 1000  = 632. RВХ=(1+632)(1*0,7)/(1+0,7)=260кОм.

Входное сопротивление усилительного каскада:  RВХ=    RВХR2 = (260*190)/(260+190) =110кОм.

Расчет емкостей С1, С2, С3, С4. 

Для расчета разделительных конденсаторов С1, С2, С3 необходимо задаться коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте МНР, вносимых этим конденсатором, распределяя заданные допустимые искажения MН = 1.41 дБ между разделительным. Ср. и блокировочным С4 конденсаторами.

Блокировочный конденсатор. С: СЭ=(10 – 20)/2fНR7, где fН=10Гц.

СЭ=10/6,28*10*180=884мкФ.

Разделительные конденсаторы С1, С2, С3:  С1=1/(2fН*(R1+ RВХ)* МН2-1), где МН=1,41, С1=1/(6,28*10*142010*0,994)=112нФ.                                                                                  

С2=1/(2fН*(RВЫХ+ RВХ)* МН2-1 ), С1=1/(6,28*10*8405*0,994)=1,2мкФ.

С3=1/(2fН*(RВЫХ+ RВХ)* МН2-1 ), С1=1/(6,28*10*10002,6*0,994)=1,6мкФ.

Эквивалентная схема усилителя.

R1

R2

R3

Rк1

rвх1

rвх2

Rвых1

Rвых2

Cр1

Cр2

h21Iб1

h21Iб2

0,2МОм

32,6кОм

16кОм

0,4кОм

1кОм

0,8кОм

2,6Ом

450Ом

112нФ

1,2мкФ

10мА

20мА

Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.

Для построения АЧХ и ФЧХ характеристик, в DesignLab’е выполним схему усилительного каскада низкой частоты, который представлен на  рис. 6                                               

                                                         

                                                                               рис. 7

Задав номиналы элементов, зайдем в диалоговое окно и выберем меню Analysis режима Setup (устанавливаем параметры). В меню Analysis режима Setup строим графики, которые представлены на рисунке 7.

Мы наблюдаем на рисунке 7, что полоса пропускания немного уже (не соответствует техническим характеристикам), для того чтобы расширить полосу пропускания будем изменять емкость разделительных конденсаторов, т.е. увеличивать. Также изменим амплитуду, для этого будем изменять сопротивление R7. Рис. 8

АЧХ  ФЧХ

рис. 8

 Изображаем графики с новыми параметрами.


Вывод.

   В курсовом проекте, я научился: вычислять АЧХ и ФЧХ усилителя по полученной функции, составлять эквивалентную схему, рассчитывать номиналы пассивных элементов, сравнивать результаты.


Список литературы.

  1.  Ю. А. Буланов, С. Н. Усов “Усилители и радиоприемные устройства” Москва “Высшая школа” 1980.
  2.  И. П. Жеребцов “Основы электроники”  ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1985г.
  3.  Г. В. Войшвилло “Усилительные устройство” Москва “Радио и связь” 1983.
  4.  И. П. Степаненко “Основы теории транзисторов и транзисторных схем” “Энергия” Москва 1967.
  5.  А. В. Цыкина “Проектирование транзисторных усилителей” “Связь” Москва 1965.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6833. Конфігурування протоколу EIGRP 229.5 KB
  Конфігурування протоколу EIGRP Мета: Навчитися конфігурувати протокол EIGRP. Проестувати створену конфігурацю протоколу EIGRP. Задачі поставлені у лабораторній роботі виконуються в два етапи 1. На віртуальному емуляторі Packet Tracer На лабо...
6834. Початкова настройка маршрутизаторів. Конфігурування статичних маршрутів та маршрутів по замовчуванню 378.5 KB
  Початкова настройка маршрутизаторів. Конфігурування статичних маршрутів та маршрутів по замовчуванню Мета: Навчитися налаштовувати маршрутизатори, задавати ім'я маршрутизатору, конфігурувати: інтерфейси, статичні маршрути та маршрути по з...
6835. Фильтрация сетевого трафика в iptables 79 KB
  Фильтрация сетевого трафика в iptables В общем случае правила фильтрации могут использовать любые данные заголовков IP (IP-адреса источника и получателя), ICMP (type и code), UDP (порт - источник и порт - получатель), TCP (порт - источник,...
6836. Конфігурування протоколу OSPF 230 KB
  Конфігурування протоколу OSPF Мета: Ознайомитися з протоколом маршрутизації OSPF, навчитися створювати конфігурацію цього протоколу та тестувати OSPF - маршрутизацію. Задачі поставлені у лабораторній роботі виконуються в два етапи 1. На віртуал...
6837. Основы организации VPN в ОС Windows 150 KB
  Основы организации VPN в ОС Windows Организация VPN средствами протокола PPTP В данном сценарии моделируется VPN-соединение по выделенному каналу на основе Ethernet между клиентом и шлюзом некоторой сети. Предлагается организовать соединение п...
6838. Конфігурування протоколу РРР. Налаштування аутентифікації РАР і СHAP 261.5 KB
  Конфігурування протоколу РРР. Налаштування аутентифікації РАР і СHAP Мета роботи: Вивчити принципи конфігурування протоколу PPPна маршрутизаторі Cisco2800. Порядок виконання роботи: Виконання даної лабораторної ро...
6839. Налаштування початкової конфігурації комутатора 226 KB
  Налаштуванняпочаткової конфігурації комутатора Мета Налаштування початкової конфігурації комутатора CiscoCatalyst 2960. Загальні відомості/підготовка В даній лабораторній роботі PacketTracer описується налаштування клієнтсько...
6840. Служба каталогов Active Directory и использование групповых политик 239 KB
  Служба каталогов ActiveDirectory и использование групповых политик СЛУЖБА КАТАЛОГОВ Общие сведения о службе каталогов На заре компьютеризации все управление пользователями сводилось к администрированию одного единственного сервера. Со...
6841. Конфігурація RIP і її перевірка 148.5 KB
  Конфігурація RIP і її перевірка Завдання Реалізувати маршрутизацію RIP і переконатися, що виконується динамічна заміна мережевих маршрутів. Позначення маршрутизатора Назва маршрутів-тізатора Адреса інтерфейсу Fast Ethernet 0 Адреса послідовног...