Синтез схемы усилителя мощности

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электроника и микроэлектроника»

 

 

Составил: студент группы АУП-19 А. А. Иванов

Проверил: ст. преподаватель А. Г. Лыков

 

г. Донецк
2021 год

 

Изм.

Лист

Дата

Подп.

№ докум.

Выполнил

Проверил

№. контр.

Утв.

Иванов А. А.

Лыков А. Г.

Курсовая работа

Лит.

Лист

Листов

ДонНТУ, каф. АТ, гр. АУП-19

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка:
25 страниц, 10 рисунков, 1 таблица, 1 приложение, 5 источников

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

2. СИНТЕЗ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ КЛАССА

4. РАСЧЕТ ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ

5. АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ

6. РАСЧЕТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В КЛАССЕ A

7. РАСЧЕТ ДВУХТАКТНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

8. РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

9. РАСЧЕТ РЕЗИСТИВНОГО УСИЛИТЕЛЯ

10. РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

11. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

12. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

13. РАСЧЕТ ФИЛЬТРА

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Тема курсовой работы - анализ и синтез усилителя мощности низкой частоты, обеспечивающего необходимое усиление сигнала к величине, необходимой для нормальной работы исходного устройства: громкоговорителя, акустической системы и прочего.

Курсовая работа необходима для более детального изучения курса и получению навыков расчёта усилителя на практике.

Для обеспечения качественного звуковоспроизведения усилитель мощности низкой частоты должен равномерно усиливать сигнал в заданной полосе частот и иметь малые нелинейные искажения.

Курсовой проект включает отдельные задачи, для решения которых необходимо применить справочный материал, основная часть справочного материала приведена в методических указаниях.

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Для выполнения курсовой работы были выданы условия для расчетов, которые приведены ниже:

1. Входной сигнал ;

2. Мощность в нагрузке ;

3. Диапазон частот , ;

4. Коэффициенты частотных искажений , ;

5. Сопротивление нагрузки ;

6. Внутреннее сопротивление источника входного сигнала ;

7. Коэффициент температурной нестабильности ;

8. Коэффициент нелинейных искажений ;

9. Напряжение питания ;

10. Частота сети питания ;

11. Схема выпрямителя – мостовая;

12. Коэффициент пульсаций для однотактного усилителя мощности ;

13. Коэффициент пульсаций для двухтактного усилителя мощности ;

14. Коэффициент пульсаций для предварительного усилителя мощности .

При проектировании необходимо провести синтез усилителя, выбрать типы транзисторов, провести согласование источника входного сигнала со входом усилителя и нагрузки с выходом усилителя мощности. Элементы выбираются в соответствии с ГОСТ. В расчете блока питания необходимо получить исходные параметры для расчета силового трансформатора и катушки индуктивности фильтра.

 

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Для работы выбирается трансформаторный усилитель, который работает в классе B. По заданной мощности и нелинейным искажениям выбирается транзистор и схема включения. Транзистор выбирается так, чтобы мощность рассеяния на коллекторах была приблизительно в 1.5 раза больше заданной выходной мощности. Расчет ведется для одного плеча, принимая их одинаковыми.

 

Рис. 2. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности.

 

Коэффициент полезного действия трансформатора принимается как .

Поскольку плечи работают поочередно, то мощность каждого из них рассчитывается таким образом:

.

Тогда мощность трансформатора будет равняться:

.

Для дальнейшей работы выбирается транзистор КТ610А. Его основные характеристики: постоянная рассеиваемая мощность коллектора , постоянный ток коллектора , постоянное напряжение коллектор-эмиттер .

Рис. 3. Выходные и входные вольтамперные характеристики транзистора КТ610А и КТ610Б.

 

Теперь выбирается напряжение питания:

.

Результат принимается как напряжение из стандартного ряда. Далее определяется рабочая область транзистора. Для этого проводятся линия, параллельная оси абсцисс, через точку , и линия, параллельная оси ординат, через точку . После этого проводится линия нагрузки через точки с координатами  и . По постоянному току выбирается точка покоя: , , , . Линия рабочей области транзистора проходит через координаты , ,  и .

Мощность, выдаваемая транзистором, определяется таким образом:

.

Ток делителя находится по формуле:

.

Определяется величина сопротивлений  и :

;

;

;

.

Из ряда номинальных емкостей и сопротивлений резисторов E24 выбирается: , .

Сопротивление фильтра рассчитывается по такой формуле:

.

Из ряда номинальных емкостей и сопротивлений резисторов E24 выбирается:

 

 

РАСЧЕТ ЦЕПИ ДВИГАТЕЛЯ

 

Ток делителя принимается равным: .

Находится сопротивление резистора :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Сопротивление резистора :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1 по переменному току (наклон нагрузочной прямой):

.

Коэффициент трансформации находится по формуле:

.

Активные сопротивления первичной обмотки и вторичной обмотки:

;

.

Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора с учетом допустимых частотных искажений на нижних частотах:

.

Выходное сопротивление транзистора:

.

Индуктивность рассеивания трансформатора:

.

 

Коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером:

.

Коэффициент передачи по току для схемы с общей базой:

.

Коэффициент температурной нестабильности каскада определяется из выражения:

;

.

Выбор конденсаторов :

.

Тип конденсатора : E24 15±5% мкФ.

Емкость конденсатора :

.

Тип конденсатора : E24 10±5% мкФ.

 

Расчет по постоянному току

В резистивном каскаде используется транзистор КТ203Б. Падение напряжения на резисторе  выбирается равным:

.

На выходных вольтамперных характеристиках транзистора строится нагрузочная прямая по постоянному току. Ток короткого замыкания транзистора не должен превышать максимально допустимого значения тока для транзистора. Ток короткого замыкания принимается равным .

Через точку на оси напряжений  и точки на оси токов  строится нагрузочная прямая по постоянному току.

На нагрузочной прямой выбирается рабочая точка транзистора. Координаты рабочей точки: .

Падение напряжения на резисторе  принимается равным:

.

Сопротивление :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Сопротивление :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Ток делителя принимается равным: .

Сопротивление резистора :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Сопротивление резистора :

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Сопротивление :

.

Теперь рассчитывается температурная стабильность каскада. Коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером:

.

Коэффициент передачи по току для схемы с общей базой:

.

Коэффициент температурной нестабильности S каскада определим из выражения:

;

.

Расчет по переменному току

Рис. 7. Схема замещения транзистора в h-параметрах.

 

В выбранной рабочей точке рассчитываются h-параметры: входное сопротивление транзистора, коэффициент передачи по току и выходную проводимость транзистора:

;

;

.

На выходных ВАХ транзистора проведем нагрузочную линию по переменному току. Для этого вначале определим напряжение источника для переменных составляющих:

.

Через точку на оси напряжений =  = 5.1 В и рабочую точку по постоянному току проводим нагрузочную прямую по переменному току.

Входное сопротивление усилителя:

.

Выходное сопротивление усилителя:

.

Коэффициент усиления по напряжению:

.

По заданию коэффициент усиления по напряжению резистивного каскада с общим эмиттером должен быть равен:

.

Для приведения коэффициента усиления резистивного каскада по напряжению к требуемой величине в схему каскада необходимо ввести отрицательную обратную связь.

Глубина ООС должна быть равна:

.

Коэффициент передачи цепи обратной связи должен быть равен:

.

Обратную связь вводим путем добавления в цепь эмиттера дополнительного сопротивления  , величина которого должна быть равна:

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Для того, чтобы координаты рабочей точки по постоянному току остались неизменными, рассчитаем новое значение сопротивления

.

Из стандартного ряда сопротивлений .

Входное сопротивление усилителя с учетом ООС:

.

Выходное сопротивление усилителя с учетом ООС:

.

Коэффициент усиления по току с ООС:

.

Коэффициент усиления по мощности:

.

 

Расчет емкостей конденсаторов емкости шунтирующих конденсаторов и

;

;

Из стандартного ряда =  мкФ,  =  мкФ

Емкости разделительных конденсаторов и :

;

.

Из стандартного ряда , .

.

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электроника и микроэлектроника»

 

 

Составил: студент группы АУП-19 А. А. Иванов

Проверил: ст. преподаватель А. Г. Лыков

 

г. Донецк
2021 год

 

Изм.

Лист

Дата

Подп.

№ докум.

Выполнил

Проверил

№. контр.

Утв.

Иванов А. А.

Лыков А. Г.

Курсовая работа

Лит.

Лист

Листов

ДонНТУ, каф. АТ, гр. АУП-19

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка:
25 страниц, 10 рисунков, 1 таблица, 1 приложение, 5 источников

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

2. СИНТЕЗ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ КЛАССА

4. РАСЧЕТ ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ

5. АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ

6. РАСЧЕТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В КЛАССЕ A

7. РАСЧЕТ ДВУХТАКТНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

8. РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

9. РАСЧЕТ РЕЗИСТИВНОГО УСИЛИТЕЛЯ

10. РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

11. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

12. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

13. РАСЧЕТ ФИЛЬТРА

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Тема курсовой работы - анализ и синтез усилителя мощности низкой частоты, обеспечивающего необходимое усиление сигнала к величине, необходимой для нормальной работы исходного устройства: громкоговорителя, акустической системы и прочего.

Курсовая работа необходима для более детального изучения курса и получению навыков расчёта усилителя на практике.

Для обеспечения качественного звуковоспроизведения усилитель мощности низкой частоты должен равномерно усиливать сигнал в заданной полосе частот и иметь малые нелинейные искажения.

Курсовой проект включает отдельные задачи, для решения которых необходимо применить справочный материал, основная часть справочного материала приведена в методических указаниях.

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Для выполнения курсовой работы были выданы условия для расчетов, которые приведены ниже:

1. Входной сигнал ;

2. Мощность в нагрузке ;

3. Диапазон частот , ;

4. Коэффициенты частотных искажений , ;

5. Сопротивление нагрузки ;

6. Внутреннее сопротивление источника входного сигнала ;

7. Коэффициент температурной нестабильности ;

8. Коэффициент нелинейных искажений ;

9. Напряжение питания ;

10. Частота сети питания ;

11. Схема выпрямителя – мостовая;

12. Коэффициент пульсаций для однотактного усилителя мощности ;

13. Коэффициент пульсаций для двухтактного усилителя мощности ;

14. Коэффициент пульсаций для предварительного усилителя мощности .

При проектировании необходимо провести синтез усилителя, выбрать типы транзисторов, провести согласование источника входного сигнала со входом усилителя и нагрузки с выходом усилителя мощности. Элементы выбираются в соответствии с ГОСТ. В расчете блока питания необходимо получить исходные параметры для расчета силового трансформатора и катушки индуктивности фильтра.

 

СИНТЕЗ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

С помощью параметров, представленных в задании на проектирование, в частности, значений мощности и сопротивления нагрузки, определяется коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя:

;

.

Коэффициент усиления усилителя и количество каскадов определяется таким образом:

;

.

Следовательно, усилитель должен иметь три каскада: усилитель мощности двухтактный трансформаторный класса B, предварительный однотактный трансформаторный усилитель класса А, входной резистивный усилитель.

 

Рис. 1. Схема усилителя и источника питания.

 

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Для работы выбирается трансформаторный усилитель, который работает в классе B. По заданной мощности и нелинейным искажениям выбирается транзистор и схема включения. Транзистор выбирается так, чтобы мощность рассеяния на коллекторах была приблизительно в 1.5 раза больше заданной выходной мощности. Расчет ведется для одного плеча, принимая их одинаковыми.

 

Рис. 2. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности.

 

Коэффициент полезного действия трансформатора принимается как .

Поскольку плечи работают поочередно, то мощность каждого из них рассчитывается таким образом:

.

Тогда мощность трансформатора будет равняться:

.

Для дальнейшей работы выбирается транзистор КТ610А. Его основные характеристики: постоянная рассеиваемая мощность коллектора , постоянный ток коллектора , постоянное напряжение коллектор-эмиттер .

Рис. 3. Выходные и входные вольтамперные характеристики транзистора КТ610А и КТ610Б.

 

Теперь выбирается напряжение питания:

.

Результат принимается как напряжение из стандартного ряда. Далее определяется рабочая область транзистора. Для этого проводятся линия, параллельная оси абсцисс, через точку , и линия, параллельная оси ординат, через точку . После этого проводится линия нагрузки через точки с координатами  и . По постоянному току выбирается точка покоя: , , , . Линия рабочей области транзистора проходит через координаты , ,  и .

Мощность, выдаваемая транзистором, определяется таким образом:

.

Ток делителя находится по формуле:

.

Определяется величина сопротивлений  и :

;

;

;

.

Из ряда номинальных емкостей и сопротивлений резисторов E24 выбирается: , .

Сопротивление фильтра рассчитывается по такой формуле:

.

Из ряда номинальных емкостей и сопротивлений резисторов E24 выбирается: