Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур)

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры.

(КИПР)

«Проектирование усилителя низкой частоты»

Проверил: Выполнил:

аспирант кафедры КИПР студент гр.200

Кривин Н.Н.__________ Юдаков К.Б._______

«__»__________ 2012г. «__»__________ 2012г.

2012

Техническое задание

На курсовое проектирование

1. Исходные данные к проекту

1.1 Диапазон рабочих частот: Fn = 50 Гц, Fv = 25000 Гц;

1.2 Допустимые коэффициенты частотных искажений: М_н=2 Дб; М_в=3 дБ

1.3 Сопротивление нагрузки: R_h= 18 Ом

1.4 Выходная мощность: Р_вых = 10 Вт

1.5 Напряжение источника сигнала: Е_с= 0,1 В

1.6 Сопротивление источника сигнала: R_c = 15 Ом

2. Перечень вопросов подлежащих проработке

2.1 Анализ технического задания, поиск и анализ прототипов

2.2 Разработка структурной схемы усилителя низкой частоты

2.3 Разработка электрической принципиальной схемы выходного каскада

2.4 Расчет электрической принципиальной схемы предоконечного каскада

2.5 Расчет электрической принципиальной схемы предварительного каскада

2.6 Расчет результирующих характеристик параметров усилителя низкой частоты

2.7 Экспериментальное подтверждение правильности проведенных расчетов с использованием программы MicroCAP 9.0.6.1

2.8 Проектирование вторичного источника электропитания

2.9 Оформление пояснительной записки; составления перечня элементов

3. Перечень графического материала

3.1 Схема электрическая структурная усилителя низкой частоты

3.2 Схема электрическая принципиальная усилителя низкой частоты

3.3 Результирующие характеристики усилителя низкой частоты

3.4 Графические результаты моделирования

Содержание

Техническое задание 2

Содержание 3

1. Введение 4

2. Разработка структурной схемы усилителя низкой частоты 7

3. Расчёт выходного каскада 8

4. Расчет предоконечного каскада 11

4.1. Расчет параметров схемы в статическом режиме 13

4.2. Расчет параметров схемы в динамическом режиме 15

5. Расчет входного каскада 17

Основные показатели выходной цепи транзистора по переменному току 20

6. Проектирование цепи обратной связи 21

7. Проектирование источника вторичного электропитания 22

8. Схема электрическая принципиальная УНЧ 24

9. Перечень элементов 26

10. Список литературы 26

1. Введение

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации техно­логических процессов, построении радиотехнических устройств и медицин­ских приборов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат электронные усилители — устройства, позволяющие увеличить мощность электрического сигнала без изменения его формы и час­тотного спектра. Увеличение мощности сигнала происходит за счет энергии источника питания.

К входу усилителя подключается источник сигнала (Ec, Rc), к выходу нагрузка Rн(рис. 1).

Рисунок 1 - Структурная схема усилительного устройства

Электронные усилители классифицируют по различным признакам:

1) по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ);

2) по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и им­пульсных сигналов;

3) по усиливаемой электрической величине - усилители напряжения, тока, мощности;

4) по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные (избиратель­ные) и широкополосные усилители;

5) по типу нагрузки - резистивные (апериодические) и резонансные усилители.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характери­стик:

1) Коэффициент передачи или коэффициент преобразования;

2) Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики;

3) Линейные и нелинейные искажения;

4) Амплитудная характеристика, динамический диапазон.

Целью данного курсового проекта является проектирование и расчет усилителя низкой частоты (УНЧ) с заданными параметрами, а так же изучение основных свойств различных усилительных каскадов.

Анализ технического задания

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителя.

Важнейшими параметрами усилителя являются:

• коэффициент усиления,

• полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя),

• входное и выходное сопротивления,

• выходная мощность,

• степень искажения усиленного сигнала.

Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

по напряжению

по току

по мощности

где - действующие напряжения и токи соответственно на входе и выходе усилителя, причем

При каскадном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления всей схемы, т.е.

В общем случае коэффициенты усиления являются комплексными величинами, что отражает наличие фазовых искажений усиливаемого сигнала.

Полоса пропускания усилителя – диапазон рабочих частот , в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже значения 0,707 от своего максимального значения К_max.

Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой.

Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Часто на практике интересуются только активными составляющими входного и выходного сопротивлений.

Выходная мощность усилителя – это та часть мощности, которая может быть выделена в нагрузочном устройстве. В случае активной нагрузки она вычисляется по формуле

Искажение сигналов в усилителе связано:

- с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических вольт - амперных характеристик (ВАХ) применяемых элементов;

- с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала.

Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые).

Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник)

где - действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; - действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений M, численно равным отношению коэффициента усиления в области средних частот для амплитудно - частотной характеристики к коэффициенту усиления на заданной частоте.

Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя. Для получения высоких коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения. Каскадную схему усилителя можно представить в виде трех функционально отличных каскадов усиления: предварительного (ПрУ), промежуточного (ПмУ), и выходного усилителя (ВУ).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилительного устройства. Поэтому важнейшее требование – минимальное ослабление входного сигнала. Для этого (ПрУ) должен обладать большим входным сопротивлением . Это сопротивление должно быть существенно больше сопротивления источника сигнала. В это случае изменения входного напряжения усилителя будет стремиться к изменению напряжения источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое к (ПрУ) – обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при минимальных искажениях.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями. Основная его задача – согласование выхода (ПрУ)со входом (ВУ).

Выходной усилитель предназначен для получения на выходе усилительного устройства мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства.

В заключение следует отметить, что наличие трех разнотипных функциональных каскадов не является обязательным.