Курсовые / Усилители / Усилители НЧ / УМНЧ на транзисторах и ОУ 1

Московский Государственный Институт Электронной Техники

(Технический Университет)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу “Радиоэлектроника”

тема проекта:

“УНЧ на транзисторах и ОУ”

Выполнил: студент группы ЭКТ-37

Кириченко С.А.

Руководитель: Кузнецов С.Н.

Москва 2003 г.

Техническое задание: разработать УНЧ, удовлетворяющий следующим требованиям:

Выходная мощность:	PH, Вт	10
Сопротивление нагрузки:	RH, Ом	4
Входное сопротивление:	RГ, кОм	10
Входное напряжение:	eГ, мВ	20
Диапазон частот:	fН/fВ, Гц	100/20000
Частотные искажения:	MН=MВ, дБ	3
Диапазон температур:	T, °C	-10...+50

Энергетический расчет режима выходного каскада и выбор транзисторов VT5 и VT6.

Необходимая амплитуда синусоидального напряжения при заданных сопротивлении нагрузки R_H и мощности P_H на выходе УМ:

Напряжение питания равно:

Т ок, потребляемый в режиме максимальной отдаваемой мощности:

Мощность, рассеиваемая на каждом транзисторе при максимальной отдаваемой мощности:

Выбор транзисторов выходного каскада VT5 и VT6 производится с учётом следующих условий:

U_{КЭ max} > 1,2 (U_п1 + | U_п1 | ) = 28,8 В;

I_{К max} > I_mн ( при U_КЭ = U_{КЭ min} ) = 2,236 А;

P_{К max} > P_p ( при T_{c max} = 70^oC = 343 К ) = 3,544 Вт;

Этим требованиям удовлетворяют следующие транзисторы:

- для VT5: КТ816Б,

- для VT6: КТ817Б,

с параметрами:

- коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: h_21Эmin = 25;

- максимальная температура перехода: Т_{n max} = 150^oC = 423 K;

- I_k = 3A;

- U_kэ = 45В;

- Р_max = 25Вт.

Эффективность работы транзисторного выходного каскада в режиме В (АВ) на верхних частотах заданного диапазона (отсутствие или ограниченная величина так называемого “сквозного тока”)может быть обеспечена только при выполнении условий

,

где f_h21Э - частота, на которой |h_21Э|=0.7h_21Э ; f_T = 3МГц – частота, на которой |h_21Э|=1; f_В – заданная верхняя граничная частота усилителя; f₁ – частота единичного усиления ОУ.

Для выполнения второго условия необходимо, чтобы К удовлетворял условию:

Поэтому используем два каскада на ОУ с K==17,8.

Исходя из этого, выбираем операционный усилитель. Он должен удовлетворять следующим требованиям:

f₁ > f_В K = 356 кГц;

f₁ ≤ f_T/(2 ÷ 3) = (1 ÷ 1,5) МГц;

V_max > 2πf_ВU_mн = 1,1 В/мкс.

Таким требованиям удовлетворяет микросхема 140УД6, имеющая следующие параметры:

- коэффициент усиления К = 7;

- частота единичного усиления f₁ = 1 МГц;

- скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 2,5 В/мкс;

- максимальное выходное напряжение U_вых.max = 12В;

- напряжение смещение нуля U= 5мВ;

- входной ток I = 0,03мкА.

Оценим начальный ток выходных транзисторов, I_Э:

С учетом температурной нестабильности следует выбрать рабочее значение тока покоя с запасом в 2 – 3 раза выше: I_Эmin ≥ 15мА.

Сопротивления обратной связи по току:

R₁₃ = R₁₅ = (0,03 ÷ 0,1)R_н = (0,12 ÷ 0,4) Ом

Часто эти резисторы используются как датчики напряжения для схемы защиты при перегрузке по току выходного каскада УМ. При этом их величина должна определяться также условием

R₁₃ = R₁₅ == (0,15 ÷ 0,19) Ом

Таким образом, берём R13 = R15 = 0,18 Ом.

Расчет предоконечного каскада на транзисторах VT3 и VT4.

Предоконечный каскад обычно должен обеспечивать усиление по току и напряжению, так как амплитуда выходного тока и напряжения распространенных типов ОУ ограничена ( порядка 10 ÷ 20 мА, 10 ÷ 12 В). Коэффициент усиления по напряжению определяется, в основном, делителем из резисторов R11, R14. Амплитуда напряжения на эмиттерах VT3 и VT4 равна ( R_н << R14 )

Приняв R₁₄ = h_{21Э5 min} R_н = 100 Ом , получим U_mн = 0,5(1 + R₁₄/R₁₁)U_mэ.

Так как относительно точки соединения резисторов R11, R14 транзисторы VT3 и VT4 являются повторителями приращения напряжения на их базах, амплитуда напряжения на выходе ОУ практически повторяется на эмиттерах VT3 и VT4 и равна U_Э ≈ U_{m вых ОУ} , т.е. коэффициент усиления всего каскада с учётом вышесказанного равен

,

отсюда определяется сопротивление R11. Допустимую амплитуду напряжения на выходе ОУ следует выбрать несколько меньшей по сравнению с максимальной величиной, указанной в справочнике:

U_{m вых ОУ}­ ≈ (0,7 ÷ 0,8) U_{m вых max} = 9 В.

Этот запас необходим из-за возможной нестабильности источника питания. Таким образом:

K_В ≈ 1,

R11=100 Ом

Сопротивление резисторов R10 и R12 рассчитываем так, чтобы ток через них при максимальном сигнале не превышал 10-20% от амплитуды тока базы выходных транзисторов.

R₁₀=R₁₂=

Таким образом, берём R10 = R12 = 75 Ом.

Транзисторы предоконечного каскада VT3 и VT4 должны удовлетворять условиям:

U_{КЭ max} ≥ 1,2 (U_п1 + | U_п1 | ) = 28,8 В;

I_{К max} > = 1,2·2,236 / 25 = 107 мА;

P_{К max} > =

= .

Подходящие транзисторы:

- для VT3: КТ503Г,

- для VT4: КТ502Г,

с параметрами:

- коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: h_21Эmin = 80;

- максимальная температура перехода: Т_{n max} = 150^oC = 423 K;

- I_k = 300мA;

- U_kэ = 40В;

- Р_max = 500мВт.

Так как выполнено условие

≤ ,

то использовать радиатор не нужно.

Схема обеспечения режима покоя и его стабилизации.

Требования к транзистору VT2 минимальны. Здесь применим любой маломощный кремниевый транзистор. Желательно, чтобы его конструктивное выполнение было удобно для крепления на радиаторе. Например, КТ209А.

Режим работы и выбор полевого транзистора VT1 определяется тем, что ток стока должен с некоторым запасом обеспечивать амплитудные значения тока базы транзистора VT4 в режиме отдачи максимальной мощности:

Напряжение Uсз на VT1 может достигать величины

С некоторым запасом следует принять

Средняя рассеиваемая мощность равна

Выбираем полевой транзистор с минимальным начальным током, и удовлетворяющий условиям:

I_С1 > 1,65 мА;

U_СИ1max > 26 В;

P_К(Т_Сmax) ≥ 20,1 мВт.

Подойдёт транзистор КП307Е, с характеристиками:

- P_max = 250 мВт;

- U_O = (0,5 ÷ 2,5) В;

- U_ЗСmax = 27 В;

- U_СИmax = 27 В;

- I_СН = 1,5 мА.

Сопротивление автосмещения и стабилизации

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Ток делителя R8 и R9 принимаем

откуда

R8 = R9 = 1,8 кОм.

Расчёт элементов в цепях ОУ.

Сопротивление R3 определяет входное сопротивление усилителя, R3 = 10 кОм. Из условия минимума смещения нуля принимаем R2 = R3 = 10 кОм.

Рекомендуемая величина резистора R6 лежит в пределах 10 ÷ 100 кОм. Возьмём R6 = 100 кОм.

Сопротивление R5 следует принять равным R6 из условия минимума смещения нуля: R5 = R6 = 100 кОм. Отношение сопротивления резисторов R₅/R₄ и R₂/R₁ задает коэффициент усиления:

K_ос=1+R₂/R₁ K_ос=1+R₅/R₄ ,

где K=17,8. Отсюда R4 = 5,6 кОм, R1 = 560 Ом.

Емкости конденсаторов C1 и C2 определяют нижнюю граничную частоту усилителя.

С1 = 470 нФ, С2 = 24 нФ.

Конденсаторы С3 и С4 являются антипаразитными, их типовая величина 22 ÷ 68 нФ. Поэтому С3 = С4 = 39 нФ.

С6 = 1,6 нФ.

Расчет радиатора для мощных транзисторов:

1. Исходные данные:

P_k = 3,544 Вт

R_пк = 5 К/Вт

T_{п max} = 423 K

S_k = 0,87 см²

T_{c max} = 323 K

 = 1.5710^-4 м²_/ c

g = 9.8 м/c²

R = 1/273

2. Рекомендуемые габаритные постоянные радиатора:

L=h=4 см

d=2 мм

=1,5 мм

3. Тепловое сопротивление корпус-радиатор:

4. Средний перегрев радиатора:

5. Оптимизированное расстояние между ребрами:

6. Расчетное тепловое сопротивление:

7. Поверхность радиатора:

см

8. Число ребер:

9 . Габаритные размеры радиатора:

Список используемой литературы

1. Титце У.,Шенк К. Полупроводниковая схемотехника М, Мир, 1982 г.

2. Кустов В.А. Методические указания по курсовому проектированию по радиоэлектронике М, МИЭТ, 1987 г.

9