Курсовые / Усилители / Усилители НЧ / УМНЧ на транзисторах и ОУ 3 / NATA_RE

МИЭТ

Курсовая работа

по предмету "Радиоэлектроника и

импульсная техника"

Разработка усилителя низкой частоты

на операционных усилителях и

полупроводниковых приборах

выполнил: студентка группы

МП-40 Семенова Н.В.

руководитель:

Белоусов В.Н.

1998г

Задание: разработать на полупроводниковых приборах и операционных усилителях усилитель низкой частоты со следующими параметрами:

-выходная мощность 4 Вт

-сопротивление нагрузки 8 Ом

-полоса усиливаемых частот 0.1 ... 20 КГц

-частотные искажения не более 2 Дб

-внутреннее сопротивление генератора 100 КОм

-ЭДС источника сигнала 0.04 В

-температура окружающей среды -10 ... +50 °С

Поскольку требования к усилителю довольно невысокие, имеет смысл попытаться обойтись максимально простой схемой:

Применим в качестве усилителя по напряжению схему на ОУ, например неинвертирующий усилитель, а в качестве усилителя по току двухтактный эмиттерный повторитель и попробуем прикинуть параметры схемы:

Резисторы R1 и R2 должны обеспечить необходимый коэффициент усиления:

Можно, например, взять R2 =142K, R1 =1K.

Резисторы R3 и R4 должны обеспечивать максимально необходимый базовый ток транзисторов

(при b >=100 ток не более 13 мА, КОм)

Операционный усилитель можно применить например марки К140УД6 в металлостеклянном корпусе (пластмассовый не подходит из за меньшего диапазона допустимых температур).

Проверка на обеспечение необходимой скорости нарастания выходного напряжения:

Требуемая скорость:

К140УД6 обеспечивает скорость нарастания до

Прочие параметры К140УД6:

К140УД6 обеспечивает скорость нарастания до

Прочие параметры К140УД6:

-напряжение питания ±(3 ... 18) В

-номинальное напряжение питания ± 15 В

-входной ток 30 нА

-номинальное значение тока 2.8 мА

-напряжение смещения нуля ±5 мВ

-температурный дрейф напряжения смещения 20 мкВ/°С

-сопротивление входа 2 МОм

-сопротивление нагрузки 2..10 КОм

-максимальное выходное напряжение ± 12 В

-частота единичного усиления 1 МГц

-коэффициент усиления 70000

-диапазон температур - 45 ... +85 °С

Исходя из максимального выходного напряжения и минимального сопротивления нагрузки можно заключить, что максимально допустимый ток выхода равен 12 мА. Отсюда минимальное b выходных

транзисторов:

Ориентируясь на эту величину, а также на допустимый ток эмиттера не менее 1.26 А можно выбрать в качестве выходных транзисторов пару составных усилительных транзисторов большой мощности: КТ829 с любым буквенным индексом (n-p-n) и 2Т825А2-В2 (p-n-p), которые имеют следующие характеристики:

КТ829

-статический коэффициент передачи тока

по схеме с ОЭ, не менее:

при Тк = +25 ... +85 °С 750

при Тк = -40 °С 100

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер 45 В

-постоянный ток коллектора 8 А

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора 60 Вт

-температура окружающей среды -40 ... +85 °С

-тепловое сопротивление переход-корпус 2.08 °С/Вт

-температура перехода 150 °С

2Т825

-статический коэффициент передачи тока

по схеме с ОЭ, не менее:

при Тк = +25 ... +85 °С 500

при Тк = -40 °С 100

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер 60 В

-постоянный ток коллектора 15 А

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора 30 Вт

-температура окружающей среды -60 ... +100 °С

-температура перехода 150 °С

небольшой недостаток коэффициента передачи тока при низких температурах несущественен, так как в процессе работы транзисторы саморазогреются.

Напряжение питания пусть будет номинальным для ОУ: ±15 В, тогда

Ближайшее стандартное значение — 1.8 К

Для исключения усиления постоянной составляющей сигнала и необходимости балансировки ОУ схему следует дополнить разделительными конденсаторами:

Емкость конденсаторов определяется из допустимых частотных искажений на нижних частотах.

Чтобы частотные искажения, создаваемые конденсатором C1 при сопротивлении резистора R равном 12 К, не превышали 0.1 дБ его емкость должна быть не менее 0.87 мкФ.

Чтобы частотные искажения, создаваемые конденсатором C2 при сопротивлении резистора R1 равном 1 К, не превышали 1.9 дБ его емкость должна быть не менее 2.1 мкФ.

Конденсатор С1 здесь исключает прохождение постоянной составляющей сигнала на вход, а конденсатор С2 снижает до единичного коэффициент усиления для постоянной ошибки, возникающей из-за наличия у операционного усилителя напряжения смещения нуля и неполной компенсации в данной схеме токов входов.

Если необходимо исключить усиление высоких частот, в цепь обратной связи нужно ввести еще один конденсатор, который также является дополнительной частотной коррекцией, предупреждающей самовозбуждение усилителя на высоких частотах:

Емкость конденсатора определяется из допустимых частотных искажений на верхних частотах.

При сопротивлении резистора R2 равном 142 К емкость С3 не должна превышать 42.85 пФ, из чего также видно, что при трассировке платы необходимо следить, чтобы эта емкость не образовалась сама собой.

В целях дальнейшего усовершенствования схемы выходной каскад можно дополнить ограничителем тока для защиты от короткого замыкания нагрузки:

Транзистор VT1 — КТ315, VT2 — КТ361. Резисторы R — проволочные, сопротивлением по 0.4 Ома, при этом выходной ток ограничивается на уровне 1.5 А, что не опасно для выходных транзисторов, причем поскольку при повышении температуры пороговое напряжение для транзисторов VT1 и VT2 уменьшается, при перегреве выходных транзисторов ток будет ограничиваться на меньшем уровне.

В режиме короткого замыкания нагрузки выходные транзисторы будут рассеивать мощность каждый.

Эта мощность является максимальной и никогда не достигается в нормальном режиме, поэтому именно на нее следует ориентироваться при тепловом расчете радиаторов.

Расчет радиаторов выходных транзисторов:

Общее тепловое сопротивление: , где

— тепловое сопротивление переход-корпус;

— тепловое сопротивление корпус- радиатор

где — толщина прослойки полиметилсилоксановой жидкости между транзистором и радиатором, м

— удельная тепловая проводимость полиметилсилоксановой жидкости, Вт/мЧК

— площадь основания транзистора, мІ

— тепловое сопротивление радиатор-воздух

где a = 40 Вт/мІЧК — удельная теплоотдача радиатора

— площадь поверхности радиатора, мІ

Отсюда

Таким образом окончательная схема имеет вид:

Примечание: усилитель может работать при напряжении питания, пониженном вплоть до ±10 В, при этом транзисторы рассеивают меньшую мощность и можно обойтись меньшими размерами радиаторов

(около 25 смІ при напряжении питания ±10 В).

Предложенная схема за счет глубокой ООС малочувствительна к температуре окружающей среды и разбросу параметров транзисторов и операционных усилителей, устойчива к перегрузкам по входу до

(Uпит-4) вольт и к короткому замыканию нагрузки.