МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Кафедра: Радиоэлектроника.

Дисциплина: Электроника.

Специальность: 230401.65 “Прикладная математика”.

Курсовой проект

на тему:

«Усилитель низких частот на транзисторах и операционном усилителе»

Руководитель:

Кузнецов С.Н.

Выполнил:

студент группы МП-XX

Anonymous Student

МИЭТ 2013

Техническое задание: разработать УНЧ, удовлетворяющий следующим требованиям:

Выходная мощность:	PH, Вт	5
Сопротивление нагрузки:	RH, Ом	16
Входное сопротивление:	RГ, кОм	10
Входное напряжение:	eГ, мВ	8
Диапазон частот:	fН/fВ, Гц	100/20000
Частотные искажения:	MН=MВ, дБ	3
Диапазон температур:	T, °C	-10...+50

Энергетический расчет режима усилителя мощности

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

Напряжение питания равно:

Ток, потребляемый в режиме максимальной отдаваемой мощности:

Мощность, рассеиваемая на каждом транзисторе при максимальной отдаваемой мощности:

Выбор транзисторов выходного каскада VT7 и VT8

• 

• 

• 

Этим требованиям удовлетворяют следующие транзисторы: КТ818Г и КТ819Г.

Параметры этих транзисторов:

• коэффициент усиления тока в схеме ОЭ:

• максимальная температура перехода:

• мощность рассеивания коллектором с радиатором:

• максимальный ток коллектора:

• тепловое сопротивление переход-корпус:

Оценим начальный ток выходных транзисторов,

Для учета температурной нестабильности следует выбрать рабочее значение тока покоя с запасом в 2-3 раза больше.

Определим величину сопротивления резистора в эмиттере VT7 (VT8):

Где – пороговое напряжение срабатывания схемы защиты, – коэффициент перегрузки по току, вызывающий срабатывание схемы защиты.

Таким образом, берём

Максимальная расчетная мощность резисторов:

Возьмём

Выбор транзисторов VT3 и VT6

Выбор транзисторов VT3 ,VT6 зеркальных относительно VT7, VT8 некритичен, так как они используются в диодном включении. Подойдут транзисторы с допустимым током эмиттера в 2-3 раза меньшим, чем у транзисторов VT7 (VT8), с минимальным рабочим напряжением. Выберем VT3 - КТ816А, VT6— КТ817А. Мощность рассеяния на этих транзисторах невелика, так как , тепло выделяется только на эмиттерном переходе:

Хотя такую мощность большинства из мощных транзисторов мо­жет рассеивать без радиатора, транзисторы VT3 (VT6) нужно размещать на радиаторе (используя изолирующую прокладку) вблизи транзисторов VT3 (VT8) из условий оптимальной работы токового зеркала VT3, VT7 и VT6, VT8 по температуре.

Расчёт сопротивление и мощности резисторов R₁₀, R₁₃

Из формулы для коэффициента передачи токового зеркала

получим:

Рекомендуется выбирать коэффициент зеркала Выберем

Примем Максимальная мощность этого резистора рас­считывается после нахождения амплитуды тока эмиттера VT3 (VT6) при больших сигналах:

Берём

Определение амплитуды тока и мощности транзисторов VT4 и VT5.

Амплитуда тока транзистора VT4 (и VT5) равна:

Мощность рассеяния транзисторов VT4 (VT5) оценивается как:

Расчёт сопротивления резистора R₁₁ = R₁₂

Для этого следует задаться амплитудой напряжения , которая сни­мается с выхода ОУ. Ограничиваем (с целью улучшения динамики ОУ) эту амплитуду не более В.

Оценим амплитуду возбуждения баз выходных транзисторов VT7 (VT8):

Задав амплитуду выходного напряжения умощнителя оценим необходимые рабочие точки транзисторов VT4 и VT1. Найдём амплитуду тока базы VT4:

Определим сопротивления резисторов и из условий обеспечения амплитуды при закрывании VT1 максимальной амплитудой :

С некоторым запасом (VT1 не должен закрываться до нуля) примем

Мощность резистора

Выберем резистор мощностью 0,5 Вт.

Теперь можем найти ток покоя транзистора VT3

В статике этот ток должен задавать принятый нами ток Сопротивление резистора, согласно равен

Примем

является стандартной величиной применяемой в RC-цепочке коррекции усилителя методом «грубой силы».

Теперь можно рассчитать мощность рассеяния на коллекторе транзистора VT4 (VT5):

Итак, к транзисторам VT4 (VT5) предъявлены требования:

• 

• 

• 43,2 мВт;

• 

Таким условиям в рекомендованной группе отвечают транзисторы КТ814Б(VТ4), КТ815Б(VТ5).

Транзисторы входного каскада “умощнителя” VT1 (VT2) работают в очень облегченном режиме, с токами до 20-30мА и напряжением до 25В. Здесь уместны транзисторы KT814А (VT1) и КТ815А (VT2). VT1 и VT4, как и VT2 с VT5, должны иметь хороший тепловой контакт (крепеж на общем радиаторе попарно).

Выбор типа операционного усилителя.

ОУ должен удовлетворять следующим требованиям:

• высокая частота единичного усиления

• высокая скорость нарастания напряжения

• низкий входной ток.

Ни один из имеющихся операционных усилителей не обладает такой частотой единичного усиления, следовательно, нам придётся использовать несколько ОУ. В таком случае требование по ч.ед.ус. будет следующим:

(для двух ОУ), где .

Чтобы обеспечить низкий входной ток выберем ОУ на полевых транзисторах.

Нам подходит ОУ К544УД2А, имеющий следующие параметры:

• коэффициент усиления

• частота единичного усиления

• скорость нарастания выходного напряжения

• максимальное выходное напряжение

• напряжение смещение нуля

• входной ток

Расчёт параметров цепей отрицательной обратной связи

Благодаря цепи усилитель представляет собой активный полосовой RC – фильтр. Нижняя граничная частота фильтра определяется элементами образующими

верхняя частота зависит от выбора

Сопротивления Резистор определяет входное сопротивление усилителя, которое должно быть относительно большим. Возьмем

Учитывая, что выбранный ОУ имеет примем

Тогда

Оценим сдвиг нуля по формуле .

Такое напряжение на нагрузке вызовет сдвиг токов покоя (ассиметрично плеч выходного каскада УМ):

Так как начальный ток каждого плеча выбран с запасом ( ), относительная погрешность что удовлетворительно.

Конденсаторы в цепи ООС работают без поляризующего напряжения (в покое близким к нулю), поэтому следует брать керамические конденсаторы.

Емкости конденсаторов определяют нижнюю граничную частоту усилителя.

.

Конденсаторы – керамические, емкость которых 1-2 мкФ.

Расчёт радиатора.

Из расчета выходного каскада нам известна выделяемая на транзи­сторах суммарная мощность на каждом из выходных транзисторов мощность рассеяния Группируем тепловые параметры для выбранных транзисторов (КТ818 - КТ819) и универ­сальные постоянные для теплового расчета:

• площадь теплового контакта корпус транзистора – радиатор ;

• тепловое сопротивление переход – корпус

• макс. допустимая температура перехода ;

• макс. температура среды (внутри блока усилителя)

• коэффициент вязкости воздуха ;

• ускорение свободного падения ;

• объемный коэффициент расширения воздуха ;

Выберем размеры радиатора:

• L=4 см;

• h=1 см;

• d=2 мм;

• =1,5 мм.

• Тепловое сопротивление корпус-радиатор:

Рассчитаем средний перегрев радиатора над средой:

Оптимизированное расстояние между ребрами:

Найдем величину теплового сопротивления радиатор-среда на один транзистор выходного каскада:

Рассчитаем полную поверхность радиатора:

Полная поверхность теплоотвода должна быть в 2 раза больше(2 транзистора). Рассчитаем число секций радиатора:

Общее число секций N=3.

Полная длина радиатора:

Список литературы

1. Методические указания к курсовому проектированию по радиоэлектронике. Под редакцией В.А.Кустова, - М.: Изд. МИЭТ, 1987г.

1. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. У.Титце, К.Шенк, Пер. с нем. – М.: Мир, 1983г.