КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТОВ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:
«Разработка схемы усилителя низкой частоты на дискретних элементах»
__________________________________________________________________
Студент группы _РЭА -27з Суптелина Марина Владимировна_ (_________)
Руководитель проекта Зотов Алексей Васильевич_______ (__________)
КОНСУЛЬТАНТЫ
Зотов Алексей Васильевич__________ (____________________)
_____________________________________ (____________________)
______________________________________ (____________________)
Заведующий кафедрой ЭА _________________________ (М.И. ХИЛЬ)
Северодонецк
2009г
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ВОСТОЧНОУКРАИНСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА
им. ВЛАДИМИРА ДАЛЯ
(г.Северодонецк)
_____________________________________________________________
(наименование вуза)
Факультет: КОМПЬЮТЕРНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Кафедра: ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТОВ
Специальность ________________________________________________
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой электронных аппаратов
____________________Хиль М.И._
«_______»___________________200 ____ г.
З А Д А Н И Е
НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТУ) СТУДЕНТА
Суптелина Марина Владимировна
(фамилия, имя, отчество)
1. Тема проекта (работы) «Разработать схему усилителя низкой частоты на дискретных элементах»___________________________________________________________________________________________________________________________
утверждена приказом по институту от «____» _________________ 200 ___г. № ___________
2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы) ________20.05.2009_____________
3. Исходные данные к проекту (работе): Uвх = 25мВ, Rвх> 2000 Ом, Rн = 800 Ом, fн = 20 Гц, fв = 16 кГц, Кu > 130, Мн = 1,1_____________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)
Введение.
1. Анализ существующих схемных решений.
2. Расчёт схемы электрической принципиальной усилителя низкой частоты.
3. Выбор элементной базы.
4. Заключение.
5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)
1. Схема электрическая принципиальная ЭП.
2. Ведомость комплектующих ВК.
6. Консультанты по проекту (работе), с указанием относящихся к ним разделов проекта
| Раздел | Консультант | Подпись, дата | |
| Задание выдал | Задание принял | ||
7. Дата выдачи задания ________________________________________
Руководитель __________________ Зотов А.В.
(подпись)
Задание принял к исполнению __________________ Суптелина М.В.
(подпись)
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
| № п/п | Наименование этапов дипломного проекта (работы) | Срок выполнения этапов проекта (работы) | Примечание |
| Подбор литературы по теме проекта | 1 неделя | ||
| Изучение литературных источников | 2 неделя | ||
| Написание введения | 3 неделя | ||
| Написание раздела “Анализ схемных решений” | 4 неделя | ||
| Выполнение расчётов УНЧ | 5 неделя | ||
| Выбор элементной базы | 6 неделя | ||
| Выполнение графической части | 7 неделя | ||
| Оформление курсового проекта | 8 неделя |
Студент Суптелина М.В. ______________________________
(подпись)
Руководитель проекта Зотов А.В. ______________________________
(подпись)
ВВЕДЕНИЕ
Усилители электрических сигналов – это электронные устройства, предназначенные для усиления или повышения мощности входных сигналов за счет энергии источника питания. По характеру изменения сигнала во времени усилители бывают постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот, начиная с нулевой частоты. Усилители переменного тока подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.
Усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.
Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.
В качестве источника входного сигнала УНЧ могут использоваться различные устройства, такие как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка и т.д.
Характерной особенностью современных электронных усилителей является большое разнообразие схематических решений, благодаря которым они могут быть реализованы в современной технике. Среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, которые содержат цепи и элементы, чаще всего встречающиеся в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения.
Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, по току KI или мощности KP.
Коэффициенты усиления часто выражаются в логарифмических единицах – децибелах.
Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2·…. ·Кп.
Транзистор можно включить в усилительный каскад тремя способами: по схеме с общей базой, по схеме с общим эмиттером и по схеме с общим коллектором.
Усилительный каскад, собранный по схеме с общей базой (ОБ), обладает малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением. Низкое входное сопротивление каскада с ОБ, является его существенным недостатком. Между такими каскадами следует включать специальные согласующие устройства, что ограничивает применение данной схемы в усилительных устройствах.
Особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней выступает малый по величине ток базы. Поэтому входное сопротивление каскада с общим эмиттером выше, чем входное сопротивление каскада с ОБ. Выходное сопротивление в схеме с общим эмиттером также достаточно велико. Это позволяет в многокаскадном усилителе обойтись без специальных согласующих устройств между каскадами. Поэтому схема с общим эмиттером является наиболее распространенной.
Входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико, а выходное, наоборот, мало и составляет лишь десятки или сотни Ом. Поэтому каскад с общим коллектором не дает усиления сигнала по напряжению и имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по мощности. Каскад с общим коллектором применяется в основном для согласования сопротивлений между отдельными каскадами усилителя.
Выходные каскады усилителей строятся по однотактной или двухтактной схемам, существенно отличающимися друг от друга. Двухтактный каскад отдает вдвое большую мощность, чем однотактный, имеет трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в несколько раз большую пульсацию источника питания. Кроме того, двухтактный каскад характеризуется более высоким КПД.
Трансформаторные выходные каскады применяются, если сопротивление нагрузки усилителя значительно отличается от наиболее выгодного сопротивления нагрузки выходного каскада. В этом случае достигается максимальный КПД при допустимых линейных искажениях.
В тех случаях, когда заданный коэффициент усиления или другие параметры невозможно получить на одном каскаде применяется многокаскадные схемы. Число каскадов усилителя выбирается в зависимости от величины входного сигнала, выходного и необходимого коэффициента усиления.
На основе проведенного анализа выбираем трехкаскадный усилитель. Первый каскад – эмиттерный повторитель, второй, третий – однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером, что позволяет достичь необходимого коэффициента усиления, используя при этом возможное наименьшее количество радиоэлементов, что снизит стоимость изделия и уменьшит вероятность выхода его из строя.
В настоящем курсовом проекте будет разработана схема усилителя низкой частоты на дискретных элементах.
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ
В данном курсовом проекте необходимо разработать усилитель низкой частоты.
Усилители переменного напряжения по виду исполнения бывают: апериодические и резонансные.
У апериодических усилителей в качестве нагрузки коллектора применяется сопротивление. В них отсутствуют резонансные цепи.
В резонансных усилителях на входе и в нагрузке используется параллельные, реже последовательные LC-контура.
Резонансные усилители по ширине полосы пропускания частот делятся на резонансные, полосовые, широкополосные.
Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером относится к апериодическим усилителям (рис.1).
Рисунок 1. Однокаскадный усилитель на транзисторе с общим эмиттером.
Rд1 Rk + Ek
Cp2
VT Uвых
Rвх Ср1
R4
Uвх Rэ Сэ
В нем применяется метод подачи смещения на усилительный транзистор с помощью постоянного напряжения базы. Этот метод обладает как достоинствами, так и недостатками. Он предусматривает применение на входе усилительного каскада делителя напряжения. Делитель состоит из двух сопротивлений Rд1 и R4 (рис.1). Этот метод подачи смещения обеспечивает высокую стабильность положения рабочей точки и соответственно стабильный коэффициент усиления. Однако наличие сопротивления R4 приводит к значительному снижению входного сопротивления, поэтому эти каскады с таким смещением редко используются на входе усилителя, так как стабильность рабочей точки во входных каскадах не имеет существенного значения из-за малого входного сигнала, а требуется большое входное сопротивление, что этот каскад обеспечить не может.
Для входных каскадов применяется второй способ подачи смещения на базу постоянным током базы (рис.2).
Достоинством этого метода является более высокое входное сопротивление, меньшее количество используемых деталей. Недостатками является меньшая стабильность положения рабочей точки, но для каскадов с малым входным напряжением это не принципиально.
При изменении температуры окружающей среды положение рабочей точки транзистора изменяется, что приводит к его запиранию. Для ликвидации этого паразитного явления используются схемы стабилизации положения рабочей точки:
- эмиттерная стабилизация;
- коллекторная стабилизация.
Эмиттерная стабилизация заключается в установке в эмиттерной цепи транзистора сопротивления Rэ и емкости Сэ.
Рисунок 2. Подача смещения постоянным током базы
+ Ek
Rб Rk
Cp2
Cp1
VT
Rвх
Uвх
Rэ Сэ
Коллекторная стабилизация выполняется по следующей схеме:
Рисунок 3. Коллекторная стабилизация
+ Ek
Rб1 Rб2 Rk Ср2
Ср1 Uвых
Uвх VT
Cб
Коллекторная стабилизация проще, чем эмиттерная, однако имеет меньший диапазон стабилизации тока, поэтому применяется реже.
Схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель) (рис.4) часто применяется в качестве входного каскада усилителей. У этой схемы коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания практически присоединен к корпусу, т.е на “землю”. Напряжение на базе Uбо=Uвх-Uвых следовательно у этого каскада имеется глубокая ООС, поэтому коэффициент усиления по току очень большой. Фаза выходного напряжения строго совпадает с фазой входного напряжения.
К достоинствам этой схемы можно отнести:
- высокий коэффициент усиления по току;
- высокое входное сопротивление (из-за влияния глубокой обратной связи);
- низкое выходное сопротивление;
Рисунок 4. Эмиттерный повторитель
+ Ек
Rб
Ср1
VT
Cр2
Uвх
Rэ Uвых
В тех случаях, когда заданный коэффициент усиления или другие параметры невозможно получить на одном каскаде применяется многокаскадные схемы. Число каскадов усилителя выбирается в зависимости от величины входного сигнала, выходного и необходимого коэффициента усиления.
Общий коэффициент усиления распределяется по каскадам по следующей формуле Kuj = К1 · К2 ·…· Кn, где n – число каскадов, Кn – примерный коэффициент одного каскада.
Распределение коэффициентов усиления по каскадам представляет собой итерационную процедуру.
На основе проведенного анализа выбираем трехкаскадный апериодический усилитель рис.5.
Первый каскад этого усилителя выполнен по схеме эмиттерного повторителя, второй и третий - однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, что позволяет достичь необходимого коэффициента усиления, необходимой стабилизации рабочей точки транзистора, используя при этом возможное наименьшее количество радиоэлементов, что снизит стоимость изделия и уменьшит вероятность выхода его из строя.
Рисунок 5. Трехкаскадный апериодический усилитель
+ Eк
R1 R3 R6 R7 R10
С6
С1 VT1 C2 VT2 C4 VT3 Rн
Uвых
Uвх
R2 R4 R5 C3 R8 R9 C5