Разработка и расчет принципиальной схемы

1.3 Разработка и расчет принципиальной схемы

 

Принципиальная электрическая схема УНЧ приведена в приложении Б. При расчете предполагается, что параметры транзисторов различных плеч одинаковы. [3]

Величина напряжения источника питания определяется по формуле [3] (1.3.1):

, (1.3.1)

Максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов VT3 и VT4 определяется по формуле (1.3.2):

. (1.3.2)

Значение тока покоя определяется, исходя из условия (1.3.3):

 (1.3.3)

Максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.4):

 (1.3.4)

По полученным значениям , ,  и заданному в техническом задании  выбирается тип оконечных транзисторов VT3 и VT4 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

 (1.3.5)

 (1.3.6)

 (1.3.7)

 (1.3.8)

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ825 и КТ827 [5]:

Максимальное значение тока предоконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.9):

, (1.3.9)

где  - максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов;

 - минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов.

.

Максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом каждого из предоконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.10):

 (1.3.10)

По полученным значениям , ,  и заданному в техническом задании  выбирается тип оконечных транзисторов VT3 и VT4 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

 (1.3.11)

 (1.3.12)

 (1.3.13)

 (1.3.14)

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ825 и КТ827 [5]:

Емкость разделительного конденсатора С5 находится по формуле (1.3.15):

, (1.3.15)

где  – нижняя граничная частота;

Номинальное значение емкости разделительного конденсатора С5 выбрано равным 4000 мкФ, в соответствии с ГОСТ 10318-80.

Значения сопротивлений резисторов R7 и R8 выбраны равными 100 Ом и будут уточняться при моделировании схемы на ЭВМ.

Частотные искажения каскада в области низких и высоких частот рассчитываются по формулам (1.3.16) и (1.3.17) соответственно:

 (1.3.16)

, (1.3.17)

где  – верхняя граничная частота.

Входной ток двухтактного безтрансформаторного каскада рассчитывается по формуле (1.3.18):

, (1.3.18)

где  - максимальное значение тока предоконечных транзисторов.

Ток делителя R4-R5-R6 определяется из соотношения (1.3.19):

 (1.3.19)

Значение сопротивления резистора R5 определяется по формуле (1.3.20):

, (1.3.20)

где IД – ток делителя R4-R5-R6;

UБЭ1, UБЭ2, UБЭ3, - напряжения смещения на эмиттерных переходах соответствующих транзисторов, определяемые по входным характеристикам.

Для обеспечения минимальных нелинейных искажений напряжения смещения на коллекторных переходах VT1 и VT2 должны быть равны, так как параметры h21Э и IКБ0 этих транзисторов одинаковы. То есть

 (1.3.21)

 (1.3.22)

 

 (1.3.23)

Таким образом, напряжение смещения на коллекторном переходе любого из транзисторов VT1 или VT2 определяется по формуле (1.3.24):

, (1.3.24)

где  - падение напряжения на резисторе R5.

.

Сопротивления R4 и R6 рассчитываются по формулам (1.3.25) и (1.3.26) соответственно:

 (1.3.25)

 (1.3.26)

Расчетные значения сопротивлений R4 и R6 приблизительно равны. Ближайшее номинальное значение по ГОСТ 10318-80 равно 50 кОм.

Емкость конденсатора С4 находится по формуле (1.3.27):

, (1.3.27)

где  - нижняя граничная частота УНЧ.

Ближайшее номинальное значение емкости С4 по ГОСТ 10318-80 равно 3 мкФ.

Входное сопротивление двухтактного выходного каскада определяется по формуле (1.3.28):

 (1.3.28)

Значение сопротивления резистора R3 рассчитывается [1] по формуле (1.3.29):

 (1.3.29)

где  - входное сопротивление двухтактного оконечного каскада;

 - оптимальное значение сопротивления нагрузки ОУ

Такое значение сопротивления R3 обусловлено необходимостью обеспечения требуемого входного сопротивления выходного двухтактного каскада, чтобы R3||Rвх = Rн.min .

Значение емкости конденсатора С3 определяется [1] по формуле (1.3.30):

, (1.3.30)

где ||;

 – нижняя граничная частота;

 - коэффициент частотных искажений (задаемся  дБ);

 - оптимальное значение сопротивления нагрузки ОУ.

Ближайшее номинальное значение емкости С4 по ГОСТ 10318-80 равно 3,6 мкФ.

Коэффициент передачи RC-цепи связи вычисляется [1] по формуле (1.3.31):

 (1.3.31)

Коэффициент передачи RC-цепи связи на нижней граничной частоте вычисляется по формуле (1.3.32):

 (1.3.32)

Таким образом, напряжение на входе RC-цепи связи будет определяться выражением (1.3.33):

 (1.3.33)

Для обеспечения согласования инвертирующего усилителя на ОУ и источника сигнала необходимо, чтобы сопротивление входа усилителя и источника сигнала были равны. Так как , [2] то справедливо  Ом.

Так как , то напряжение на входе усилителя определяется по формуле (1.3.34):

 (1.3.34)

Требуемый коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается [2] по формуле (1.3.35):

 (1.3.35)

Значение сопротивления резистора R2 рассчитывается [2] по формуле (1.3.36):

 (1.3.36)

Ближайшее номинальное значение сопротивления по ГОСТ 10318-80 равно 110 кОм.

Значение емкости конденсатора С1 прнято равным 1 мкФ и будет уточняться при моделировании схемы на ЭВМ.

Номинальное напряжение всех конденсаторов схемы определяется из условия, что . То есть все конденсаторы берутся с номинальным напряжением не менее 22 В.

1.4 Анализ устройства на ЭВМ

Анализ работы схемы производился при помощи программы Electronics Workbench Version 5.12. Как видно из осциллограмм, приведенных в приложениях Г и Д амплитуда сигнала на выходе на граничных частотах отличается от расчетной величины, что связано с различным коэффициентом передачи на этих частотах (смотреть приложение Е). При работе УНЧ на частотах, близких к граничным, появляются нелинейные искажения: на нижней граничной частоте – искажения в виде «ступенек», на верхней – срез вершины синусоиды сигнала.

Подбором емкости конденсатора С1 найдено ее оптимальное значение, равное 39 мкФ. Оказалось также, что при увеличении сопротивления резистора R3 нелинейные искажения на нижней граничной частоте уменьшаются, поэтому целесообразно исключить его из схемы (R3 = ¥).

Мощность сигнала в нагрузке на нижней частоте равна 20 Вт, а на верхней –36 Вт.

Выводы

 

Как показали расчеты и анализ работы смоделированной схемы на ЭВМ, спроектированный усилитель низкой частоты удовлетворяет требованиям технического задания. Такие параметры усилителя, как коэффициент нелинейных искажений, коэффициент полезного действия, напряжение шумов, а также некоторые другие параметры и характеристики в данном курсовом проекте не рассчитывались ввиду отсутствия соответствующих требований в техническом задании.

Во время работы над данным курсовым проектом были углублены знания по аналоговой электронике, в частности по усилителям низкой частоты. Были приобретены навыки работы с программой Workbench, моделирующей работу электрических цепей.

Список литературы

 

1.  Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: «Высшая школа», 1991. – 617с.

2.  Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители. – М.: «Мир», 1979. – 356с.

3.  Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник / Щербаков В.И., Грездов Г.И. – Киев.: «Технiка», 1983. – 206с.

4.  Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. – М.: Энергоиздат, 1982. – 124с.

5.  Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем – Киев.: «Вища школа», 1983 – 237с.

6.  Cправочник радиолюбителя-конструктора . – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1984. – 560 с

Приложение 1

 

Рисунок 2 – Модель проектируемого усилителя

Приложение 2

 

Рисунок 3 – Осциллограмма выходного сигнала

на нижней граничной частоте

Приложение 3

 

Рисунок 4 - Осциллограмма выходного сигнала на верхней граничной частоте

Приложение 4

 

 

Рисунок 5 – Амплитудно-частотная характеристика проектируемого усилителя