Описание электрической схемы электронного устройства

Содержание

1. Реферат. 3

2. Обзор литературы по теме. 4

2.1 Избирательные усилители. 4

2.2 Усилители мощности. 6

2.2.1 Классификация усилителей. 6

2.2.2 Мощные усилительные каскады. 9

2.2.3 Схемотехнические решения мощных выходных каскадов……......11

3. Описание электрической схемы электронного устройства. 14

4. Выбор и расчет элементов схемы электронного устройства и источника питания. 17

4.1 Расчет усилителя мощности. 17

4.2 Расчет резисторов усилителя мощности. 19

4.2 Расчёт избирательного усилителя. 19

5. Описание методики испытания и измерения параметров электронного устройства. 21

6. Список используемой литературы.. 22

Реферат

Курсовой проект содержит 22 страниц, 7 рисунков, 2 таблицу, 8 источников, 2 приложения, 5 л. графического материала.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: избирательный усилитель, операционный усилитель, полевой транзистор, усилитель мощности.

Разработан избирательный усилитель с мощным выходным каскадом с частотой генерации , выходной мощностью сопротивлением нагрузки Проведено испытание избирательного усилителя(протокол испытаний прилагается).

Курсовой проект выполнен с использованием текстового редактора Microsoft Office Word 2010, схемы электрические SPlan 7.1. Исследование характеристик проводилось с помощью MicroCap 9.

Обзор литературы по теме

2.1 Избирательные усилители

В усилителях обычно стремятся получить более широкую полосу пропускания, так чтобы нижняя и верхняя граничные частоты находились в соотношении f_н<<f_в. Однако на практике часто необходи­мо осуществлять избиратель­ное усиление, выделяя один «полезный» сигнал из целого ряда входных сигналов и одновременно ослабляя все остальные — «мешающие» сиг­налы. Выделение полезного сигнала происходит во всех многоканальных системах связи, в том числе при прие­ме радиотелевизионных про­грамм, во многих системах автоматического контроля и управления. Подобное изби­рательное усиление осуществляется специальными избирательными узкополосными усилителями. Рассчитаем избирательный усилитель с 2-Т мостом с заданной частотой резонанса и промоделируем результаты.

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот, т.е. избирательно. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы.

Рисунок 2.1 – АЧХ избирательного усилителя

Полоса пропускания избирательного усилителя:

∆f = fв – fн, (2.1)

где ∆f – полоса пропускания, Гц

fн, fв - нижняя и верхняя граничные частоты соответственно, Гц

является узкой (линия 2 на рис. 2.1.) и определяется на уровне К_Um/√2 , где К_Um – коэффициент усиления при резонансной частоте f₀. У идеального избирательного усилителя амплитудно-частотная характеристика должна иметь форму очень узкого пика на частоте ω₀ (линия 1). На этой частоте коэффициент усиления достигает максимума, равного К_U0. На остальных частотах усиление должно быть близким к нулю.

Отношение боковых частот для таких усилителей:

Для усилителей с резистивно-емкостной связью отношение частот f_в/f_н=10⁵÷10⁷, а для усилителей постоянного тока такое отношение вообще не имеет смысла, так как f_н=0.

Резкая зависимость коэффициента усиления избирательного усилителя от частоты достигается, как правило, включением спе­циальных фильтров в цепь усилителя или в цепь обратной связи.

Селективность усилительных свойств оценивают добротностью:

, (2.2)

где Q- добротность

f₀ – резонансная частота, Гц

∆f – полоса пропускания, Гц

Избирательные усилители создаются на базе усилительного каскада на биполярных транзисторах в схемах включения с общим эмиттером нагруженного параллельным колебательным LC-контуром или на базе операционных усилителей через частотно зависимые RC-цепи.

Проверим возможность использования усилительного каскада с параллельным LC-контуром. На резонансной частоте справедливо соотношение:

, (2.3)

Такие усилители используются при частотах не ниже десятков килогерц.

В области звуковых частот вплоть до десятков, единиц и даже долей герца целесообразно делать фильтры, состоящие из емкостей и сопротивлений (RC-цепей), которые имеют ряд преимуществ перед LC-фильтрами. Они более просты в изготовлении и наладке, имеют меньшие габариты и менее чувствительны к магнитным полям.

Так как по условию f₀ = 140 кГц, то будем проектировать избирательный усилитель на базе операционного усилителя и частотно избирательного LC-контура.

2.2 Усилители мощности

2.2.1 Классификация усилителей

Существует много способов классификации усилителей. Одним из наиболее распространенных является классификация усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

Усилитель класса А.

В усилителе класса А смещение эмиттерного перехода и входные напряжения таковы, что транзистор работает только на линейном участке передаточной характеристики. Это значит, что коллекторный ток транзистора никогда не отсекается, а сам транзистор никогда не достигает насыщения.

Главным достоинством усилителей класса А является почти полное отсутствие нелинейных искажений сигнала. Выходное напряжение по форме совпадает со входным и отличается лишь амплитудой и полярностью. Однако в большей или меньшей мере нелинейные искажения вносят усилители любого класса.

Недостатком усилителей класса А является их низкая эффективность (низкая выходная мощность при большой мощности, рассеиваемой на коллекторе) и малым допустимый размах входных напряжений. Коэффициент полезного действия усилителя класса А редко достигает 35%.

Размах напряжения выходного сигнала усилителя класса А ограничен величиной, несколько меньшей напряжения источника питания. Поскольку выходное напряжение включает положительную и отрицательную полуволны, то его амплитуда должна быть меньше половины питающего напряжения.

Размах входного напряжения усилителя класса А ограничен размахом выход­ного напряжения и коэффициентом усиления напряжения.

Вследствие рассмотренных ограничений усилители класса А чаще используют для усиления напряжения, а не мощности. Обычно усилительный каскад класса А используют перед каскадом усиления мощности.

Усилитель класса B.

Если изменить смещение эмиттерного перехода так, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки, то мы получим режим усиления класса В. Для этого на базу транзистора типа n-p-n нужно подать более отрицательное напряжение, чем в режиме класса А (для транзисторов типа p-n-p режим класса B обеспечивается подачей на базу более положительного напряжения, чем в режиме класса А). В любом случае для режима класса B прямое смещение эмиттерного перехода уменьшается и транзистор запирается.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелиней­ные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирую­щий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда напряжения выходного сигнала несколько меньше величины напряжения источника питания. Поскольку в режиме класса B ток протекает через транзистор лишь полпериода, появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом класса А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса B равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса A. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса B позволяет получить выходное напряжение, вдвое большее, чем в режиме класса А.

Из рассмотрения свойств двухтактного каскада класса B следует, что такие усилители целесообразнее использовать для усиления мощности, а не напряжения. Обычно перед двухтактным каскадом класса B включают однотактный усилительный каскад класса А.

Усилитель класса AB.

Класс AB является наиболее экономичным для УНЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала. Однако, усилители класса B искажают форму сигнала.

В реальном усилителе класса B транзистор при очень малых уровнях входного сигнала остается запертым (так как вблизи отсечки транзистор имеет весьма малый коэффициент усиления тока) и резко открывается с увеличением сигнала.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима классаBиспользовать класс АВ (или что-то среднее между В и АВ). Для этого транзистор несколько отпирают, так чтобы в рабочей точке в коллекторной цепи протекал небольшой ток. Класс АВ менее экономичен, чем классB, так как потребляет­ся большим ток от источника питания. Обычно класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

Усилитель класса С.

Режим класса C получают смещением транзистора в обратном направлении, значительно левее точки отсечки. Часть входного сигнала затрачивается для обеспечения прямого смещения эмиттерного перехода. В результате коллекторный ток протекает в течение лишь части одного полупериода входного напряжения. Отрицательная полуволна входного напряжения лежит в области глубокой отсечки транзистора. Так как коллекторный ток протекает лишь в течение некото­рой части положительного полупериода, то длительность импульса коллекторного тока существенно меньше полупериода входного сигнала

Очевидно, форма выходного сигнала отличается от входного, и она не может быть восстановлена теми методами, которые используются в двухтактных усилителях классов B и АВ. По этой причине режим класса C применяется только тогда, когда искажения сигнала не имеют значения. Как правило, режим работы класса C используется в высокочастотных усилителях и не находит применения в УНЧ.

2.2.2 Мощные усилительные каскады

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка R_н и мощность Р_н рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям R_н и Р_н. Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности К_р.

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах A, B или AB. В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режимеA. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности, называются каскады с дополнительной симметрией.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: с питанием от одного источника и с питанием от двух источников.

2.2.3 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и , имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов , и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , , и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и , для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 2.2 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рисунок 2.3) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 2.2 - Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии и конденсатор заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке течет ток . Таким образом, на нагрузке реализуется биполярный сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и имеют разное включение: - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 2.3 - Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.

Рисунок 2.4 - Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рисунке 2.4 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор и закрыт , приотрицательной полуволне, наоборот, открыт и закрыт . В остальном работа схемы рисунок 2.4 аналогична работе соответствующих схем рисунок 2.3 и рисунок 2.2. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК. Таким же образом строятся и выходные усилительные каскады на полевых транзисторах.

Описание электрической схемы электронного устройства

На рисунке 3.1 изображена схема избирательного усилителя с мощным выходным каскадом.

Схема состоит из двух каскадов: первый каскад – каскад избирательного усилителя, второй каскад – усилитель мощности в режиме AB.

Избирательные усилители. Создаются на базе усилительного каскада на биполярных транзисторах в схемах включения с общим эмиттером нагруженного параллельным колебательным LC-контуром или на базе операционных усилителей через частотно зависимые RC-цепи.

Проверим возможность использования усилительного каскада с параллельным LC-контуром. На резонансной частоте справедливо соотношение:

,

Такие усилители используются при частотах не ниже десятков килогерц.

Так как по условию f₀ = 140 кГц, то будем проектировать избирательный усилитель на базе операционного усилителя и полосового фильтра на базе параллельного колебательного контура.

Рисунок 3.1 - Схема пассивного полосового фильтра на параллельном колебательном контуре

Второй каскад представляет собой двухтактный усилитель мощности на полевых транзисторах с двухполярным питанием.

Выбранный усилитель мощности имеет ряд преимуществ:

· малый коэффициент асимметрии, что существенно влияет на появление и снижение нелинейных искажений (в силу симметрии схемы в выходном сигнале значительно ослаблены четные гармоники);

· малый ток покоя;

· высокий КПД;

· малое выходное и относительно большое входное сопротивления;

· высокую температурную стабильность.

К недостаткам следует отнести:

· малый коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК (<1). Это приводит к необходимости установки в схеме дополнительного высоковольтного каскада усиления напряжения до необходимого уровня;

· нелинейные искажения, вызванные переключением плеч каскада, которые необходимо компенсировать;

· трудности в подборе комплементарных пар транзисторов.

Рисунок 3.2 - Избирательный усилитель с мощным выходным каскадом