Линейный однокаскадный усилитель сигнала звуковой частоты

Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Институт автоматики и вычислительной техники
Кафедра электрофизика информационных систем








Курсовой проект

ЛИНЕЙНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЙ
Выполнил

Студент
Группа А-07-12
Дата

Принял

Преподаватель
Оценка
Дата
УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛА ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ



















Москва 2014
Содержание
1. Задание на проектирование и исходные данные
2. Обоснование и расчет элементов усилительного каскада
2.1. Принципиальная схема усилительного каскада
2.2. Характеристики транзистора и обоснование выбора рабочей точки
2.3. Расчет резисторов
2.4. Аналитический расчёт режима работы
2.5. Графический расчет усилительного каскада
2.6. Расчет R_вх,R_вых,K_е0
2.7. Расчет конденсаторов
2.8. Расчет верхней границы полосы пропускания
3. Перечень элементов (спецификация)
4. Моделирование усилительного каскада на ЭВМ
4.1. Статический анализ схемы
4.2. Проверка работоспособности каскада
4.3. Расчет амплитудно-частотной характеристики усилителя
4.4. Определение входного сопротивления каскада R_вх
4.5. Расчет амплитудной характеристики усилителя
4.6. Расчет нагрузочной характеристики
5. Сводные данные (вывод)
6. Список использованной литературы






















1. Задание на проектирование и исходные данные.
Рассчитать элементы схемы однокаскадного усилителя, удовлетворяющего указанным техническим требованиям:
1. Усилительный каскад выполнить по схеме изображенной на рисунке 1;
2. Рекомендуемый тип транзистора 2Т630а (n-p-n);
3. Амплитуда неискаженного выходного сигнала не менее 4.4 В;
4. Коэффициент усиления напряжения K_e=U_вых/e_г =0.8 при заданном сопротивлении нагрузки R_н=0.6 кОм и внутреннем сопротивлении источника сигнала R_г=1.6 кОм;
5. Усилитель при заданной емкости нагрузки C_н=7нФ должен обеспечить полосу пропускания fн=450 Гц…fв=30 кГц;
6. Температурный диапазон для всех вариантов: -40°С ... +60°С.

2. Обоснование и расчет элементов усилительного каскада.
2.1. Принципиальная схема усилительного каскада.
рис. 1
2.2. Характеристики транзистора и обоснование выбора рабочей точки.
2.2.1. Входные характеристики.



h11=(∆U_бэ)/(∆I_б )=(23.036*〖10〗^(-3))/(131.818*〖10〗^(-6) )=175 Ом


2.2.2. Выходные характеристики.



H21=(∆I_к)/(∆I_б )=(3.3684*〖10〗^(-3))/(50*〖10〗^(-6) )=67


2.2.3. Справочные данные по транзистору
Максимальная мощность: Pдоп=0.8 Вт
Максимальное напряжение: Uкэ доп=120 В
Максимальный ток: Iкэ доп=1 А
Статический коэффициент передачи тока β: 40…120
Ёмкость эмиттерного перехода: Cэ=65 пФ
Ёмкость коллекторного перехода: Cк=15 пФ
Граничная частота коэффициента передачи тока: Fгр=50 МГц

2.2.4.Выбор рабочей точки
Запас напряжения, связанный с нелинейностью: Uнел=4.6 В
Запас напряжения, связанный с уходом рабочей точки из-за температуры: UТ=3 В
Амплитуда неискаженного выходного сигнала: Uвых=4.4 В
Координата рабочей точки выбранной в пункте 2: UА2 ≥ Uвых + Uнел + UТ=4.4 + 4.6 + 3 = 12 В
UА2 = 12 В
UЕ = 2 * Uвых = 2* 4,4 = 8,8 В
Определение напряжения источника питания: Eп ≥ UА2 + Uвых + UЕ+ UТ =12 + 4.4 + 8.8 + 3=28.2 В
Из номинального ряда (E24) берём Eп=30 В
Определение тока в рабочей точки: IA2=(2…5)*U_вых/R_н =3*4.4/600=0.022 А
Координата рабочей точки А2: Uкэ=12 В ; Iк=22мА.

2.2.5.Возможность применения транзистора
|E_п |< Uкэ доп, 30 < 120
IА1< Iк доп, 0.022 < 1
PA1 < Pдоп,. 0.264 < 0,8
Все условия выполнены.

2.3. Расчет резисторов
2.3.1. Расчет резисторов выходной цепи
Расчет сопротивления Rэ
R_э=(E_п-U_A)/I_A
R_э=(30-12)/0.022=818.182 Ом
Из номинального ряда (E24) выбираем Rэ=820 Ом

2.3.2. Построение нагрузочной прямой по переменному току
Расчет сопротивления по переменному току: R~= Rэ || Rн=(R_э*R_н)/(R_э+R_н )=(820*600)/(820+600)=346.479 Ом
Uкэ = IA2*R~ = 0,022*346,479 =7.623 В
Полученную величину Uкэ необходимо отложить от точки UкэА2
UкэА2 + Uкэ = 19.623 В
Далее необходимо соединить полученную точку и точку А2

2.3.3. Расчет резисторов входной цепи
Iк доп = UT / Rэ=1/820=0.0036585 А
Iк доп = Iк1 + Iк 2
Уход рабочей точки из-за влияния температуры: Iк1 =|ξ∆T|β/〖(R〗_б+R_э (1+β))
Уход рабочей точки из-за технологического разброса параметра β: Iк2 =
∆ β = βmax – β = 120-67=53 выбирается
∆ β = β – βmin = 67-40=27 большее

Температурный коэффициент: ξ=1.5*〖10〗^(-3) мВ/°С
Максимальное отличие температуры от номинальной: ∆T=60°С
IбА = IА /β = 0.022 / 67 = 0.0003283 A
=
Получаем формулу для расчеты Rб
– RЭ
R_б≤(67*(0.0036585 *820+|1.5*〖10〗^(-3)*60| ))/(53*0.0003283-0.0036585 )-820≈13000 Ом
Rб = R1 || R2
= Uбэ + Iэ Rэ = 0.7 + (1+β) IбА Rэ
IбА = IА /β
= Eп – IбА Rб = Eп – IбА Rб
Eп – IбА Rб = 0.7 + (1+β) IбА Rэ
R1= (E_п*R_б)/(0.7+((1+h21)*R_э+R_б )*I_бА )
R1= (30*13000)/(0.7+((1+67)*820+13000)*0.0003283)=16756.962 Ом
Из номинального ряда (E24) берём R1=18000 Ом

R_2=(R_б*R_1)/(R_1-R_б )
R_2=(13000*16756.962)/(16756.962-13000)=57983.154 Ом
Из номинального ряда (E24) берём R2=56000 Ом





2.3.4. Расчет рабочего режима каскада
Схема каскада по постоянному току

Rб = R1 || R2
R_б=(18000*56000)/(18000+56000)=13621.622 Ом

Rсм = Rб + Rэ (1+β)
Rсм = 13621.622 + 820 * (1+67) = 69381.622 Ом

Eсм = Eп R_2/(R_1+R_2 )
Eсм = 30 * 56000/(18000+56000)= 22,703 В

Eсм = Uбэ + Iб Rсм
Iк = β*Iб
Eп= Uкэ + Iк R
Iб5 =(Eсм-0,7)/Rсм=0.000317 А
Iк5 = 0.02125 А
Uкэ5 = 12.577 В
Uбэ5 = 0,7 В
Координаты точки рассчитанной в пункте 5: Uкэ = 12.577 В; Iк = 21,25 мА
Iб = 317 мкА; Uбэ = 0,7 В

2.3.5. Расчет возможного ухода рабочего тока
Iк = Iк1 + Iк2
Температурный коэффициент: ξ=1.5*〖10〗^(-3) мВ/°С
Максимальное отличие температуры от номинальной: ∆T=60°С
Уход рабочей точки из-за влияния температуры: Iк1 =|ξ∆T|β/〖(R〗_б+R_э (1+β))
Уход рабочей точки из-за технологического разброса параметра β: Iк2 =
∆ β = βmax – β = 120-67=53 выбирается
∆ β = β – βmin = 67-40=27 большее
=
γ_б=820/(820+13621.622)=0.057
Iк1 =|1.5*〖10〗^(-3)*60|*67/13621.622+820(1+67))= 0.00009 A
∆I_к2=(53⁄67)/(1+67*0.057)*0.2125=0.0035 A
Iк = Iк1 + Iк2 = 0.00009 + 0.0035 = 0.00359 А
∆UT = ∆Iк R = 0.00359 * 820 = 2.94 В
2.94 < 3

2.4.1. Графический расчет усилительного каскада
h21=(∆I_k)/(∆I_б )= (3.8*〖10〗^(-3))/(50*〖10〗^(-6) )=76
Rсм = Rб + Rэ (1+h21)
Rсм = 13621.622 + 820 * (1+76) = 76761.622 Ом
Eсм = Uбэ + Iб Rсм
Uбэ=0 В Iб=0,30 мА
Uбэ=0,8 В Iб=0,28 мА
Координаты точки А7 на входной характеристике: UбэА7=740мВ; IбА7 =290 мкА
Eп= Uкэ + Iк Rэ
Iк=0 А Uкэ= Eп=30 В
Uкэ=0 В Iк=36мА
Координаты точки А7 на выходных характеристиках: IкA7 = 20мА; UкэA7 = 13,7 В

2.4.2. Определение параметров малосигнальной схемы замещения транзистора
h21=(∆I_k)/(∆I_б )= (3.8*〖10〗^(-3))/(50*〖10〗^(-6) )=76
h11 = β*φ_T/I_кА =95

2.4.3. Расчет Rвх, Rвых, Ке0
Rвх
Rвх = 13621.622 || (95+(1+76)*(820||600)) = 9028.323 Ом

R_вых=(95+(1600||13621.622))/(1+76)||820=19.361 Ом

K_uxx=((1+76)*820)/(95+(1+76)*820)=0.998498

ξ_ВХ=(9028.323 )/(1600+9028.323 )=0.849

ξ_ВЫХ=600/(600+19.361 )=0.969

K_e0=K_uxx*ξ_ВХ*ξ_ВЫХ = 0,82167
K_e0=0.998498*0.849*0.969 = 0,82167
KeТЗ = 0,8

2.5.1. Расчет конденсаторов

τ_н=1/(2*π*450)=0,00035
τ_Н1=2*τ_Н=0,00071
τ_Н2=2*τ_Н=0,00071

C_P1≥0,00071/(1600+9028.323)≥0.000000067 Ф
Из номинального ряда (Е12) берём CP1=68 нФ


C_P2≥0,00071/(19.361+600)≥0.00000115 Ф
Из номинального ряда (Е6) берём CP2=1,5мкФ

2.5.2. Расчет верхней границы полосы пропускания

вх= Свх * (Rвх||Rг)
Свх= Сэ + Ск*|Ke0|
Свх= 65*10-12 + 15*10-12*|0.82167| = 7,733*〖10〗^(-11) Ф
вх= 7,733*〖10〗^(-11) * (9028.323 ||1600) = 1,051*〖10〗^(-7) Ф

вых= Сн экв * (Rн||Rвых)
Сн экв = Сн + Ск*β
Сн экв =7*10-9 + 15*10-12*76 = 8,14*〖10〗^(-9) Ф
вых= 8,14*〖10〗^(-9) * (600||19.361) = 1.527 * 10-7 Ф

τ_T=β/(2*π*f_т*(1+γ_б*β))
f_т=β*F_гр
f_т=76*50*〖10〗^6=3.8*〖10〗^9
τ_T=76/(2*π*3.8*〖10〗^9*(1+0.057*76))=4.131*〖10〗^(-11)


τ_в= 1.338*〖10〗^(-6)
τ_в=√(〖(1,051*〖10〗^(-7)) 〗^2+〖(1.527 * 〖10〗^(-7))〗^2+〖(4.131*〖10〗^(-11))〗^2 )=1.853*〖10〗^(-7) Ф

f_в=1/(2*π*τ_в )
f_в=1/(2*π*1.853*〖10〗^(-7) )=858440.901 Гц
























3. Перечень элементов (спецификация)
№ Поз. Название Кол-во Примечание

Резисторы

1 R1 R1 18кОм +- 5% 1
2 R2 R2 56кОм +- 5% 1
3 Rэ R3 820 Ом +- 5% 1

Конденсаторы

4 Ср1 Cp1 68нФ +- 10% 1
5 Ср2 Cp2 1,5 мкФ +- 20% 1

Транзисторы

6 VT 2Т630а 1



























4. Моделирование усилительного каскада на ЭВМ
4.1. Статический анализ схемы


Iк, мА Iб, мкА Uкэ, В Uбэ, мВ
Аналитический 21.25 317 12.577 700
Графический 20 290 13.7 740
Моделирование
схемы 21.25 314.44 12.32 740
4.2. Проверка работоспособности каскада



















K_e0=0,160723/0,2=0,803615
Ke0
Техническое задание 0,8
Расчет 0,82167
Моделирование схемы 0,803615

4.3. Расчет амплитудно-частотной характеристики усилителя



Техническое задание Расчет Моделирование схемы
fн, Гц 450 - 318.428
fв, кГц 30 858.4409 1422.9




4.4. Определение входного сопротивления каскада Rвх



Ручной расчет Моделирование схемы
Rвх, Ом 9028.323 8887.2




4.5. Расчет амплитудной характеристики усилителя



Максимальная амплитуда неискаженного выходного сигнала: Uвых макс = 7.3 В
Коэффициент усиления: Ku =1.8⁄2=0.8




4.6. Расчет нагрузочной характеристики



R_вых=(R_н1*R_н2*(K_u2-K_u1))/(K_u1*R_н2-K_u2*R_н1 )

R_вых=(18.3*239.2*(0,8-0,4))/(0,4*239.2-0,8*18.3)=21.606 Ом

Расчет Моделирование схемы
R_вых, Ом 19.361 21.606

5. Сводные данные (вывод)
5.1. Расчет режима схемы по постоянному току
Iк, мА Iб, мкА Uкэ, В Uбэ, мВ
Аналитический 21.25 317 12.577 700
Графический 20 290 13.7 740
Моделирование
схемы 21.25 314.44 12.32 740

5.2. Основные параметры каскада
Задание Расчет Моделирование
Ke0 0.8 0.82167 0.803615
fн, Гц 450 - 318.428
fв, кГц 30 858.4409 1422.9
Rвх, Ом - 9028.323 8887.2
R_вых, Ом - 19.361 21.606