Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический Университет) Кафедра Радиоэлектронные Телекоммуникационные Устройства и Системы "Утверждаю" задани е зав кафедрой на диплом
| Вид материала | Диплом |
- Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический Университет), 10.69kb.
- На правах рукописи, 514.74kb.
- Международная конференция, 110.27kb.
- «Академия надёжности», 312.6kb.
- Рабочая программа практики для направления/специальности 210304 65 «Радиоэлектронные, 174.76kb.
- Методические указания к выполнению дипломных проектов по специальности 210304 "Радиоэлектронные, 267.26kb.
- Техническое задание IV. Содержание расчетно-пояснительной записки > А. Специальная, 56.89kb.
- Методические рекомендации для студентов 4-5 курсов кафедры икт миэм. Редакция, 168.28kb.
- «Кооперативные системы. Виртуальные сообщества», 238.25kb.
- Становление и развитие приборостроительной отрасли в СССР 1927-1990 гг. 08. 00. 01-, 405.59kb.
Федеральное Агентство по образованию
Министерство образования и науки Российской Федерации
Московский государственный институт электроники и математики
Кафедра Радиоэлектронные Телекоммуникационные Устройства и Системы
Выпускная бакалаврская работа
на тему:
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Студент:
Фамилия Имя Отчество
Научный руководитель:
Фамилия Имя Отчество
Москва 2008
Содержание
Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический Университет)
Кафедра Радиоэлектронные Телекоммуникационные Устройства и Системы
"Утверждаю" З А Д А Н И Е
Зав. кафедрой на дипломную работу
_______________Кечиев Л.Н.
"____" _______________ 2005г.
Студенту Факультета информатики и телекоммуникаций
Тов. Кочину Максиму Анатольевичу
I. Тема работы Проектирование усилителя низкой частоты
(Утверждена приказом по институту от 200__г. № )
II. Срок сдачи студентом работы 01 декабрь 2005г.
- Техническое задание Спроектировать усилитель низкой частоты
IV. Содержание расчетно-пояснительной записки.
А. Специальная часть.
- Провести схемотехническое проектирование усилителя низкой частоты
- Определить : - амплитудночастотную характеристику усилителя
- - реакцию усилителя на входной сигнал "ступенька"
- Исследовать динамический диапазон усилителя
- Построить таблицу режимов работы радиоэлементов
-
-
-
-
-
Б. Конструкторско-технологическая часть.
1. По заданной принципиальной схеме выполнить размещение компонентов _
на печатной плате и трассировку печатных проводников
2. Обосновать выбор материалов и покрытий, которые применяются при изготовлении
печатных плат: материал диэлектрического основания, материал защитного
металлического покрытия, защитного лакового покрытия
3. Разработать технологический процесс изготовления печатной платы и сборки
печатного узла. Выбрать материал для флюсования и пайки; разработать
технологию пайки
Г. Экономическая часть.
1.
2.
3.
4.
Д. Решение задачи на ЭВМ.
1. В рамках схемотехнического проектирования провести исследование
электрических характеристик усилителя с применением программы WinSpice
2.
3.
4.
V. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей).
1. Чертеж принципиальной электрической схемы с перечнем элементов
2. Чертеж печатной платы
3. Чертеж печатного узла
4. Результаты электрического расчета усилителя
5.
6.
7.
8.
9.
10.
VI. Консультанты по проекту (работе)
Консультант по специальной части Тумковский С.Р.
(подпись)
Консультант по конструкторско-технологической части Кечиев Л.Н.
(подпись)
Консультант по экономической части
(подпись)
VII. Дата выдачи задания "_ 20_" _сентября_ 2005 г.
Руководитель дипломного проектирования Тумковский С.Р.
(подпись)
Задание принял к исполнению Кочин М.А.
(подпись)
"_20_" _сентября_ 2005 г.
Задание на разработку УНЧ
Рис.1. Принципиальная электрическая схема
Таблица 1. Перечень элементов электрической схемы усилителя
| Поз. обозначение | Наименование | Кол. | Примечание |
| | | | |
| | Конденсаторы | | |
| С1 | К50-16-10мкФ-16В | 1 | |
| С2 | К50-16-50мкФ-16В | 1 | |
| С3 | К50-16-2000мкФ-16В | 1 | |
| | Резисторы | | |
| R1 | МЛТ-0,125-47 кОм±5% | 1 | |
| R2 | МЛТ-0,125-51 кОм±5% | 1 | |
| R3 | МЛТ-0,125-8,2 кОм±5% | 1 | |
| R4 | МЛТ-0,125-2,2 кОм±5% | 1 | |
| R5 | МЛТ-0,125-1 кОм±5% | 1 | |
| R6 | МЛТ-0,125-10 кОм±5% | 1 | |
| R7 | МЛТ-0,125-5,6 кОм±5% | 1 | |
| R8 | МЛТ-0,125-330 Ом±5% | 1 | |
| R9,R10 | МЛТ-0,125-100 Ом±5% | 1 | |
| R11,R12 | 0,1 Ом±5% | 1 | |
| | Диоды | | |
| VD1- VD4 | КД 522А | 4 | |
| | Транзисторы | | |
| VT1 | КТ3102А | 1 | |
| VT2 | КТ342Б | 1 | |
| VT3 | КТ361Д | 1 | |
| VT4 | КТ608А | 1 | |
| VT5 | КТ815А | 1 | |
| VT6 | КТ814А | 1 | |
| VT7 | KT816A | 1 | |
| VT8 | KT817A | 1 | |
Таблица 2. Условия эксплуатации
| Параметр | Значение |
| Температура окружающей среды | 10-350С |
| Относительная влажность | 80% при 250С |
| Давление | 630-800 мм рт. ст. |
Производство усилителя – серийное. Нагрузкой усилителя является сопротивление номиналом 8 Ом.
Введение
В настоящее время усилители получили очень широкое распространение практически во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности, в технике, в медицине, в музыке, на транспорте и во многих других. Усилители являются необходимым элементом любых систем связи, радиовещания, акустики, автоматики, измерений и управления. Но прежде, чем усилитель стал таким распространенным ему пришлось пройти очень долгий путь.
Активным элементом первых усилителей была электронная лампа. Такие усилители были громоздки, потребляли много энергии и быстро выходили из строя. Только в середине 20 века после долгих упорных поисков и трудов наконец удалось впервые создать усилительный полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Это важное открытие произвело крупный переворот в радиоэлектронике. Габариты транзисторных усилителей стали в несколько раз меньше ламповых, а потребляемая мощность - в десятки раз меньше. К тому же значительно увеличилась надежность.
Но научно-технический прогресс на этом не остановился. Появилась первая микросхема. Сейчас широко применяются усилители, полностью собранные на микросхемах и микросборках. Практически единственная проблема на сегодняшний день - это отвод тепла. Так как мощные усилители рассеивают большое количество тепла, необходимо интенсивно отводить это тепло, что не позволяет миниатюризировать мощные усилители. Следующим этапом развития является технология поверхностного монтажа кристаллов. Технология поверхностного монтажа кристаллов обеспечивает миниатюризацию радиоэлектронной аппаратуры при росте ее функциональной сложности. Навесные компоненты намного меньше, чем монтируемые в отверстия, что обеспечивает более высокую плотность монтажа и уменьшает массо-габаритные показатели. Наряду с этим для большей миниатюризации применяют микросборки и гибридные интегральные схемы. В настоящее время многие усилители выполняются на печатных платах. Применение печатных плат дало возможность, по сравнению с объемными конструкциями, увеличить плотность монтажа, надежность, ремонтопригодность, уменьшить массу конструкции, разброс параметров и так далее. В данной дипломной работе при изготовлении усилителя низкой частоты используется односторонняя печатная плата, изготовленная комбинированным позитивным методом.
Аналитический обзор Усилители низкой частоты предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков. Основными техническими показателями УНЧ являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала. 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 в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а, следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления. Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко. В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Анализ принципиальной схемы УНЧ Данный усилитель низкой частоты состоит из трёх каскадов: входного, предоконечного и оконечного. 1. Входной каскад построен на транзисторах VT1 и VT2 ,образующих дифференциальный усилитель. Конденсатор C1 обеспечивает связь источника входного сигнала по переменному току (исключая проникновение постоянного тока) с входным каскадом усилителя. Резисторы R1 и R2 образуют базовый делитель напряжения, обеспечивающий постоянное напряжение на эмиттерном переходе в рабочей точке. Резистор R3 предназначен для обеспечения режима по постоянному току в коллекторной цепи транзистора. Резистор R4 служит для эмиттерной стабилизации рабочей точки транзисторов VT1 и VT2 дифференциального усилителя в диапазоне температур. 2. Предоконечный каскад построен на транзисторах VT5 и VT6, режим работы которых задан падением напряжения, создаваемым коллекторными токами транзисторов VT3 и VT4, на включённых в прямом направлении диодах VD3 и VD4. Резистор R7, диоды VD1 и VD2 служат для температурной стабилизации, а резистор R8 – для эмиттерной стабилизации транзистора VT4. Резисторы R9 и R10 – нагрузочные сопротивления транзисторов VT5 и VT6 предоконечного каскада. Транзистор VT3 работает как усилитель для раскачки последующих каскадов. 3. Оконечный каскад построен на транзисторах VT7 и VT8 – выходных транзисторах усиления мощности по току. Резисторы R11 и R12 служат для защиты мощных выходных транзисторов от коротких замыканий на выходе, с целью предупреждения превышения коллекторными токами допустимых значений. Резисторы R5 и R6,а так же конденсатор C2 образуют делитель напряжения цепи обратной связи, предназначенной для существенного уменьшения переходных искажений при малых сигналах. Здесь С2 и R5 – тонкомпенсирующая цепочка, предназначенная для увеличения низкочастотной составляющей в слабом выходном сигнале на выходе делителя R6, C2 и R5, т.е. чем меньше резистор R5, тем сильнее «заваливаются» верхние частоты, тем ниже тембр звука. Конденсатор C3 предназначен для связи выходных транзисторов по переменному току с нагрузкой, одновременно выполняет роль источника питания в течение одного из полупериодов, поскольку двухтактный выходной каскад, впрочем как и вся схема, питается «однополярным питанием».
Перечень электрорадиоэлементов: - конденсаторы К50-16-(16В) – общего назначения, алюминиевые оксидно-электролитические, с однонаправленными проволочными выводами; - резисторы МЛТ-0,125 и МЛТ-1 – постоянные непроволочные, общего назначения, металлодиэлектрические; - диоды КД 522А – кремниевые импульсные, с временем восстановления обратного сопротивления от 150-500н.сек.; - транзисторы – кремниевые, эпитаксиально-планарные; КТ3102А, КТ342Б – n-p-n универсальные; КТ361Д, КТ814А, КТ816А – p-n-p усилительные; КТ608А – n-p-n переключательные; КТ815А, КТ817А – n-p-n усилительные.
Расчёты
В рамках схемотехнического проектирования проводим исследование электрических характеристик усилителя с применением программы Spice (Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis), одной из известных систем, позволяющих достаточно эффективно решать задачи схемотехнического моделирования, разработанная в 1975 году Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley,Ca,USA.
Рис.2. Электрическая схема с нумерацией узлов
Согласно узлам и стандарту описания схемы составляем модель WinSpice. Входными параметрами являются номиналы и параметры элементов схемы.
Исходные данные для системы WinSpice:
L.F.AMPLIFIER
vin 1 0 pulse(0 1) ac 1
vcc 3 0 dc 16
c1 2 1 10u
c2 6 9 50u
c3 16 19 2000u
r1 3 2 47K
r2 2 0 51K
r3 3 4 8.2K
r4 5 0 2.2K
r5 9 0 1K
r6 6 16 10K
r7 3 8 5.6K
r8 13 0 330
r9 3 14 100
r10 18 0 100
r11 15 16 0.1
r12 16 17 0.1
rn 19 0 8
d1 8 10 kd522a
d2 10 0 kd522a
d3 7 11 kd522a
d4 11 12 kd522a
q1 4 2 5 kt3102a
q2 3 6 5 kt342b
q3 7 4 3 kt361d
q4 12 8 13 kt608a
q5 14 7 15 kt815a
q6 18 12 17 kt814a
q7 15 14 3 kt816a
q8 17 18 0 kt817a
.model kd522a d(is=1pa bv=30)
.model kt3102a npn(bf=100)
.model kt342b npn(bf=200)
.model kt361d pnp(bf=20)
.model kt608a npn(bf=20)
.model kt815a npn(bf=40)
.model kt814a pnp(bf=40)
.model kt816a pnp(bf=25)
.model kt817a npn(bf=25)
.end
.control
op
print v(2) v(3) v(4) v(5) v(6) v(7) v(8) v(12) v(13) v(14) v(15) v(17) v(18) v(4,2) v(4,5) v(3,6) v(3,5) v(4,7) v(3,7) v(12,8) v(12,13) v(14,7) v(14,15) v(12,18) v(17,18) v(3,15)
print @q1[p] @q2[p] @q3[p] @q4[p] @q5[p] @q6[p] @q7[p] @q8[p]
ac dec 20 0.1 10meg
plot db(v(19))
tran 0.001 0.5
plot v(19)
.endc
Результаты расчета
Circuit: L.F.AMPLIFIER
v(2) = 8.291174e+00
v(3) = 1.600000e+01
v(4) = 1.522572e+01
v(5) = 7.566917e+00
v(6) = 8.371826e+00
v(7) = 9.202917e+00
v(8) = 1.121542e+00
v(12) = 8.130821e+00
v(13) = 3.472759e-01
v(14) = 1.599840e+01
v(15) = 8.535683e+00
v(17) = 8.535682e+00
v(18) = 6.534917e-08
v(4)-v(2) = 6.934550e+00
v(4)-v(5) = 7.658806e+00
v(3)-v(6) = 7.628174e+00
v(3)-v(5) = 8.433083e+00
v(4)-v(7) = 6.022806e+00
v(3)-v(7) = 6.797083e+00
v(12)-v(8) = 7.009279e+00
v(12)-v(13) = 7.783545e+00
v(14)-v(7) = 6.795484e+00
v(14)-v(15) = 7.462718e+00
v(12)-v(18) = 8.130821e+00
v(17)-v(18) = 8.535682e+00
v(3)-v(15) = 7.464317e+00
@q1[p] = 1.111238e-06
@q2[p] = 2.764942e-05
@q3[p] = 6.853841e-03
@q4[p] = 7.839774e-04
@q5[p] = 1.195701e-02
@q6[p] = 5.508212e-03
@q7[p] = 1.114104e-02
@q8[p] = 1.457174e-02
L.F.AMPLIFIER AC Analysis Sun Sep 25 14:59:24 2005
------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------
Рис.3. Амплитудночастотная характеристика усилителя НЧ
Рис.4. Реакция УНЧ на входной сигнал "ступенька"
Таблица 3. Режимы работы элементов
| Обоз-наче-ние | Тип | P max , Вт | Uкб max , В | Uкэ max , В | |||
| По ТУ | Расчёт | По ТУ | Расчёт | По ТУ | Расчёт | ||
| VT1 | КТ3102А | 0.25 | 1.111238e-06 | 50 | 6.934550e+00 | 50 | 7.658806e+00 |
| VT2 | КТ342Б | 0.25 | 2.764942e-05 | 20 | 7.628174e+00 | 25 | 8.433083e+00 |
| VT3 | КТ361Д | 0.15 | 6.853841e-03 | 40 | 6.022806e+00 | 40 | 6.797083e+00 |
| VT4 | КТ608А | 0.50 | 7.839774e-04 | 60 | 7.009279e+00 | 60 | 7.783545e+00 |
| VT5 | КТ815А | 1.00 | 1.195701e-02 | 40 | 6.795484e+00 | 30 | 7.462718e+00 |
| VT6 | КТ814А | 1.00 | 5.508212e-03 | 40 | 8.130821e+00 | 25 | 8.535682e+00 |
| VT7 | КТ816А | 1.00 | 1.114104e-02 | 40 | 7.462718e+00 | 40 | 7.464317e+00 |
| VT8 | KT817A | 1.00 | 1.457174e-02 | 40 | 8.535682e+00 | 40 | 8.535682e+00 |
Анализ таблицы показывает, что режимы работы радиоэлементов не превышают предельных значений: и, следовательно, спроектированная схема усилителя является работоспособной.