Усилитель звуковой частоты на интегральной микросхеме

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное образовательное  учреждение

 

высшего профессионального  образования

 

«Чувашский  государственный университет им. И.Н. Ульянова»

 

 

Факультет Радиотехники и электроники

Кафедра     РРС

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

по дисциплине: «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

на тему: «Усилитель звуковой частоты на интегральной микросхеме»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                          Выполнил:

                                                                                          студент гр. РТЭ-41-10                                                                        Иванов Р.О.

                                                                                          Проверил:

                                                                                          Пряников В.С.

 

 

 

 

 

 

                                         Чебоксары 2012

Введение.

Интегральные  микросхемы (ИМС) находят самое широкое  применение. Одна из причин в том, что  ИМС позволяют решить ряд экономико-технических  задач:

1. разработка аппаратуры с минимальными размерами, затратами, массой и т.д.,
2. повышение срока службы (надежности) аппаратуры,
3. автоматизация технологических процессов сборки узлов,
4. микрорежим (малое потребление энергии),
5. снижение себестоимости;

Различают аналоговые и цифровые ИМС. Аналоговые ИМС предназначены для усиления непрерывных сигналов. К ним предъявляются жесткие требования с точки зрения воспроизведения сигналов.

По  технологическим признакам ИМС  могут быть:

1. полупроводниковыми,
2. пленочными,
3. гибридными;

Наибольшее  распространение получили полупроводниковые  ИМС, у которых все элементы и  межэлементные соединения выполнены  в объеме и на поверхности кристалла  полупроводника. Пленочные интегральные схемы выполняются на диэлектрической  подложке путем напыления по тонкопленочным или толстопленочным технологиям. Гибридные ИМС представляют собой  комбинацию дискретных навесных активных компонентов и пленочных пассивных  элементов, также напыленных на диэлектрическую подложку.

Для ИМС, так же как и для других элементов, существует классификация  и система обозначений:

1. одна цифра: 1,5,7 – полупроводниковые; 3 – пленочные; 2,4,6,8 – гибридные,
2. две цифры: (00 - 99) – порядковый номер разработки ИМС. Первые два элемента составляют серию,  например: К140, К561, 
3. две буквы (русские) – функциональное назначение микросхемы (для аналоговых): УН – усилитель низкой частоты, УЕ – повторители, УИ – усилители импульсные…;

 

 

 

 

 

Особенности интегральной схемотехники:

Первые  ИМС повторяли дискретные схемы, но с развитием интегральной схемотехники

тенденции в развитии:

1. изменилось соотношение активных и пассивных элементов. Причина в том, что в интегральной схемотехнике транзистор используется как многофункциональный элемент (усилитель, конденсатор,  сопротивление). Вместо одного транзистора используются составные транзисторы, при этом показатели составного транзистора позволяют получить эквивалент одного с более высокими параметрами.
2. в интегральной схемотехнике стараются не использовать сопротивления и конденсаторы большого номинала. Это привело к тому, что в интегральной схемотехнике невозможно использовать емкостную связь каскадов.
3. в интегральной схемотехнике нереализуемы индуктивности, дроссели…
4. в интегральной схемотехнике применение находят дифференциальные каскады, так как транзисторы, изготовленные в едином технологическом цикле, имеют идентичные параметры.
5. ИМС – функционально незавершенное устройство, т.е. необходимо подключить внешние элементы для функционирования ИМС. В справочниках по ИМС для каждой ИМС предложена основная схема включения ИМС, однако можно обнаружить и применить  еще десяток схем включения, альтернативных основной.

                                               

Базовые схемы аналоговых ИМС.

Базовыми схемами ИМС необходимо считать многокаскадные усилители  с непосредственной связью, охваченные глубокой отрицательной обратной связью, каскадные усилители с использованием составных транзисторов и дифференциальные усилители. Как известно, при непосредственной связи между каскадами имеет место дрейф нуля и трудность согласования потенциальных уровней выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего.

Под дрейфом нуля понимается выходное напряжение U_др усилителя при нулевом сигнале. При наличии полезного сигнала на входе это напряжение, складываясь с полезным выходным сигналом, дает искажение усиливаемого сигнала.

Причиной дрейфа нуля является: изменение  напряжения источника питания во времени; изменение температуры  старение элементов во времени и  внутренние шумы.

 

Основными мерами уменьшения дрейфа нуля являются:

1. высокая стабилизация напряжения источника питания,
2. предварительный прогрев и ручная установка нуля,
3. хорошая стабилизация рабочей точки,
4. применение высококачественных элементов,
5. построение специальных схем усилителя постоянного тока;

Согласование потенциальных уровней  в каскадах с непосредственной связью достигается выбором сопротивлением в цепи эмиттера.

  Усилители на многокаскадных ИМС можно разделить на две большие группы: многокаскадные усилители и каскадные усилители. Первые представляют собой ИМС, содержащую  ряд однотипных каскадов усиления (например, К 118 УН 1). Сама по себе ИМС не выполняет ни одну из функций обработки сигналов, но схема ИМС составлена так, что при определенном способе внешних соединений (схеме включений), она позволяет многофункциональное использование и разработку устройств с самыми разнообразными техническими условиями.

Основной интегральной микросхемой, наиболее часто используемой в усилительной аппаратуре, является операционный усилитель  ОУ. ОУ представляет собой универсальное  устройство усиления, применимое практически  в любом варианте исполнения.

Операционный усилитель имеет  два входа, оказывающие на источник сигнала одинаковое в количественном отношении (равные по модулю снимаемые  напряжения) и противоположное по знаку влияние. Полярность напряжения на неинвертирующем входе совпадает с полярностью напряжения на выходе, на инвертирующем входе – полярность противоположная. Коэффициенты усиления по этим двум входам одинаковы и противоположны по знаку. Наличие двух входов ОУ увеличивает возможности их применения. Так, например, на вход ОУ можно подать сигнал: от симметричного источника сигнала (двухтактный предыдущий каскад; от двух отдельных источников).

  Разность входных напряжений при работе в линейном режиме не должна превышать 1 мВ, в противном случае ОУ переходит в режим насыщения, где сильно проявляются нелинейные искажения, что недопустимо для качественной работы усилителя, и напряжение на выходе  в этом случае близко к напряжению источника питания и не зависит от входного сигнала. Этот недостаток исправляется подключением инвертирующего входа через внешние цепи к выходу ОУ. Такие цепи носят название «цепи обратных связей» (ОС). Очень часто усиливаемый сигнал подают  только на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход используют для введения в схему глубокой  отрицательной ОС.

ОУ имеет несимметричный выход, что позволяет подключить нагрузку, имеющую общую точку с корпусом. Условием баланса ОУ является U_вых=0 при U_вх=0.

Для подачи питающего напряжения выведены два вывода, на которые подается равное по модулю, но противоположное  по знаку постоянное или импульсное стабилизированное напряжение питания  и еще один вывод – «земля», служащее общей точкой схемы, потенциал  которой принимают равной нулю. Надо отметить, что выходное напряжение ОУ может изменяться в обеих полярностях относительно нуля. Получение такого выходного напряжения облегчается применением двухполярного источника питания, т.е., двух источников питания.

Операционный усилитель обладает свойствами идеального усилителя: большое  входное сопротивление (порядка 10¹¹ Ом) и малое выходное сопротивление (4 – 2000 Ом), большой коэффициент усиления по напряжению (К=10⁸), широкую полосу пропускания (до 10 МГц), низкий уровень внутренних шумов и дрейфа нуля. Все свойство ОУ сочетаются с малыми габаритами, высокой надежностью и низкой себестоимостью.

Область применения ОУ очень широка: на их основе можно создать широкий  круг по назначению функциональных устройств, например, УВЧ, УНЧ, УПЧ, интегрирующие  и дифференцирующие устройства, логарифмические  усилители, активные фильтры, стабилизаторы  напряжения и т. д.

Операционный усилитель представляет собой весьма сложное устройство и состоит из входного каскада (дифференциальный усилитель в режиме микро-токов), обеспечивающего показатели по входной цепи; усилителя напряжения (дифференциальный усилитель), обеспечивающего основное усилению по напряжению; выходного усилителя, обеспечивающего показатели по выходной цепи. ОУ сходен с многокаскадным усилителем постоянного тока, однако свойства ОУ определяются параметрами цепи обратной связи.

Таким образом, интегральные ОУ должны иметь как минимум пять выводов: два входных, выходной и два вывода для подключения источников питания. Помимо того у интегральных ОУ могут быть два вывода для балансировки и два вывода для коррекции АЧХ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор элементной базы

 

В качестве элементной базы была выбрана ИМС К174УН11, как удовлетворяющая техническим условиям курсового проектирования. А именно, требуется выходная мощность 6 Вт, ИМС способна обеспечить 15 Вт при максимальном напряжении питания, ИМС способна обеспечить усиление в требуемой полосе частот, диапазон рабочих температур ИМС больше требуемых.

Электрические параметры К174УН11:

1	Номинальное напряжение питания  (двухполярное)	± 17В ± 10%
2	Ток потребления при Uп = ± 17 В, Uвх = 0 В не более	100 мА
3	Выходная мощность при Uп = ± 17 В, Rн = 4 Ома, Кг = 1%	15 Вт
4	Коэффициент гармоник при Uп = ± 17 В, Rн = 4 Ома,    Рвых = 0,15…15 Вт	£ 1 %
5	Максимальное входное напряжение  при Uп = ± 17 В,    Рвых = 10 Вт не более	250 мВ
6	Напряжение шумов на выходе  при Uп = ± 17 В, Rн = 4 Ома	£ 1,0 мВ
7	Коэффициент подавления пульсаций  частотой 100 Гц	³ 45 Дб
8	Входное сопротивление при Uп = ± 17 В, fвх = 1 кГц	³ 100 кОм

 

1	Напряжение питания	± 5 … ± 18 В
2	Максимальный ток нагрузки при Uп = ± 17 В, Rн = 0,1 Ома	2,4 А
3	Максимальное входное напряжение	£ 10 В
4	Тепловое сопротивление:    кристалл-среда	70°С/Вт
5	Температура окружающей среды	- 10 …+ 55°С
6	Температура кристалла	+ 150 °С

 

Микросхема  представляет собой усилитель мощности низкой частоты с номинальной выходной мощностью 15 Вт на нагрузке 4 Ом ,имеет защиту выходного каскада от короткого замыкания и перегрузок.

     Корпус типа 201.14-12.Масса не более 1,5 г.

Рис.1 Чертеж схемы и нумерация  выводов К174УН11.

Функциональный состав:

I - входной каскад;

II - усилительный каскад;

III - мощный выходной каскад;

IV - тепловая защита;

V - защита от короткого замыкания.

 

Назначение  выводов:

1 - питание (+U_п);

3,12 - вывод задания режима;

5 - питание(-U_п);

7 - вход;

8 - обратная связь;

9,10 - коррекция;

14 - выход.

Принципиальная  схема К174УН11.

ИМС К174УН11 представляет собой усилитель  мощности звуковой частоты. По структурной  схеме напоминает ИМС К174УН1. Однако вследствие применения дифференциального  усилителя в качестве входного каскада  УНЧ, двухтактного выходного усилителя  и двухполярного напряжения питания (±15 В) характеристики УНЧ значительно улучшены. Например, обеспечена выходная мощность до 15 Вт на нагрузку сопротивлением 4 Ом, при этом коэффициент гармоник не превышает 1 %.