Полный текст:
Содержание
Введение. 1
Анализ схемы.. 2
Расчет внешних характеристик и выбор элементов
питания. 3
Расчет по
постоянному току. 4
Расчет
выходного каскада. 4
Расчет
дифференциального каскада. 5
Расчет
первого дифференциального каскада. 6
Рассчитываем
значения разделительных конденсаторов. 8
Расчет
стоимости компонентов использованных в схеме усилителя. 9
Список использованной литературы.. 9
Введение
Электронные усилители предназначены для
усиления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой
частоты fн до какой-то частоты fв. Они используются в разнообразнейших по назначению,
технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру
нагрузки, по условиям применения.
Требования к их показателям во многом
определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в
подавляющем большинстве случаев носит комплексный характер, являясь
электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения
усилителей определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором
усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических
воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.
Круг требований к усилителям с довольно
широкой полосой рабочих частот связан, в
основном, с интервалом рабочих частот, в пределах которого полезный сигнал
должен усиливаться с допустимыми частотными и нелинейными искажениями.
Усилители с узкой или фиксированной рабочей частотой предназначены, в основном, для работы на
демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким
усилителям связаны с фазо-частотной характеристикой. Однако отмеченные
особенности усилителей не исключают общего подхода к проектированию.
Рассмотренные усилители характеризуются
различными конструктивными и энергетическими показателями. К первым можно
отнести вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям
и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим
работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного
тока. Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току,
мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных
искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и
выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких показателях
усилителя можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены специальные меры стабилизации, то его
коэффициент усиления может измениться в широких пределах из-за большого
технического разброса параметров транзистора.
Транзисторные усилители имеют
сравнительно небольшую верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном
каскаде использован мощный транзистор. Вместе
комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям
усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных характеристик транзистора
является источником больших нелинейных искажений на выходе усилителя.
Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое
входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление
усилительного каскада.
Для оценки возможности использования
таких транзисторных усилителей сопоставим основные параметры с требованиями,
которые к ним часто предъявляются. Усилитель связан входной цепью с источником
сигнала, не допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по
току. Это заставляет искать пути увеличения входного сопротивления транзистора
в десятки, сотни и тысячи раз. Входная цепь усилителя передает усиленный сигнал
в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку либо от
источника тока (внутреннее сопротивление усилителя стремиться к бесконечности),
либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление усилителя близко к
нулю). Иначе говоря, одной из практических задач при проектировании усилителя
является изменения его входного сопротивления. Требования повышения точности
работы системы в различных климатических устройствах вынуждают стабилизировать
коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах,
всегда жесткие требования предъявляются к частотным искажениям, а в усилителях
системы автоматики, управляющих двигателями переменного тока, к уменьшению
фазового сдвига. Обычно, без специальных мер, транзисторные усилители не
удовлетворяют этим требованиям.
Таким образом, условия применения
транзисторных усилителей в различных электронных устройствах намечают
определенную направленность в изменении свойств усилителя. Эти задачи
усложняются требованиями сохранения работоспособности усилителя в широком температурном диапазоне
окружающей среды и значительным техническим разбросам параметров транзисторов.
Анализ схемы
Для расчета предложена следующая схема.
Рисунок 1-Принципиальная схема
усилителя
Данная схема представляет собой схему, состоящую из
трёх каскадов. Первый и второй каскад – дифференциальные на транзисторах
структур p-n-p и n-p-n, третий – выходной каскад (работает в режиме В).
Исходные данные:
Rг = 300 кОм Rн = 19 Ом Pвых = 3 Вт
fн гр = 80 Гц f в гр = 40 кГц
Определить Eг
Расчет внешних характеристик
и выбор элементов питания
При построении таких выходных каскадов
используют два транзистора с близкими по величине параметрами. Исходными
данными являются мощность, отдаваемая в нагрузку Pвых, и сопротивление нагрузки Rн . Расчет удобно проводить графо - аналитическим методом для одного
плеча усилителя в следующем порядке.
Транзисторы
выбираются по допустимой
мощности рассеивания на
коллекторе Pк max
и максимальной амплитуде
коллекторного тока Iк max.
Pк max =0.3*3=0.9 Вт
=0.562 А
В качестве пары
транзисторов принимаем транзисторы марок КТ801Б и ГТ703А.
Таблица 1 - Свойста транзисторов КТ 801Б и ГТ703А
Тип
прибора
Предельные значения параметров при t = 25°C
Значения параметров при t = 25°C
Iк макс.,А
Uкэ макс, В
Рк макс, Вт
h21э
fгp,
МГц
ГТ703А
3,5
20
1,6(15)
30...70
0,1
КТ801Б
2
60
5
30…150
10
По выходной и входной
характеристикам транзистора ГТ703А определяем
исходную рабочую точку.(рис.2).
Рисунок 2-Выходная и входная
характеристика транзистора ГТ703А
Так как транзистор
германиевый Uбэ= 0,3 В, Iб = 10 мА.
ЭДС источника питания
находим из условия
2Uэкмакс?2Eп?2(Uнач + Uтн)
где Uкэмакс – допустимое коллекторное
напряжение, Uкэ = 20В
Uнач. – начальное напряжение
коллектор – эмиттер, Uнач. = 3В
Uтн – амплитуду напряжения на
нагрузке
40В ? 2Eп ? 27,354В
Принимаем напряжение
питания равное 15В.
Используя выходные
характеристики транзистора через точку Uкэ = Uп = 15В и Iк = Eп*Rн = 15/19 = 0,8А проводим
нагрузочную прямую и определяем исходный коллекторный ток: Iко = 0,1А. Построив из точки Eп треугольник мощности со сторонами Uтн = 10,677В и Iтн = 0,6А, убеждаемся в получении
заданной выходной мощности (Pвых = 0,5*10,677*0,6=3,2Вт).
Расчет по постоянному току
Расчет выходного каскада.
Рабочая точка транзисторов выходного каскада: Uкэ = 10В и Iк = 0,3А.
Коэффициент передачи тока принимаем равным 70.
Ток базы
Iб = Iк / h21э = 0,3/70 = 4,29 мА
Определяем ток на диодах
На два диода падает напряжение 2Uбэ = 0,6В. На один 0,3В.
Принимаем ток Iд = 5*Iб = 21,45 мА
Принимаем диоды марки 2Д114А5
Характеристики:
Постоянное прямое
напряжение при Iпр = 200мА не более 1В
Граничная частота
500кГц.
Находим сопротивления резисторов R14 и R15
R14 = R15 = (Eп-2Uбэ)/Iд = (15-0,6)/21,45 = 671,32Ом
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-680Ом±5%
Rдел = R14/2 = 340 Ом
Входная проводимость
g11 = Iтб/Uтбэ = 25/(0,52 – 0,25) = 9,26*10-2
См
Тогда входное сопротивление каскада с учетом ООС равно
Rвх = F*Rдел/(F+g11*Rдел) = 42,18*340/(42,18+9,26*10-2*340)
=
= 14341,2/73,66 = 194,69 Ом
Глубина обратной связи
F = 1 + g21*Rн = 1+2,22*19 = 42,18
Усредненная крутизна транзистора
g21 = Iтн/Uтбэ = 0,6/0,27 = 2,22 А/В
Коэффициент усиления по напряжению
ku1= g21*Rн/(1+g21*Rн) = 2,22*19/(1+2,22*19) = 0,98
Тогда амплитуда напряжения входного сигнала
Uтвх = Uтн/ku = 10,677/0,98 = 10,89 В
Амплитуда входного тока
Iтвх = Uтвх/Rвх = 10,89/194,69 = 55,9 мА
Pвх =10,89 *55,9 = 609 мВт
Расчет дифференциального каскада
Транзисторы выбираются
по напряжению на коллектор - эмиттер
и максимальной амплитуде
коллекторного тока Iк max.
Uкэ ? Eп Uкэ ? 15В
=79 мА
По этим параметрам
принимаю транзисторы марки КТ208А
Тип
прибора
Предельные значения параметров
при t = -60…+125°C
Значения параметров при t = 25°C
Iк макс.,мА
Uкэ макс, В
Рк макс, мВт
h21э
fгp,
МГц
КТ208А
300
15
200
20
200
Используя выходные
характеристики транзистора через точку Uкэ = Uп = 15В и Iк = Eп/Rн = 15/194,69 = 77мА проводим нагрузочную прямую и
определяем рабочую точку: Iк = 38мА,Uкэ=8В. Построив из точки Eп треугольник мощности со сторонами Uтвх = 10,89В и Iтн = 57мА, убеждаемся в получении
заданной выходной мощности (Pвых = 10,89*57=620,73мВт).
Находим сопротивление R13
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-390Ом±5%
Находим ток базы
Находим ток эмиттера
Сопротивление R12 (R10) служит для увеличения
стабильности каскада. Рекомендуется использовать условие падение напряжения на R12 (R10) должно быть много больше
температурного потенциала 25мВ.
Принимаем UR12=UR10=0,5В
Находим значения сопротивлений R12 и R10
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-13Ом±5%
Находим падение напряжения на R11
Находим значение сопротивления R11
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-82Ом±5%
Входное сопротивление каскада
Находим сопротивление базы
Находим амплитуду напряжения на
входе
Находим коэффициент усиления по
напряжению
Расчет первого дифференциального каскада
Пусть максимальный ток в цепи
эмиттера больше или равен двойному току
базы второго дифференциального каскада
По этим параметрам выбираем
транзистор КТ206А
Тип
прибора
Предельные значения параметров
при t = -60…+125°C
Значения параметров при t = 25°C
Iк макс.,мА
Uкэ макс, В
Рк макс, мВт
h21э
fгp,
МГц
КТ206А
20
20
15
30
10
Используя выходные характеристики
транзистора через точку Uкэ = Uп = 15В и Iкмакс = 3,8 мА
проводим нагрузочную прямую и определяем рабочую точку: Iк = 3 мА, Uкэ=5В.
Находим напряжение падения на R3 (R7)
Находим сопротивления R3
и
R7
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-4,7кОм±5%
Находим ток базы
Находим ток эмиттера
Сопротивление R4 (R6) служит для увеличения
стабильности каскада. Рекомендуется использовать условие падение напряжения на R4 (R6) должно быть много больше
температурного потенциала 25мВ.
Принимаем UR4=UR6=0,5В
Находим значения сопротивлений R4 и R6
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-160Ом±5%
Находим напряжение на сопротивлении R5
Находим значение сопротивления R5
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-3,3кОм±5%
Принимаем ток делителя равным пяти токам базы
Находим напряжение на R2 и R9
Находим значения резисторов R2 и R9
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-22кОм±5%
Находим значения напряжений на R1 и R8
Находим значения сопротивлений R1 и R8
Принимаем по ГОСТ 7113-77 резисторы МЛТ-0,5-39кОм±5%
Находим коэффициент усиления по напряжению
Находим входное сопротивление каскада
Находим общий коэффициент усиления по напряжению
Находим общий коэффициент усиления по току
Находим коэффициент усиления по мощности схемы
Находим Ег
Рассчитываем значения разделительных конденсаторов
Круговая частота
Находим постоянную времени
Поделим частотные искажения поровну на три конденсатора. По
формуле.
Определяем емкость первого конденсатора
Принимаем конденсатор 10нФ±10%
Определяем емкость второго конденсатора
Принимаем конденсатор 2мкФ±10%
Определяем емкость четвертого конденсатора
Принимаем конденсатор 220мкФ±10%
Находим круговую частоту
Находим постоянную времени
Находим сопротивление между дифференциальным и выходным каскадом.
Находим емкость третьего конденсатора
Принимаем конденсатор 27нФ±10%
Расчет стоимости
компонентов использованных в схеме усилителя
Для расчета стоимость компонентов
взята с сайта www.chip-dip.ru
Список
использованной литературы
Терпугова Н. В. Проектирование
усилительных устройств. М. «Высшая школа»,1982Войшвилло Г. В. Усилительные
устройства. М. «радио и связь»,1988Оспапенко Г. С. Усилительные
устройства. М. «радио и связь»,1989Степаненко И. П. Основы теории
транзисторов и транзисторных схем. М. «Энергия»,1977