Электронный усилитель

Электронный усилитель

3

2 Эскизный расчет

Рассчитаем основные параметры:

Номинальная мощность в нагрузке: Pн=10 Вт.

Мощность, приходящаяся на одно плечо двухтактного каскада:

P~п=10/2=5 Вт.

Максимальная рассеиваемая мощность одного плеча:

Pрас. max =0,5·P~п=0,5·5=2,5 Вт.

Максимальный ток коллектора равен:

(1)

где Rн - заданное сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда напряжение на нагрузке:

,

где Pн- номинальная мощность в нагрузке, Rн - заданное сопротивление нагрузки.

Найдем сквозной коэффициент усиления:

,

где - напряжение на нагрузке, Eu- ЭДС источника сигнала. Множитель 1,5 взят для запаса.

Так как выходной каскад включен по схеме с общим коллектором, то коэффициент усиления по напряжению: KU ? 1. Чтобы получить необходимо в схему усилителя включить промежуточный каскад усиления с .

Пусть половина линейных искажений приходится на оконечный каскад (), а остальная часть остается на остальные каскады().

дБ;

Так как , находим ;

дБ

Так же найдем .

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выходного каскада

Подберем необходимый транзистор исходя из следующих условий:

PК max> Pрас. max,

IК max> IК max.

где PК max- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, IК max- постоянный ток коллектора. (Pрас. max =1,25 Вт, IК max =1,11 А - рассчитанны в пункте 3)

Выбираем по пару комплиментарных транзисторов:

VT6 - КТ816А (p-n-p)

VT5 - КТ817А (n-p-n)

Их основные параметры:

1 Постоянный ток коллектора,Iкмах= 3 А

2 Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=25 В

3 Постоянная рассеиваемая мощность коллектора PК.MAX=25 Вт

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзисторов КТ816А и КТ817А приведена при работе их с теплоотводом.

Выберем напряжение питания исходя из следующего условия:

2Uкэ.доп. Еп 2(Uост.+Uвых), (3)

где Uкэ.доп - максимально-допустимое значение напряжения коллектор - эмиттер для транзисторов КТ816А, КТ817А, Uост = 1 В - остаточное напряжение для транзисторов КТ816А,КТ817А, Uвых. - заданное выходное напряжение.

90 В Еп 19,8 В

Выбираем напряжение питания равное 40 В.

Построим нагрузочную кривую на графике выходных характеристик транзистора КТ816А.

Рисунок 1. Выходные характеристики

Нагрузочная кривая проходит через точки и

Рисунок 2 Рисунок 3

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику.

Рисунок 4

Исходя из построенной проходной характеристики, определяем:

Iк max= 1,11 А; Iк min= 0,37 А

UБЭ max=0,925 В; IБ max= 22 мА

UБЭ min=0,775 В; IБ min= 2,5 мА

Из полученных значений определяем область изменения IБ и UБЭ:

UБЭ= UБЭ max- UБЭ min=0,925-0,775=0,15 В

IБ= IБ max- IБ min=(22-2,5)·10-3=19,5 мА

Определим значение входного сопротивления:

Определим коэффициент усиления:

где UВХ=UБЭ - входное напряжение выходных транзисторов, В;

UВЫХ - заданное выходное напряжение, В.

Рассчитаем входное сопротивление и коэффициент усиления, с учетом обратной связи.

Rвхос= Rвхоэ (1+·Ки);

где - коэффициент передачи обратной связи

=1 т.к имеется 100% отрицательная обратная связь.

Найдем входное напряжение оконечного каскада:

Рассчитаем g (коэффициент формы тока):

Принимаем g=0,9.

Найдем коллекторное сопротивление транзистора VT4, используется следующее соотношение:

По стандартному ряду сопротивлений выберем R13=470 Ом.

Вычислим коллекторный ток через транзистор VT4, А:

Выберем транзистор исходя из следующих условий:

Выбираем транзистор КТ815Б (n-p-n)

Его основные параметры:

1. Постоянный ток коллектора, Iкмах= 1,5 А

2. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=40 В

3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 10 Вт

Рисунок 5

Рисунок 6

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику по формуле:

Полученные результаты внесены в таблицу 1.

Таблица 1.

Рисунок 7

С помощью метода пяти ординат, рассчитаем нелинейные искажения, вносимые предоконечным каскадом:

IК max=80,8 мА; IК min=38,2 мА; I1=73 мА; I0=64 мА; I2=50 мА.

Найдем коэффициенты гармоник:

; ; .

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений:

По техническому заданию =1,5%. Чтобы уменьшить нелинейные искажения необходимо ввести отрицательную обратную связь, которая снизит коэффициент нелинейных искажений в глубину обратной связи (А):

Найдем глубину обратной связи:

До введения обратной связи:

где Uвых- напряжение на выходе предоконечного каскада, Uвх- напряжение на входе предоконечного каскада;

Uвх= UБЭ max-UБЭ min

Uвх =0,76-0,7=0,06 В.

Коэффициент усиления обратной связи:

;

где д - коэффициент передачи обратной связи.

Так как д·Ku>>1, то

Рассчитаем сопротивление нагрузки по переменному току для предоконечного каскада:

где RВХ.ОС- входное сопротивление оконечного каскада.

Находим сопротивление обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=12 Ом.

Пересчитаем глубину обратной связи и коэффициент усиления с учетом полученного значения R14

Так как необходимо получить Kuос=5,1 увеличим глубину обратной связи

Произведем расчет с учетом новой глубины обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=47 Ом

Найдем напряжение на входе предоконечного каскада:

На транзисторе VT4 и на сопротивлении обратной связи происходит падение напряжение:

UБ0=UБЭ0+UR14 ;

UR14=IЭ0·R14 ;

Так как IЭ0?IК0 , то UR14=IК0·R14=42,5·10-3·47=1,99 В.

По входной статической ВАХ транзистора определяем, что UБЭ0=0,73 В.

UБ0=0,73+1,99=2,72 В

Ток делителя выразим из предположения, что он гораздо больше тока базы:

По линейке номиналов подбираем R12=390 Ом.

По линейке номиналов подбираем R11=560 Ом.

Произведем перерасчет тока делителя с учетом выбранных номиналов резисторов R11 и R12:

Так как входное сопротивление предоконечного каскада представляет собой параллельное включение сопротивления транзистора VT4, R11 и R12.

найдем IБ - амплитуду тока базы;

IБ= IБ max - IБ min=(1,12-0,5)·10-3=0,62 мА

рассчитаем сопротивление транзистора:

с учетом обратной связи сопротивление транзистора VT4:

Обеспечение рабочей точки транзисторов оконечного каскада осуществляется с помощью диода, включенного в прямом направлении.

Выбор диода производим исходя из следующих условий:

,

где - напряжение на диоде, - напряжение смещения.

Напряжение смещения находим из проходной характеристики транзистора оконечного каскада:

В

Выбираем диоды Д229А в количестве 4шт со следующими параметрами: Uпр=0,4 В; Iобр=50 мкА; Uобр=200 В; Iпр=400 мА;

3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя

Так как сквозной коэффициент усиления равен 134,1 а коэффициент усиления предоконечного каскада равен 4,95.

Для получения заданного коэффициента усиления нам необходим каскад предварительного усиления с коэффициентом усиления Ku=5,2 и входной каскад с коэффициентом усиления Ku?1.

Выберем транзистор КТ315В

Его основные параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, h21э=30…120

2. Постоянный ток коллектора, Iкмах= 100 мА

3. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, Uкэмах=40В

4. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 150 мВт

5. Обратный ток коллектора IК об=1 мкА

6. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при IК=20 мА

Uнас=0,4 В.

7. Емкость коллектора CК=7 пФ

8. Постоянная времени цепи обратной связи фОС=300 пс.

Введем ограничение по току: пусть IК max=150 мА.

Uкэmin возьмем больше Uнас=0,4. Пусть Uкэ min=0,8 В.

Выберем UR10=(0,1…0,2)·ЕП.

Пусть UR10=0,15·ЕП=0,15·40=6 В.

Тогда получаем условие:

;

где - напряжение на выходе промежуточного каскада, - обратный ток коллектора.

Так как В, получаем:

мА

Выбираем и мА.

Найдем мощность рассеяния транзистора:

Полученное значение мощности не превысило допустимое (150 мВт).

По линейке номиналов подбираем R9=1 кОм.

Рассчитаем нагрузку каскада по переменному току:

Удостоверимся в возможности этого тока:

,

.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

,

где h21Э- статический коэффициент передачи тока, h11Э- входное сопротивление транзистора.

rБЭ найдем как:

Ом

Ом

Ом

Так как нам необходимо получить усиление каскада KU=5,2 введем отрицательную обратную связь.

,

где д - коэффициент передачи обратной связи.

Исходя из неравенства, >>1, получаем

;

По линейке номиналов подбираем R10=22 Ом.

Проведем перерасчет коэффициента усиления и глубины обратной связи:

Найдем напряжение на входе каскада:

Ток базы находим из следующей формулы:

мА.

Ток делителя находим из условия

мА.

;

;

где UR10 - напряжение на резисторе обратной связи;

Так как для кремниевых транзисторов В

По линейке номиналов подбираем R8=27 Ом.

По линейке номиналов подбираем R7=7,5 кОм.

Проведем перерасчет с полученными значениями R7 и R8

Рассчитаем входное сопротивление каскада. Оно представляет собой параллельное соединение входного сопротивления транзистора VT3 и резисторов R7 и R8.

Найдем входное сопротивление транзистора VT2 с учетом обратной связи:

, где А- глубина обратной связи.

3.3 Расчет входного каскада

Так как необходимо обеспечить большое входное сопротивление, выбираем схему на полевых транзисторах.

Выберем транзистор КП307А, с параметрами:

S=4мА/В (при UСИ=10 В, UЗИ=0 В) - крутизна характеристики,

UЗИ.0ТС = 0,5В - напряжение затвор-исток отсечки,

IЗ=5мА - ток утечки затвора,

IC.НАЧ=3мА - начальный ток стока,

UСИ.МАКС=27 В , UЗС.МАКС=27 В,

PC.МАКС= 250 мВт.

Рассчитаем ток нагрузки:

Напряжение на нагрузке входного каскада:

Тогда мощность на нагрузке:

Из условия Rвх>5 кОм (по техническому заданию), выберем сопротивления R6 и R1: R1=R6=Rвх/2=8000/2=4000 Ом

Рассчитаем ток и напряжение на входе:

Найдем коэффициент усиления:

Найдем ток стока:

IC МАКС = IC НАЧ = 3 мА

IC МИН = 0,1 · IC НАЧ = 0,3 мА

мА

Найдем сопротивление R5:

По линейке номиналов подбираем R5=12 кОм

Напряжение UЗИ.0 выразим из соотношения IC0 = IC НАЧ = S·UЗИ.0 :

Определим токи на сопротивления R1 и R6:

Найдем сопротивления R2 и R4:

Найдем сопротивление R3:

Из условия получаем R3:

По линейке номиналов подбираем R3 = 62 Ом

4 Конструкторский расчет

4.1 Расчет разделительных конденсаторов

Определим величину разделительного конденсатора C5

,

где - нижняя частота работы усилителя, Мок - коэффициент частотных искажений оконечного каскада.

По промышленной линейке конденсаторов выберем: С5 = 56 мкФ.

Найдем величину разделительного конденсатора C4:

,

По промышленной линейке конденсаторов выберем С4 = 2,7 мкФ.

Определим величину разделительных конденсаторов C3 и C2:

,

где RВХ- входное сопротивление каскада предварительного усиления.

По линейке конденсаторов выберем С3=С2=2,58 мкФ.

Определим величину разделительного конденсатора C1:

,

где - входное сопротивление входного каскада.

Ближайшим значением из промышленной линейки конденсаторов является 62 нФ.

Рассчитаем напряжение на конденсаторах:

В;

В;

В

По справочнику подбираем тип конденсаторов:

4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах

Мощность, рассеиваемая на резисторах, определяется по следующей формуле:

,

где I - ток через резистор, R - сопротивление резистора.

Рассчитаем эти мощности:

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

При выборе резисторов, их мощность рассеяния будем брать в 1,5 - 2 раза больше полученной в расчетах.

4.3 Расчет общего тока потребления

Рассчитаем общий ток потребления усилителя. Для этого сложим токи от каждого каскада. Получаем:

мА

Вт

КПД усилителя равен:

%

Список литературы:

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учеб. для вузов.- 2-е изд.-М.: Радио и связь, 1983- 264 с.

2. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1989.- 400 с.: ил.

3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов.- М.: Горячая Линия-Телеком, 2000.- 768 с.:ил.

4. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие/ Под ред. Н.В. Терпугова. -М.: Высш. школа, 1982- 190 с.: ил.

5. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам./ Под ренд. Н.Н. Горюнова.- М.: «Энергия», 1997.- 744 с.: ил.

6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.- 9-е изд., перераб. -К.: Техника, 1980. -464 с.: ил.

7. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА./ Под ред. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков. - Мн.: Беларусь, 1994. -591 с.: ил.

8. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы -2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1987. -285 с.: ил.