Усилитель систем автоматики

Содержание

1. Расчет варианта усилителя на транзисторах

1.1 Анализ задания. Предварительный расчёт. Структурная схема

1.2 Расчет пятого (оконечного) каскада

1.3 Расчет четвертого (предоконечного) каскада

1.4 Расчет третьего каскада

1.5 Расчет второго каскада

1.6 Расчет первого каскада

1.7 Расчёт фильтров питания. Расчёт цепей регулировки усиления. Расчёт разделительной ёмкости во входной цепи

2. Расчет УВЧ на интегральных микросхемах

2.1 Анализ варианта усилителя на ИМС

2.2 Расчет элементов первого каскада

2.3 Расчет элементов второго каскада

2.4 Расчёт регулировки усиления

3. Конструкторская часть

4. Выбор оптимального варианта

5. Заключение

6. Список использованной литературы

1. Расчет варианта усилителя на транзисторах

1.1 Анализ задания. Предварительный расчёт. Структурная схема

Исходные данные:

R_ист=7000 Ом; К₀=325; М_н=0,77; F_н=60 Гц; М_в=0,73; F_в=130 кГц; R_н=13 Ом; К_г=1,3; P_вых=3,9 Вт; U_пит= ±12 В; t_max=49°С

Во первых, из заданной по ТЗ величины P_вых и R_н выразим значения амплитуд тока и напряжения в нагрузке:

Напряжение U_вых не превышает питающего напряжения, следовательно получить такую мощность в нагрузке возможно.

Поскольку от одного усилительного каскада получить коэффициент усиления К₀=325 невозможно, будем рассчитывать многокаскадный усилитель. Для определения числа каскадов и типа включения транзистора в них (ОК, ОЭ, ОИ) проанализируем величины сопротивлений нагрузки и источника сигнала:

Если R_ист < 10кОм, то каскад по схеме ОК на входе не нужен. В нашем случае это условие удовлетворяется за счёт использования полевого транзистора на входе.

Если R_н< 300÷500 Ом, то нужен каскад по схеме ОК или двухтактный усилитель мощности. В нашем случае будем использовать именно двухтактный УМ.

Остальные каскады усилителя будут выполнены по схеме ОЭ и межкаскадный эмиттерный повторитель (по схеме ОК).

Рассчитывать количество каскадов будем отталкиваясь от значения К₀=325, с учётом того, что коэффициент усиления по напряжению у двухтактного УМ К_дум≈0,7÷0,9.

Исходя из вышесказанного, рассчитаем коэффициент усиления требуемый от каскадов предварительного усиления (КПУ), по следующей формуле:

где К_вц – ослабление входной цепи (К_вц=0,6÷0,8)

К_вх – коэффициент передачи входного каскада по схеме ОК, так как у нас его нет, исключаем эту величину из расчетов.

К_вых – коэффициент передачи выходного каскада (двухтактного УМ), К_вых≈0,7÷0,9

Подставив эти величины в вышеуказанную формулу получим:

Для того, чтобы узнать какой коэффициент усиления должен быть у каждого каскада по схеме ОЭ, на этапе предварительного расчета положим их равными друг другу. Исходя из этого получим следующую формулу:

где К_i – коэф-т усиления каждого каскада (К_i=8÷16)

N – число каскадов.

При K_i=10 и числе каскадов N=3 получим, что К_пр= 1000, что удовлетворяет нашим условиям.

Итак, имея три каскада по схеме ОЭ и двухтактный УМ на выходе, мы можем распределить коэффициенты усиления более рационально.

Для первого каскада, так как он на ПТ, сделаем коэффициент усиления по напряжению (K₁=3).

Для второго каскада, коэффициент усиления по напряжению возьмём максимальный из разумных и возможных:

Теперь распределим частотные искажения между каскадами усилителя, зная, что у каскада на ПТ (из-за схемотехники каскада), ЭП и двухтактного УМ они равны Мн=0,9 ÷ 0,99, а у всех остальных положив равными:

где M_i – частотные искажения i-го каскада.

Так как M_iв и M_iн не превышают 0,98, следовательно корректирующий каскад (каскад с перекоррекцией) может и не понадобиться.

Структурная схема усилителя:

1.2 Расчет пятого (оконечного) каскада

Так как нагрузка каскада низкоомная (R_н=13 Ом), то мы решили использовать двухтактный усилитель мощности. Методика расчета приведена в литературе.

Для начала определимся с параметрами, которым должен удовлетворять транзистор:

где: P_kmax – допустимая мощность рассеяния

I_kmax – максимальный коллекторный ток.

Также:

Также транзисторы должны образовывать комплементарную пару с максимально близкими по значению параметрами и идентичными характеристиками. Исходя из этих условий была выбрана пара транзисторов КТ816А и КТ817А.

Здесь и далее в расчётах представлены лишь те справочные параметры транзистора, которые непосредственно используются в расчетах. Все остальные параметры, в том числе и предельные эксплуатационные, можно посмотреть в справочнике [4]

На выходных характеристиках транзистора построим нагрузочную прямую (см. рисунок) и определим по ней исходный ток коллектора: . Также, по характеристикам найдём:

По входным и выходным характеристикам (проведя между ними аналогию) построим сквозную переходную характеристику (СПХ):

Где:  предыдущего каскада

Определим по СПХ: I₁=880мА, I₂=720мА

Исходя из этого, можно рассчитать коэффициент нелинейных искажений по 3-ей гармонике:

;

По входным и выходным характеристикам определяем:

Отсюда глубина обратной связи:

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений с учётом ООС:

Логично предположить, что несмотря на то, что транзисторы максимально идентичны, некоторая асимметрия в верхнем и нижнем плече всё же присутствует. Предположим максимально худший вариант, что токи транзистора отличаются в полтора раза (1+x), тогда коэффициент асимметрии будет равен: .

Найдём коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике:

Тогда общий коэффициент нелинейных искажений равен:

Для определения эффективности работы двухтактного усилителя рассчитаем КПД, воспользовавшись следующей формулой:

Согласно схеме, в делитель на входе включены два диода, которые обеспечивают задание рабочей точки. Для выбора диода зададимся:

Используя справочник по полупроводниковым элементам найдём подходящие диоды:

ГД511В:

Найдём номиналы сопротивлений в цепи делителя, полагая их равными:

Из ряда номинальных значений возьмём

Ом

Тогда сопротивление делителя равно:

Зная сопротивление делителя и рассчитав входную проводимость сигнала g₁₁ можно рассчитать входное сопротивление каскада с учётом ООС:

Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Как мы и предполагали, коэффициент усиления по напряжению меньше 1, но достаточно близок к нему.

Найдём значения амплитуды напряжения и тока на входе каскада для обеспечения номинальной мощности в нагрузке:

Именно такие амплитуды мы должны получить от предыдущего каскада усилителя.

Также нам надо рассчитать С_р для обеспечения заданных частотных искажений М_н:

Возьмём С_р из допустимого ряда номиналов, С_р=1000 мкФ.

Поскольку граничная частота нашего усилителя меньше 1 МГц , то шунтировать его керамическим конденсатором на ВЧ необязательно.

Для определения входной ёмкости каскада предположим с большой долей вероятности, что двухтактный УМ это два эмиттерных повторителя работающих на разные полупериоды гармонического сигнала но на одну нагрузку. Следовательно, входная ёмкость каскада равна параллельному соединению двух входных емкостей аналогичных эмиттерных повторителей, ёмкость которых легко рассчитать:

где r_б – справочный параметр, сопротивление базы транзистора.