Анализ схемы усилительного устройства

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………..стр.4

1. Теоретические сведения……………………………………………...стр.5

2. Выбор структурной схемы усилителя………………………………стр.11

2.1 Выбор числа каскадов…………………………………………..стр.11

2.2 Выбор структуры каскадов…………………………………….стр.11

2.2.1 Выбор структуры выходного каскада……………………стр.12

2.2.2 Выбор структуры промежуточного каскада……………...стр.12

2.2.3 Выбор структуры входного каскада………………………стр.12

3. Расчет элементов принципиальной схемы………………………….стр.14

3.1 Расчет выходного каскада с общим коллектором…………...…стр.15

3.2 Расчет промежуточного каскада с общим эмиттером…………стр.17

3.3 Расчет входного каскада с общим коллектором……………….стр.20

3.4 Расчет параметров входного сигнала…………………………...стр.22

4. Расчет источника электропитания…………………………………..стр.22

Заключение…………………………………………………………………..стр.27

Библиографический список

Приложение 1 - Схемы электрические принципиальные – 1 лист формата А2:

- усилитель мощности с блоком питания

- моделирование схемы усилителя мощности в программе «ISIS Proteus»

Приложение 2 - Перечень элементов к принципиальной схеме

Перечень необходимых приложений

4.1

ВВЕДЕНИЕ

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители

гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

- Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных

периодических сигналов, частотный диапазон 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.

- Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

- Избирательные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными.

- Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Транзисторные усилители мощности (УМ) классифицируют по типу схем включения и по режиму работы усилительных элементов. Схемы включения биполярных транзисторов разделяют по названию общего (заземленного) электрода транзистора: схемы с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Транзистор, как активный элемент, может работать в ключевом и активном режиме.

В ключевом режиме под действием управляющего сигнала транзистор скачком переходит из закрытого состояния (режим отсечки – ток коллектора практически равен нулю, сопротивление коллектор – эмиттер стремится к бесконечности – обрыв электрической цепи) в открытое состояние (режим насыщения – сопротивление коллектор – эмиттер стремится к нулю – транзисторный ключ замыкает электрическую цепь).

Активный режим транзистора реализуется в схемах с общим эмиттером, коллектором и базой. В активном режиме величина сопротивления коллектор – эмиттер транзистора определяется параметрами рабочей точки на входной и выходной характеристиках: током покоя коллектора и током покоя базы при отсутствии входного сигнала. При условии параметры , , изменяются по закону входного сигнала .

Схема с общим эмиттером. Активный режим транзистора VT1 реализуется элементами R1, R2, R4, формирующими в цепях эмиттер – коллектор и база – эмиттер рабочую точку (токи , ), а также обеспечивающими температурную стабилизацию режима по постоянному току (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Электрическая схема усилителя с общим эмиттером

Разделительные конденсаторы отделяют постоянную составляющую входного и выходного сигналов от базы и коллектора транзистора соответственно. Конденсатор в эмиттерной цепи устраняет отрицательную обратную связь по переменному току усиливаемого сигнала, обеспечивая заданный коэффициент усиления каскада. Схема с ОЭ, обладая относительно низким входным и сравнительно высоким выходным сопротивлением (импедансом), усиливает ток, напряжение и мощность входного сигнала, при этом входной и выходной сигналы находятся в противофазе.

Схема с общим коллектором является усилителем тока базы (рис. 2).

Рисунок 1.2 – Электрическая схема усилителя с общим коллектором

Усилитель с ОК не усиливает напряжение входного сигнала, поскольку нагрузка включается в эмиттерную цепь транзистора VT1 – параллельно эмиттерному резистору через разделительный конденсатор . На переменном токе по второму закону Кирхгофа , где – статический потенциал открытого p-n-перехода: для германия , для кремния . Следовательно,

Таким образом, схема с ОК не усиливает напряжение входного сигнала , а только повторяет его форму. Поэтому схему с общим коллектором называют эмиттерным повторителем (ЭП), который, обладая высоким входным, и достаточно низким выходным сопротивлением, осуществляет энергетическое согласование внутреннего сопротивления источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

В каскаде с общим коллектором, который является эмиттерным повторителем (ЭП), выходное напряжение через разделительный конденсатор снимается с резистора , включенного в цепь эмиттера, и поступает в нагрузку – сопротивление .

Значения сопротивлений в цепи базы выбирают таким образом, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась в середине рабочего участка входной характеристики транзистора VT (Методические указания)

Статический коэффициент передачи ЭП по напряжению (выходного каскада) определяется выражением (п. 6.1 – Предварительный расчет)

,

где , , ; – сопротивление в эмиттерной цепи транзистора; – выходная проводимость транзистора.

Данное выражение упрощается, если пренебречь выходной проводимостью транзистора VT по сравнению с проводимостью нагрузки , т.е. при условии: .

Тогда для коэффициента усиления третьего (выходного) каскада справедливо выражение

.

Подставляя параметр , получаем упрощенную формулу для оценки коэффициента

.

Принимаем для предварительного расчета следующие параметры:

, ; , ;

, .

Вывод. Если пренебречь влиянием выходной проводимости , то коэффициент усиления по напряжению ЭП не зависит от сопротивления , а определяется только параметром . При этом величина параметра .

При условии (режим, близкий к режиму холостого хода) ток базы ; коэффициент усиления и выходное напряжение определяются выражениями

; .

Поскольку выходная проводимость транзистора Ом^-1, а сопротивление в цепи эмиттера Ом, формула для коэффициента K_u упрощается

.

В соответствии с законом Ома, коэффициент усиления по току определяется из выражения

.

При условии (режим низкоомной нагрузки) выражение для коэффициента приводится к виду

.

Таким образом, в режиме низкоомной нагрузки величина параметра .

Анализ схемы эмиттерного повторителя показывает, что в соответствии с законами Кирхгофа и Ома, коэффициент усиления ЭП по напряжению

.

Здесь – эквивалентное сопротивление нагрузки ЭП; – входное сопротивление ЭП, величина которого уточняется при электрическом расчете (методические указания, раздел 3).

Реальный коэффициент усиления по току .

1. Оценим коэффициенты усиления эмиттерного повторителя при следующих параметрах схемы: , Ом, кОм, кОм;

Ом;

;

Коэффициент усиления по току :

.

Вывод: каскад работоспособен – коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а коэффициент усиления по току значительно больше единицы.

2. Оценим коэффициенты усиления эмиттерного повторителя при высоком значении входного сопротивления и низком сопротивлении нагрузки :

, кОм, Ом, Ом;

Ом;

;

.

Вывод: каскад неработоспособен – коэффициент усиления по напряжению стремится к нулю.

Для обеспечения работоспособности схемы ЭП существует несколько путей:

1) увеличить сопротивление нагрузки (уменьшить ток нагрузки , либо выходное напряжение );

2) увеличить параметр , используя, например, схему составного транзистора Дарлингтона (см. Методические указания);

3) при увеличенном на порядок сопротивлении нагрузки ( Ом) в схеме Дарлингтона использовать 2-3 транзистора (в этом случае параметр );

пересчитать параметры , , при необходимости откорректировать параметры схемы: ,, и т.д.

Схема с общей базой. Биполярный транзистор VT1, как усилительный элемент, характеризуется следующими статическими параметрами: – статический коэффициент передачи тока эмиттера ; – статический коэффициент передачи тока базы , где ток коллектора.

Связь токов и статических параметров в биполярном транзисторе имеет вид:

; , ; .

Из этих выражений следует, что токи коллектора и эмиттера всегда синфазны и практически равны по абсолютной величине, поскольку параметр .

Общая база заземляется по переменному току через конденсатор относительно большой емкости : входной усиливаемый сигнал поступает в эмиттерную цепь, а выходной – формируется в коллекторной цепи транзистора. Резисторы базового делителя напряжения и резистор в эмиттерной цепи обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки (рис. 1.1). Схема с общей базой используется для генерации электрических сигналов, а также для усиления сигналов высокой частоты.

Составной транзистор Дарлингтона включает два транзистора VT1, VT2, с соединенными эмиттерной и базовой цепью и объединенными коллекторами (рис. 3)

Рисунок 1.3 – Составной транзистор Дарлингтона

В схеме Дарлингтона эмиттерный ток транзистора VT1 соответствует базовому току транзистора VT2; общий эмиттерный ток составного транзистора . При условии эмиттерный ток схемы Дарлингтона . Поскольку параметры ток , параметр ; коллекторные токи .

Таким образом, составной транзистор Дарлингтона имеет высокий коэффициент передачи тока базы, а токи эмиттера и коллектора практически совпадают по величине.

Схемотехника усилителей мощности. Если заданы параметры нагрузки, общий коэффициент усиления усилителя или его каскадов , а входное сопротивление (импеданс ) не задано (или не критично), усилитель строится по структуре общий эмиттер – общий эмиттер (ОЭ – ОЭ). Если заданы высокое входное сопротивление и низкое сопротивление нагрузки , усилитель строится по структуре общий коллектор – общий эмиттер – общий коллектор (ОК – ОЭ – ОК). В ряде случаев возникает необходимость использования незаземленной нагрузки (рис. 1.1, 1.3), которая подключается к шине источника питания, заземленной по переменному току конденсатором фильтра источника (на схемах конденсатор не показан). В этом случае усилитель мощности строится по структуре ОЭ – ОЭ (при низком входном сопротивлении) или ОК – ОЭ (при высоком входном сопротивлении).

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

2.1 Выбор числа каскадов

Для обеспечения действующего значения напряжения выходного сигнала, заданного в техническом задании, необходимо выбрать многокаскадный усилитель, так как одного усилительного каскада недостаточно. Кроме того, число каскадов должно быть нечетным, иначе схема будет неустойчивой, чего следует избегать. В рамках технического задания выбираем трехкаскадный усилитель.

На рис. 2.1 изображена общая структурная схема усилителя.

Рисунок 2.1 – Общая структурная схема усилителя

2.2 Выбор структуры каскадов

Рассмотрим три основные структуры, представленные на рис.2.2.

в

Рисунок 2.2 – Примеры структурных схем усилителя мощности

Выбор структуры а (три каскада с общим эмиттером) обеспечивает усиление по напряжению, следовательно, коэффициент усиления будет слишком велик, что приведет к неустойчивости системы.

Таким образом, выбирать следует из структур б и в.

2.2.1 Выбор структуры выходного каскада

Так как по индивидуальному заданию сопротивление нагрузки имеет порядок Ом, усилитель должен обеспечивать ток нагрузки . То есть необходим выходной каскад с низким выходным сопротивлением. Для этой цели подходит схема с общим коллектором (ОК), обладающая низким выходным и высоким входным сопротивлениями. Данная схема не дает усиления по напряжению: (более точный расчет приводится в разделе 3).

2.2.2 Выбор структуры промежуточного каскада

Схема с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает усиление и по напряжению, и по току.

Коэффициент усиления этой схемы больше единицы, поэтому, для второго (промежуточного) каскада выбираем схему с общим эмиттером во втором каскаде (то есть б или в).

Пусть ; , кроме того . Тогда , отсюда

2.2.3 Выбор структуры входного каскада

Первый каскад обеспечивает входное сопротивление схемы УМ в целом.

Если входное сопротивление УМ должно быть высоким, в качестве выходного каскада следует выбрать схему с ОК (эмиттерный повторитель); если входное сопротивление УМ относительно низкое (имеет порядок 100–500 Ом , то целесообразно выбрать схему с ОЭ.

Поскольку по индивидуальному заданию входное сопротивление УМ не задано, входной каскад выбирается по усмотрению разработчика.

Рассмотрим схему с ОК для входного каскада:

В качестве источника входного сигнала рассматриваем емкостной микрофон с высоким внутренним сопротивлением (R_вх ≈ 1– 100 кОм).

Рис.2.3 – Емкостной микрофон

Конструкция конденсаторного микрофона представляет собой конденсатор, один из электродов которого массивный - 3, а второй тонкая мембрана – 1. Диафрагма помещена над неподвижным плоским электродом, так что зазор – d между ними весьма мал. Диафрагма электрически соединена с корпусом микрофона и сильно натянута. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в следствии чего, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, являющееся выходным сигналом микрофона.

Конденсаторные микрофоны имеют самые высокие качественные показатели: широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкие нелинейные и переходные искажения, высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Поскольку схема с общим коллектором (ОК) имеет высокое входное сопротивление, согласованное с высоким внутренним сопротивлением источника входного сигнала, и низкое выходное сопротивление, согласованное с промежуточным каскадом (схема с ОЭ), для входного каскада УМ выбираем схему с, то есть входной каскад будет с ОК.

Таким образом, проектируемый усилитель мощности будет иметь вид:

Рис.2.4 – Структурная схема усилителя мощности

3. Расчет элементов принципиальной схемы

Параметры УМ	Вариант
Проводимость транзисторов	«pnp» – нечетный;
Статический потенциал pn-перехода φd, В	0,6 – 0,8
Напряжение источника питания, Еп, В	12,5
Сопротивление нагрузки, Rн, Ом	20
Напряжение на нагрузке, Um.н, В (ампл.)	0,2
Статический коэффициент усиления по напряжению, KU	40
Статический коэффициент передачи тока базы b	40
Рабочая частота сигнала, fс, кГц	19
Максимальная частота полосы пропускания, fmax, кГц	(19)
Статический ток эмиттера	2,4
Напряжение питающей сети, U1, В (эфф.)	220
Частота питающей сети, Fc, Гц	50
Выпрямленное напряжение, Енест., В	(25)
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, Кп
Напряжение на нагрузке стабилизатора Uн. ст., В	12,5
Ток нагрузки стабилизатора, I 0.ст.	Определяется по результатам расчета УМ
Диапазон регулирования стабилизированного напряжения, D р, %	28

Рис.3.1 – Трехкаскадный УМ по структуре ОК – ОЭ – ОК

3.1 Расчет выходного каскада с общим коллектором

1. Расчет амплитуды тока нагрузки:

=

При = 0,2 В, по индивидуальному заданию.

2. Расчет эффективного значения тока нагрузки:

3. Расчет активной мощности на нагрузке:

4. Выбор тока эмиттера покоя:

5. Расчет сопротивления в цепи эмиттера и его мощности .

Для обеспечения полного симметричного размаха выходного сигнала на нагрузке без искажения его формы потенциал эмиттера в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала) выбираем из условия:

, где = 12,5 по индивидуальному заданию.

6. Расчет мощности эмиттерного резистора :

Выбираем по справочнику: R10 = ОМЛТ-0,5- 200 Ом±5%.

7. Расчет эквивалентного сопротивления нагрузки :

8. Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы :

, где по индивидуальному заданию.

9. Расчет потенциала базы в режиме покоя :

по индивидуальному заданию.

10. Расчет тока базы в режиме покоя :

11. Расчет резисторов делителя напряжения в цепи базы транзистора.

Делитель напряжения , формирующий потенциал базы покоя , не должен шунтировать входное сопротивление транзистора .

Расчет резисторов делителя проводится в следующей последовательности:

· выбор резистора из условия

=;

· расчет тока покоя через резистор

;

· расчет тока покоя через резистор

;

· расчет резистора по законам Ома и Кирхгофа

.

12. Расчет мощности резисторов базового делителя

,

( так как рекомендуется увеличить полученные значения в 10-50 раз).

Выбираем по справочнику: R8 = ОМЛТ - 0,125-10 кОм±5%.

Выбираем по справочнику: R9 = ОМЛТ - 0,125-9 кОм±5%.

13. Расчет эквивалентного сопротивления делителя переменному току сигнала

14. Расчет входного сопротивления выходного эмиттерного повторителя :

.

15. Расчет емкости разделительных конденсаторов .

, , где – рабочая частота сигнала, значение которой взято из индивидуального задания.

Для устранения частотных искажений усиливаемого сигнала рассчитанные значения емкостей увеличиваются в 10-100 раз.

Выбираем по справочнику: С4 = К50-6-16В-200 мкФ;

Выбираем по справочнику: С5 = К50-6-16В-500мкФ;

16. Уточнение значения коэффициента усиления для выходного каскада

Реальное значение коэффициента усиления для выходного каскада в Isis Proteus

R8	10 кОм
R9	9 кОм
R3	200 Ом
R10	200 Ом
С4	200 мкФ
С5	500 мкФ

3.2 Расчет промежуточного каскада с общим эмиттером

1. Расчет активной мощности нагрузки.

Амплитуда тока нагрузки .

Эффективный ток нагрузки .

Активная мощность нагрузки .

2. Расчет эквивалентного сопротивления нагрузки на переменном токе

При выборе емкости конденсатора в соответствии с п. 15 раздела 3.1 сопротивление нагрузки на переменном токе соответствует параллельному соединению входного сопротивления эмиттерного повторителя и коллекторного сопротивления транзистора VT2 (рис. 3.1)

3. Расчет тока коллектора транзистора VT2

Если ток эмиттера в режиме покоя не задан, в схеме с общим эмиттером выбирают =.

4. Расчет сопротивления в коллекторной цепи транзистора VT2 и его мощности.

Для симметричного усиления сигнала потенциал коллектора в режиме покоя выбирается из условия:

.

Расчет сопротивления в цепи коллектора и рассеиваемой мощности .

;

.

Выбираем по справочнику: R6 = ОМЛТ - 0,125-4,7 кОм±5%.

5. Расчет сопротивления для температурной стабилизации режима.

Сопротивление в цепи эмиттера транзистора VT2 обеспечивает достаточную для практики температурную стабилизацию режима по постоянному току при условии: падение напряжения на сопротивлении , созданное током покоя . Таким образом, при заданном значении тока эмиттера требуемое значение сопротивления определяется по закону Ома: .

Мощность, рассеиваемая на эмиттерном резисторе :

Выбираем по справочнику: R7 = ОМЛТ - 0,125-1 кОм±5%.

6. Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора VT2.

Резистивный делитель , формирует потенциал базы относительно земли. Уровень этого потенциала не должен зависеть от тока эмиттера – ток делителя должен превышать ток базы в режиме максимального сигнала .

Поскольку ток эмиттера , ток делителя через резисторы , выбирают из условия

Таким образом, при стабильном напряжении питания и прецизионных резисторах потенциал базы .

7. Расчет потенциала базы .

Из второго закона Кирхгофа:

.

8. Расчет резисторов базового делителя.

Резисторы и (рис 3.1) рассчитываются по закону Ома:

;

9. Расчет мощностей и , рассеиваемых на сопротивлениях и соответственно

;

.

Выбираем по справочнику: R5 = ОМЛТ - 0,125-1 кОм±5%.

Выбираем по справочнику: R4 = ОМЛТ - 0,125-6 кОм±5%

10. Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя переменному току.

При большой емкости конденсатора фильтра в блоке электропитания (на электрических схемах конденсатор не показан) резисторы и по переменному току соединены параллельно:

=

11. Расчет входного сопротивления транзистора VT2 со стороны базы

= (1 + 40)

12. Расчет входного сопротивления промежуточного каскада

=

13. Расчет емкости разделительного конденсатора на входе промежуточного каскада.

=

Для устранения частотных искажений усиливаемого сигнала рассчитанные значения емкости увеличивается в 10-100 раз.

Выбираем по справочнику: С2 = К50-6-10В-50нФ

14. Расчет коэффициента усиления промежуточного каскада.

Для требуемого значения коэффициента усиления промежуточного каскада, известного из предварительного расчета, определяется емкость шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера транзистора VT2 (рис.4).

.= 1,15 мкФ

Для обеспечения запаса по коэффициенту усиления расчетное значение емкости округляется (в большую сторону) до гостовского значения.

Выбираем по справочнику: С3 = К50-6-10В-20 мкФ

Реальное значение коэффициента усиления для среднего каскада в Isis Proteus

R6	4,7 кОм
R7	1 кОм
R5	1 кОм
R4	5 кОм
С2	500 нФ
С3	200 мкФ

3.3 Расчет входного каскада с общим коллектором

1. Расчет амплитуды тока нагрузки:

2. Расчет эффективного значения тока нагрузки: = 0,00008/= 0,000057 А

3. Расчет активной мощности на нагрузке: = (0,000057² = 0,00000658919 Вт = 6,6 мкВт

4. Выбор тока эмиттера покоя: = 2= 0,000114А.

5. Расчет сопротивления в цепи эмиттера и его мощности .

Для обеспечения полного симметричного размаха выходного сигнала на нагрузке без искажения его формы потенциал эмиттера в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала) выбирают из условия:

= = 6,75 В;

6. Расчет мощности эмиттерного резистора :=

Выбираем по справочнику: R3 = ОМЛТ - 0,125-412 Ом±1%.

7. Расчет эквивалентного сопротивления нагрузки :

=

8. Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы :

= Ом = 22140 Ом

9. Расчет потенциала базы в режиме покоя :

=

10. Расчет тока базы в режиме покоя :

= 0,0084/(40 + 1) = 0,0002 А

11. Расчет резисторов делителя напряжения в цепи базы транзистора.

Делитель напряжения , формирующий потенциал базы покоя , не должен шунтировать входное сопротивление транзистора .

Расчет резисторов делителя (рис. 3.1) проводится в следующей последовательности:

· выбор резистора из условия =

· расчет тока покоя через резистор = 7,45 /4728 = 0,0016 А

· расчет тока покоя через резистор

· расчет резистора по законам Ома и Кирхгофа = (13,5 –7,45)/0,0018 = 3361 Ом

12. Расчет мощности резисторов базового делителя

=

=

Выбираем по справочнику: R2 = ОМЛТ - 0,125-560кОм±5%.

Выбираем по справочнику: R1 = ОМЛТ - 0,125-3,5кОм±5%.

13. Расчет эквивалентного сопротивления делителя переменному току сигнала

=

14. Расчет входного сопротивления выходного эмиттерного повторителя :

=

15. Расчет емкости разделительного конденсатора

=

Для устранения частотных искажений усиливаемого сигнала рассчитанные значения емкостей увеличиваются в 10-100 раз.

Выбираем по справочнику: С1 = К50-6-10В-16 нФ

Реальное значение коэффициента усиления для выходного каскада в Isis Proteus

R3	416 Ом
R2	560 кОм
R1	3,5 кОм
С1	160 нФ

Рис.3.2 – Трехкаскадный УМ по структуре ОК – ОЭ – ОК, спроектированный в Proteus c учетом расчитанных параметров

3.4 Расчет параметров входного сигнала

1. Расчет номинальной амплитуды входного напряжения

= 0,2/40 = 5 мВ

2. Расчет номинальной амплитуды входного тока

= 5 мВ/5,3 кОм = 0,94 мкА

3. Расчет коэффициента усиления по току усилителя мощности

= 10 мА/0,94 мкА = 10,610³

4. Расчет коэффициента усиления по мощности усилителя мощности

=

4.РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Рис.4.1 – Схема источника электропитания

4.1 Расчет мощного КСН с малыми пульсациями

Исходные данные:

Напряжение на нагрузке: U _н = 12,5 В;

Ток нагрузки: I _н = + + = 10+ + = 20,87 мА;

Где:

= I_R1 + I_кVT1 = I_R1 + (I_эVT1 - I_бVT1) = + ( - 0,0002) = 10 мА – ток, питающий входной усилительный каскад с эмиттерным повторителем.

= I_R1 + I_Rк = + = 2,07 мА – ток, питающий промежуточный усилительный каскад с общим эмиттером

= I_R1 + I_кVT3 = I_R1 + (I_эVT3 - I_бVT3) = 0,0006+ (14,2 мА - 195 мкА) =

= 8,8 мА – ток, питающий выходной усилительный каскад с эмиттерным

Диапазон регулирования: D_р = 36 %.

Заданные технические характеристики обеспечивает стабилизатор с высоким коэффициентом стабилизации. Выбираем интегральный ОУ с малым температурным коэффициентом напряжения смещения (например, К140УД14А).

Расчет стабилизатора ведется в следующей последовательности.

1) Определение мощности нагрузки Р_н.

Р_н= U _н^. I _н= 12,5^.20,87 = 260,9 мВт.

2) Определение номинальной мощности стабилизатора Р₀.

Р₀ > К_з^. Р_н,

где К_з =(1,5...3) – коэффициент запаса мощности.

Принимаем К_з=2,5; Р₀=2,5^.260,9 =652,25 мВт.

3) Выбираем Е_нест=(1,5... 3)U_н. Принимаем Е_нест=2^.Uн=2^.12,5=25 В.

4) Определяем минимальное U_min и максимальное U_max напряжения на выходе стабилизатора

U_min = U_н - DU;

U_max = U_н + DU,

Здесь DU = D_p^. U_н/100; DU = 50^.5/100 = 2,5 В;

Где D_p = 0,36 - Диапазон регулирования стабилизированного напряжения, , %

U_min = U_н – (U_н* D_p) = 12,5В – (12,5 В*0,36) = 8 В

U_max = U_н + (U_н* D_p) = 12,5В + (12,5 В*0,36) = 17 В

5) Исходя из величины U_min = 8 В параметрический стабилизатор опорного напряжения реализуем на кремниевых стабилитронах КС433А. Эти стабилитроны включаем через ограничивающий резистор в прямом направлении, обеспечивающий необходимый ток стабилизации стабилитрона. Выбранный стабилитрон имеет напряжение стабилизации U_ст = 3,3 В при токе стабилизации I_ст = (3...229) мA. Для обеспечения минимального значения выходного напряжения U_min = 8 В в параметрическом стабилизаторе используем два последовательно соединенных стабилитрона. В этом случае опорное напряжение U₀=2^. U_ст = 2^. 3,3 = 6,6 В < U_min.

6) Выбираем ток стабилизации стабилитронов I_ст.=10 мA. Поскольку стабилитроны питаются выходным напряжением U_н, резистор R4 должен обеспечить напряжение U₀ при U_н=U_min= 8 В.

Поэтому величину резистора R4 определяем из выражения:

R4 = (U_min-U₀)/I_ст=8-6,6/10^.10^-3 = 140 Ом

Выбираем по справочнику: R4 =150 Ом.

7) Определяем максимальный ток стабилизации стабилитрона I_ст1 при U_н=U_max.

I_ст1=U_max/R4=17/150 = 113 мА<I _ст.max.

8) Определяем мощность P4 резистора R4

R4= (I_ст1)^2.R4=10^2.10^{-6 .}150= 15 мВт.

Выбираем по справочнику: R4 = ОМЛТ-0,125-150±5%.

9) Задаваясь током отрицательной обратной связи I_ос, равным 0,1 мA, определяем суммарное сопротивление обратной связи R_oc = (R₁ +R₂ +R₃)

R_oc =U_max/ I_ос=17/10^-4=170 кОм.

10) Определим минимальный К_min и максимальный К_max коэффициенты усиления ОУ, обеспечивающие выходное напряжение U_min и U_max соответственно

К_min.=U_min/U₀=8/6,6=1,2;

К_max.=U_max/U₀=17/6,6=2,6.

11) Определяем соотношение резисторов R₁, R₂, R₃ , от которых зависят полученные коэффициенты усиления К_min. и К_max.

K_min=1+R1/(R2+R3) - верхнее положение движка резистора R2;

К_max.=1+(R1+R2)/R3 - нижнее положение движка резистора R2.

Из этих уравнений находим:

(К_min-1)=R1/(R2+R3)=1,2-1=0,2;

(К_max-1)=(R1+R2)/R3=2,6-1=1,6.

Составляем систему уравнений:

R1/(R2+R3) = (К_min-1);

(R1+R2)/R3= (К_max-1);

(R₁ +R₂ +R₃)= R_oc.

Решая данную систему уравнений, получаем :

R1=R_oc[(K_min-1)/K_min];

R2=R_oc{[(K_max-1)/K_max]-[(K_min-1)/K_min]};

R3=R_oc[1-(K_max-1)/K_max];

R1=170(0,2/1,2)= 28,3 кOм;

R2=170 (1,6/2,6)-( 0,2/1,2)=75,7кОм;

R3=170 [1-(1,6/2,6)]=65,4 кОм.

Значения резисторов R₁, R₂, R₃, выбираем по справочнику:

R1 = 30 кОм R2 = 75 кОм, R3 = 68 кОм.

Определяем мощности резисторов R1, R2, R3:

P₁= I²_oc * R₁= (0,1*10^-3)²*30*10³= 300 мкВт;

P₂= I²_oc * R₂= (0,1*10^-3)²*75*10³= 750 мкВт;

P₃= I²_oc * R₃= (0,1*10^-3)²*68*10³= 680 мкВт.

Тип резисторов выбираем по справочнику:

R1- ОМЛТ - 0,125 - 30кОм ± 5 %;

R2- СПЗ-9а - 0,5 - 75кОм± 5 %;

R3- ОМЛТ - 0,125 - 68кОм ± 5 %.

12) Выбираем тип выходного транзистора VТ1.

В режиме холостого хода на выходе стабилизатора ток через резистор R5 соответствует обратному эмиттерному току I_эо транзистора VТ1. Последний должен обеспечить номинальный ток нагрузки I_н. При большом значении коэффициента усиления тока базы (b_трEE1) коллекторный ток I_ко практически равен току эмиттера I_эо.

Определяем требуемый коэффициент передачи тока выходного транзистора b_тр определяется отношением:

b_тр= I_н*К_з/ I^оу_вых,

где:

I^оу_вых = (3...5) мA - выходной ток ОУ;

К_з = (1,5…3) – коэффициент запаса по току

Полагая I^оу_вых = 3 мA , и К_з = 2,5; получаем: b_тр=20,87 *2,5/ 3 = 17,4.

Для обеспечения полученного значения b₀ в качестве выходного транзистора VT1 используем составной транзистор КТ815А, который имеет следующие характеристики:

I_ко = 50 мкA; b₀=10 - 30.

13) Определяем величину резистора R5.

R5=U_max/ I_ко=17 В/50^.10^-6 = 340 кОм.

Определяем мощность резистора R5:

P₅= I²_ко * R₅= (50*10^-6)²*340*10³= 1700 мкВт.

Тип резистора выбираем по справочнику:

R5- ОМЛТ - 0,125 – 360 кОм ± 5 %;

14) Определяем величины конденсаторов С1, С2:

Конденсатор С1 является элементом емкостного фильтра источника питания Е_нест. Его величина определяется по номограммам.

Для заданного тока нагрузки I_н = 21 мА принимаем С1=200 мкФ.

Выбираем по справочнику: С1-К56-200мкФ х50В10%.

Величина конденсатора С2 определяется из условия: R_oc^.C21/f_п, где f_п- частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Если напряжение Е_нест формируется на выходе двухполупериодной схемы выпрямления, либо диодного моста, то частота пульсаций f_п в два раза превышает частоту питающей сети f_c (f_п=2f_c).

В этом случае имеем:

С21/2f_cR_oc; 1/2f_cR_oc=1/100^.170^.10³=0,17 мкФ.

Принимаем С2=0,2 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-5 - 0,2х25В10%.

В случае однополупериодной схемы: f_п=f_c; С21/f_cR_oc.

Принимаем 1/f_cR_oc=1/50^.170^.10³=0,34 мкФ. Выбираем С2=0,33 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-6 - 0,33х25В10%.

R1	30 кОм
R2	75 кОм
R3	68 кОм
R4	140 Ом
R5	360 кОм
C1	200 мкФ
C2	0,2 мкФ

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения:

Расчет реального коэффициента усиления транзисторного усилителя:

Рис.4.2 – Общая схема усилителя с источником электропитания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализирована схема усилительного устройства, результаты которого показали, что эта схема имеет типовую структуру, состоит из стандартных каскадов, в каждом их которых используются транзисторы p-n-p типа. Как и входной, выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, промежуточный имеет схему с общим эмиттером.

Применительно к исходным данным, используя предложенные формулы, приведен расчет значений каждого элемента усилительного устройства. Были выбраны значения резисторов и конденсаторов в соответствии со стандартом спецификаций, которые были использованы в процессе моделирования.

Используя профессиональную программу ISIS PROTEUS 8.1, была смоделирована схема трехкаскадного усилителя. Результаты моделирования указали на работоспособность данной схемы, а измерительные приборы, которые были использованы в процессе моделирования, показали правильность выбора режимов работы активных элементов. По амплитудам входных и выходных напряжений был определен коэффициент усиления смоделированного устройства, который по своим значениям близок к заданному значению.