Расчет выходного каскада усилителя

Введение

Электронные усилители - это устройства, которые увеличивают мощность электрических сигналов за счет потребления энергии постоянного тока.

Они являются одними из основных структурных элементов аппаратуры в области радиотехники, электроавтоматики, телемеханики, радиолокации и др.. Сигналы, получаемые от микрофонов, датчиков и других источников входного сигнала, обычно маломощные (от 1 до 100 мВ). Усилители должны увеличить эту мощность до значения (нескольких вольт), удобного для применения.

В усилителях используют способность активных электронных элементов (транзисторов, ламп и др.). К усилению.

При подаче на вход усилителя слабых сигналов Uвх в выходной цепи проходят токи, создающие на сопротивлении нагрузки перепад напряжения Uвых> Uвх Мощность выходного сигнала возрастает по сравнению с мощностью входного сигнала.

В зависимости от характера сигналов различают разные виды усилителей: постоянный ток и ток с небольшими пульсациями (f <20 Гц) усиливаются усилителями постоянного тока (ВПТ). Низкочастотные (звуковые) сигналы (f = 20 Гц - 20 кГц) усиливаются низкочастотными усилителями (УНЧ). Для f> 100 кГц используют усилители высокочастотные УВЧ. Бывают усилители аналоговых, (рис. 114, а), импульсных (рис. 114,6) сигналов и др..

Ко всем видам усилителей предъявляют следующие основные требования: выходная мощность должна быть больше входного; входной и выходной сигналы должны иметь подобную форму, то есть осциллограммы сигналов должны отличаться только амплитудой, коэффициент Д усиления не должен зависеть от частоты и амплитуды входного сигнала.

В данном курсовом проекте приведена методика расчета усилителя мощности на транзисторах разной проводимости и микросхеме операционного усилителя.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Сопротивление нагрузки R_Н=6 Ом;

Выходная мощность, не менее Р_вых=0.5 Вт;

Напряжение питания Е_К=12В;

Диапазон частот f_Н - f_В – 100 – 3000Гц;

Коэффициент частотных искажений М_Н=М_В=4дБ.

(коэффициент частотных искажений показывает, во сколько раз или насколько децибел уменьшается усиление на верхней и нижней частоте)

Амплитуда входного напряжения U_вх=0,1В;

Входное сопротивление, не менее R_вх=100кОм;

Перевод значений частотных искажений из децибел в разы произвести по следующему алгоритму:

; ;

;

Для нахождения указанного значения М_РАЗ необходимо на калькуляторе компьютера нажать: 10, и 0,2. Для обратного перехода необходимо пользоваться функцией log калькулятора.

Указанные параметры может обеспечить бестрансформаторный двухтактный комплементарный усилитель. Схема его изображена на рис.1.

Рис.1 Схема бестрансформаторного двухтактного комплементарного усилителя

РАСЧЕТ

Максимальные значения выходной мощности, амплитуды выходного напряжения и тока потребления не могут быть больше следующих величин:

; ; ;

; ; ;

Типы выходных транзисторов подбираем из следующих условий:

Мощность рассеивания ;

Максимально-допустимый ток коллектора ;

Максимально-допустимое напряжение между коллектором и эмиттером ;

Выбираем комплементарную пару транзисторов VT2 – типа КТ819Б (n-p-n), а VT3 – типа КТ818Б (p-n-p), у которых

;

;

;

На семействе выходных характеристик транзистора КТ819Б строим нагрузочную прямую (рис.2). Для этого на оси абсцисс откладываем точку со значением, равным . На оси ординат откладываем значение тока . Соединим эти точки прямой. Это и будет нагрузочная прямая.

Выбираем на нагрузочной прямой точку 0 (точка покоя). Ток покоя в этой

точке составит , а напряжение .

Выбираем на нагрузочной характеристике точку 1 – точку максимального тока. Максимальный ток в ней будет соответствовать , а напряжение . Определим амплитуду напряжения и тока выходного сигнала:

;

;

Рис.2 Характеристики для расчета оконечного усилителя

Определим максимальную выходную мощность каскада:

;

Для получения требуемого значения достаточно иметь амплитуду напряжения выходного сигнала (). Примем для дальнейшего расчета .

Постоянная составляющая коллекторного тока при максимальной выходной мощности каскада:

Это значение ниже максимально-допустимого тока коллектора транзисторов КТ819Б и КТ818Б, равного 10А.

Мощность рассеивания на коллекторе каждого из транзисторов равна:

что значительно ниже предельно-допустимой мощности указанных транзисторов – 20Вт.

Емкость разделительного конденсатора С1 выбираем из условия:

;

где С1 – в мкФ;

- нижняя частота рабочего диапазона в Гц;

- сопротивление нагрузки в Ом.

;

Выбираем электролитический конденсатор емкостью 1000мкФ на рабочее напряжение 16В.

Ввиду того, что емкостное сопротивление конденсатора растет при понижении частоты, то на нижней частоте уменьшается выходная мощность на сопротивлении нагрузки. Поэтому необходимо рассчитать коэффициент частотных искажений М_Н на нижней частоте воспроизводимого диапазона.

;

где ;

- в Гц, - в Ом, - в мкФ.

;

;

Коэффициент частотных искажений на верхней частоте, вносимый транзисторами VT2 и VT3 оконечного усилителя, равен

;

где - верхняя частота диапазона частот усилителя;

- предельная частота работы транзисторов КТ817 и КТ816.

Определим входной сигнал, подаваемый на базы транзисторов VT2 и VT3 оконечного усилителя. Для этого на нагрузочной прямой определим токи базы в точке 0 () и в точке 1 ().

, ;

Отложим эти значения по оси ординат входной характеристики транзисторов и определим соответствующие значения и .

, ;

Т. к. в цепи эмиттера транзисторов VT2 и VT3 оконечного каскада действует выходной сигнал с амплитудой , который одновременно является напряжением отрицательной обратной связи, то на вход необходимо подать уровень, равный

;

Рассчитаем значения постоянных напряжений на электродах транзисторов VT2 и VT3. На эмиттерах постоянное напряжение в состоянии покоя должно удовлетворять следующим условиям:

и ;

Примем .

Рассчитаем постоянные напряжения на базах. Напряжение на базе VT2 будет равно:

;

Напряжение на базе VT3 будет равно:

;

Для нормальной работы транзистора VT3 постоянное напряжение смещения на базе должно быть больше амплитуды входного напряжения . Указанное условие выполняется ().

Входной ток оконечного каскада будет равен максимальному току базы транзисторов VT2 и VT3, т. е . Т. к. в каскадах предварительного усиления будет использован операционный усилитель, у которого выходной ток составляет единицы миллиампер, то необходимо применить дополнительный усилитель тока – эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT1.

Постоянный ток в рабочей точке эмиттерного повторителя, работающего в классе А, должен быть не менее величины входного тока оконечного каскада. Примем значение постоянного тока транзистора VT1 .

Зная напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3, а также значение тока рассчитаем величину резисторов R1 и R2:

;

.

Примем в качестве R2 стандартный номинал 100 Ом.

В качестве транзистора VT1 выбираем транзистор КТ312. На выходной характеристике (рис.3) строим нагрузочную прямую.

Для этого на оси абсцисс откладываем точку 1 со значением . Затем определяем режим транзистора в точке покоя. Напряжение на транзисторе в точке покоя будет равно:

;

Рис.3 Характеристики транзисторов КТ312 (n-p-n)

Ток в точке покоя как уже было принято . Откладываем точку 0 с указанными выше координатами на выходной характеристике. Через точки 0 и 1 проводим нагрузочную прямую. Откладываем в обе стороны на оси абсцисс от точки значение входного напряжения . Определим рабочую зону характеристики (промежуток между точками 2 и 3). В точках 0, 2 и 3 определим значения тока базы транзистора VT1:

;

;

;

Указанные значения откладываем на оси ординат входной характеристики транзистора КТ603А. По входной характеристике определим значения напряжений между базой и эмиттером:

;

;

;

Определим параметры входного сигнала, подаваемого на базу эмиттерного повторителя VT1:

Входной ток равен ;

Входное напряжение сигнала будет равно сумме и напряжению входа оконечного каскада .

Постоянное напряжение смещения на базе VT1 равно сумме

;

Проверим, что сумма входного напряжения сигнала и постоянного напряжения смещения на базе VT1 не превышает значения напряжения питания:

;

Входное сопротивление эмиттерного повторителя равно:

;

Дата добавления: 2014-12-23