Введение. 1. Турута Е.Ф. Усилители мощности низкой частоты – интегральные микросхемы: справочник

1. Турута Е.Ф. Усилители мощности низкой частоты – интегральные микросхемы: справочник. – М.: Патриот, 1997. – 192 с.

2. http://www.vikipedia.org.

3. Чижма С.Н. Основы схемотехники: Учебное пособие для вузов. – Омск: Издательство «Апельсин», 2008. – 424 с.: ил.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – Москва: «Горячая линия – Телеком», 2000. – 768 с.

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Национальный Авиационный Университет

Курсовая работа

с дисциплины « Аналоговая и цифровая схемотехника »

«Расчет выходного каскада усилителя и предварительного усилителя»

Выполнила:

Студентка ИАСУ

Группы

Терещенко А.С.

Проверил:

Киев 2012

Содержание

Введение. 3

Расчет выходного каскада усилителя. 5

Расчет предварительного усилителя. 14

Вывод. 21

Список литературы.. 22

Введение

Выходной каскад усилителя предназначен для отдачи заданной величины мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. По сравнению с каскадами предварительного усиления выходные каскады имеют ряд особенностей.

Обычно предварительные каскады усиления выполняются на маломощных транзисторах и потребляют от источников питания незначительную мощность. Амплитуда входного сигнала в этих усилителях в большинстве случаев невелика, и рабочий участок характеристики транзистора можно считать линейным. При расчетах каскадов предварительного усиления его КПД не рассматривают, а нелинейные искажения сигнала считают ничтожно малыми.

Поскольку выходные каскады потребляют от источников питания большую мощность, то их КПД должен быть достаточно высоким. Для выделения в нагрузке заданной мощности на вход усилителя мощности подается большая амплитуда сигнала, захватывающая значительную область характеристики транзистора. Поэтому увеличение мощности, развиваемое транзистором в нагрузке, сопровождается возрастанием нелинейных искажений.

Величина максимальной неискаженной мощности и КПД оконечного каскада зависят от типа транзистора, режима работы и схемы каскада. При небольшой выходной мощности (до 250 мВт) в каскадах мощного усиления применяют те же транзисторы, что и в предварительных каскадах. Для получения мощности в единицы и десятки ватт используются специальные мощные транзисторы.

Учитывая то, что сопротивление нагрузки усилителей мощности имеет малую величину, то в оконечных каскадах необходимо использовать транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (эмиттерные повторители). При данном включении транзистор обладает минимальным выходным сопротивлением. На рис.1 изображен усилитель мощности на транзисторах с разной проводимостью. Данный усилитель представляет объединение двух эмиттерных повторителей, собранных на транзисторах с противоположной проводимостью и работающих на общую нагрузку R_Н (см. рис.1-а и рис.1-б). При подаче на вход положительной полуволны сигнала происходит отпирание транзистора n-p-n и через нагрузку R_Н протекает ток I₁. При подаче на вход отрицательной полуволны сигнала происходит отпирание транзистора p-n-p и через нагрузку R_Н протекает ток I₂. Однако у схемы, изображенной на рис.1-б имеется серьезный недостаток – это использование двух источников питания Е_К1 и Е_К2.

На рис.1-в изображена схема усилителя, в которой используется только один источник питания. В указанной схеме нагрузка R_Н соединена с эмиттерами транзисторов через конденсатор. При подаче на вход положительной полуволны сигнала происходит отпирание транзистора n-p-n и через нагрузку R_Н протекает ток заряда конденсатора I₁. При подаче на вход отрицательной полуволны сигнала происходит отпирание транзистора p-n-p, конденсатор разряжается, и через нагрузку R_Н протекает ток I₂.

Рис. 1 Усилитель мощности на транзисторах с разной проводимостью

Для симметрии положительной и отрицательной полуволн сигнала транзисторы n-p-n и p-n-p должны иметь одинаковые параметры и характеристики. Специально для применения в указанной схеме выпускаются комплементарные пары транзисторов разной проводимости (КТ815 - n-p-n, КТ814 - p-n-p и другие). Учитывая эту особенность схемы, расчет ее производится только для одного плеча. Для построения нагрузочной прямой величина сопротивления нагрузки принимается равной R_Н, а напряжение питания принимается равным Е_К1=Е_К2 для схемы рис. 1-б и Е_К/2 для схемы рис. 1-в.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Сопротивление нагрузки R_Н=1,5 Ом;

Выходная мощность, не менее Р_вых=2Вт;

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)

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.

Амплитуда входного напряжения – U_вх=0.1В

Входное сопротивление, не менее 100кОм.

Указанные параметры может обеспечить бестрансформаторный двухтактный комплементарный усилитель. Схема его изображена на рис.2

Рис.2 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 КТ819 (n-p-n), а VT3 – типа КТ818 (p-n-p), у которых

;

;

;

На семействе выходных характеристик транзистора КТ817 строим нагрузочную прямую (рис.3). Для этого на оси абсцисс откладываем точку со

Рис.3 Характеристики для расчета оконечного усилителя

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:

;

;

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 КТ817Б и КТ816Б, равного 3А.

Мощность рассеивания на коллекторе каждого из транзисторов равна:

что значительно ниже предельно-допустимой мощности указанных транзисторов – 25Вт.

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 2400мкФ 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 КТ817Б и КТ816Б.

Определимвходной 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 КТ603. На выходной характеристике (рис.4) строим нагрузочную прямую. Для этого на оси абсцисс

Рис.4 Характеристики для расчета эмиттерного повторителя

Откладываем точку 1 со значением . Затем определяем режим транзистора в точке покоя. Напряжение на транзисторе в точке покоя будет равно:

;

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 КТ603. 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 напряжению входа оконечного каскада .

Постоянное напряжение смещения на базе VT1 равно сумме

;

Входное сопротивлениеэмиттерного повторителя равно:

;