Расчет оконечного каскада

ВАРИАНТЫЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

 

(№ варианта соответствует порядковому номеру студента в учебном журнале на момент времени получения задания)

 

			Нижняя граничная частота, fн,Гц.	Верхняя граничная частота, fв,кГц
№ варианта	Uвх,10-3В	Rвх,103Ом,не менее	Rн, Ом	Рн, ВА	Uн, В	Режим работы транзисторов ОК УМ
								АВ
								АВ
								АВ
								АВ
								АВ
								В
								В
								AB
						0,8		AB
								АВ
				10,5			9,5	АВ
				11,5				В
				12,5				АВ
				13,5			8,5	В
				14,5				АВ
				15,5				В
				16,5				В
				17,5		2,5		AB
								AB
				9.5				АВ
								AB
				8,5				АВ
								АВ
								АВ
								В
							9,5	АВ
								АВ
								АВ
								AB
				8,5				В

 

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Исходные данные:

Входное сопротивление: R_вх = 10 кОм;

Коэффициент усиления по напряжению: К_uос =10;

Сопротивление нагрузки: R_н = 50 Ом;

Мощность в нагрузке: Р_н = 350 мВт;

Нижняя граничная частота: f_н = 300 Гц;

Верхняя граничная частота: f_в = 3 кГц;

Режим работы оконечных транзисторов: В (АВ).

 

РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

1. Схема электрическая принципиальная двухтактного оконечного каскада усилителя мощности (УМ) представлении на рис. 1.1.

 

а) б)

 

Рис. 1.1. Схема электрическая принципиальная оконечного каскада УМ при работе транзисторов в режимах: а) В; б) АВ

 

2. Определяем величину амплитуд тока и напряжения в нагрузке:

 

I_m = = 0,118А;

 

U_m = = @ 5,92 В.

 

3.Находим величину напряжения источника питания при двухполярном питании выходного каскада:

 

Е¢ = 1,25U_m = 1,25 × 5,95 = 7,4 В.

 

Выбираем ближайшее стандартное значение Е = 9В.

 

4.Определяем максимальное значение мощности, рассеиваемой коллектором транзистора выходного каскада при его работе в режиме В:

 

Р_{к макс} = = 0,165 Вт,

 

где ÷z_н÷ – модуль сопротивления нагрузки; j – угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке (для чисто активной нагрузки j = 0⁰).

(Максимальное значение мощности, рассеиваемой коллектором транзистора выходного каскада при его работе в режиме А-В определяем из выражения:

Р_{к макс} = I_к0 ∙E + ,

где I_к0= 0,1I_m выбранное значение тока покоя транзисторов выходного каскада.

 

Р_{к макс} =0,118∙ 0,1 ∙ 9 + 9² /(3,14² ∙ 50 ∙cos0^o) = 0,272 Вт.)

 

5. Определяем требования, предъявляемые к транзисторам выходного каскада по току, напряжению, рассеиваемой мощности и частотным свойствам:

 

I_{к доп} ³ 1,25I_m = 1,25 × 0,118 = 0,15 А;

 

U_{кэ доп} ³ 2,15Е = 2,15 × 9 = 19,35 В;

 

Р_{к доп} ³ 1,2 Р_{к макс} = 1,2 × 0,165 = 0,198 Вт

 

при работе транзисторов выходного каскада в режиме В,

 

Р_{к доп} ³ 1,2 Р_{к макс} = 1,2 × 0,272 = 0,326 Вт

 

при работе транзисторов выходного каскада в режиме АВ,

 

f₁/h_21Э > f_в = 3 × 10³ Гц,

 

где f₁ - частота единичного коэффициента усиления по току транзисторов оконечного каскада, h_21Э - статический коэффициент передачи транзистора по току.

Выбираем комплементарную пару транзисторов КТ503Б и КТ502Б: КТ503Б – тип n-p-n, Р_{к доп} = 350 мВт, U_{кэ доп} = 40 В, I_{к доп} = 150 мА, h_21э = 80…240, f₁ = 5 МГц; КТ502Б – тип р-n-p, Р_{к доп} = 350 мВт, U_{кэ доп} = 40 В, I_{к доп} = 150 мА, h_21э = 80…240, f₁ = 5 МГц.

6. Для проверки полученных значений параметров выходного каскада производим построение нагрузочной прямой и кусочно-линейной аппроксимации выходных ВАХ транзистора КТ503Б. Из паспортных данных находим – напряжение насыщения U_{кэ нас} = 0,2 В (типовое) при I_кнас = 10 мА и I_бнас = 1 мА.

Определяем крутизну линии критического режима:

 

.

 

Определяем величину амплитуды тока базы, соответствующую максимальному значению амплитуды тока нагрузки:

 

.

 

Определяем значение тока коллектора для построения нагрузочной прямой:

 

.

 

Находим координаты точки для построения линии критического режима. Для этого полагаем I^*_{к нас} = 0,2А, тогда:

 

U^*_{кэ нас} = I^*_{к нас} /S_кр = 0,2 / 0,05 =4 В.

 

По найденным точкам производим построение линий критического режима и нагрузочной примой. Результаты построения показаны на рис.1.2.

По результатам построения из рис.2.2. определяем максимальное значение тока коллектора I_{к макс} = 0,128А и минимальное значение напряжения U_{кэ мин} = 2,6 В.

Определяем максимальное значение тока базы:

 

I_{б макс} = I_{к макс} / h_{21э мин} = 0,128 / 80 = 0,0016 А = 1,6 мА.

 

 

 

Рис. 1.2. Нагрузочная прямая и линейно-кусочная аппроксимация выходной ВАХ транзистора КТ503Б

 

7. Построение входной и проходной ВАХ

Учитывая, что , где I_s0 – обратный ток коллектора (для КТ503 - I_s0 ≤ 1 мкА), φ_Т – термодинамический потенциал (для нормальных условий φ_Т = 26 мВ), получим, что для I_{к макс} = 0,128 А значение U_{бэ макс} = 0,305 В.

Находим значение тока I_к0, соответствующее точке покоя:

 

I_{к макс}/15 ≤ I_к0 ≤ 0,9(I_{к макс} – I_m);

 

0,128/15 ≤ I_к0 ≤ 0,9(0,128 – 0,118);

 

0,0085 ≤ I_к0 ≤ 0,009.

 

Выбираем I_к0 = 0,009 А и вычисляем соответствующее ему значение U_бэ0 = 0,237 В.

Находим приращение напряжения на базе DU_бэm, соответствующее максимальному значению тока базы:

 

DU_{бэ max} = U_{бэ max} - U_бэ0 = 0,305 – 0,237 = 0,068 В.

 

Находим значение тока I_б0, соответствующее точке покоя:

 

I_б0 = I_к0/ h_{21э мин} = 9 / 80 = 0,11 мА.

 

Линейно-кусочная аппроксимация входной и проходной ВАХ для транзистора КТ503Б, построенная по найденным значениям характерных точек, представлена на рис.1.3.

 

 

Рис. 1.3. Линейно-кусочная аппроксимация входной и проходной ВАХ транзистора КТ503Б

 

8. На основе полученных данных определяем амплитуду напряжения на входе оконечного каскада:

 

U_вх.ок = U_m + DU_{бэ max} = 5,92 + 0,068 = 5,988 В,

 

и максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку:

 

= 0,41 Вт.

 

Проверяем выполнение условий:

 

I_{к макс} < I_{к макс доп}; 0,128 А < 0,150 А;

 

P_н ≤ P_{н макс}; 0,35 Вт ≤ 0,4 Вт.

 

Таким образом, выбранный режим работы выходного каскада обеспечивает заданное значение мощности в нагрузке. Максимальное значение тока коллектора транзистора не превышает допустимого значения, т.е. транзисторы и режим их работы выбраны верно.

9. Находим номиналы резисторов делителя напряжения:

 

R1 = R4 = (E - U_бэ0)/10I_б0 = (9 – 0,237)/(10∙0,11∙10^-3) = 7,9∙10³ Ом;

 

R2 = R3 = U_бэ0/9I_б0 = 0,237/(9∙0,11∙10^-3) = 239 Ом.

 

Из стандартного 5% ряда номиналов резисторов выбираем резисторы R1 = R4 = 8,2 кОм, R2 = R3 = 240 Ом.

11. Определяем максимальные значения мощностей рассеивания резисторов R1,R2,R3 и R4:

 

P_R1 = P_R4 = (E - U_бэ0)∙10I_б0 = (9 – 0,237)∙10∙0,11∙10^-3 = 9,6∙10^-3 Вт;

 

P_R2 = U_бэ0∙9I_б0 = 0,237∙9∙0,11∙10^-3 = 0,2∙10^-3 Вт.

 

11. Выбираем типы резисторов и конденсаторов, входящих в состав схемы:

- R1 - С2-1-0,125-8,2 кОм±5%;

- R2 - С2-1-0,125-240 кОм±5%;

- R3 - С2-1-0,125-240 кОм±5%;

- R4 - С2-1-0,125-8,2 кОм±5%.

10. Определяем сопротивление делителя R1…R4, приведенное ко входу оконечного каскада:

 

R_д ≈ R1 ∙ R4/(R1 + R4) = 8,2∙10³∙8,2∙10³/(8,2∙10³ + 8,2∙10³) = 4,1∙10³ Ом.

 

11. Определяем входное сопротивление оконечного каскада:

- в режиме В

 

R_{вх ок В} ≈ R_н(h_{21э мин} + 1) = 50(80 + 1) = 4050 Ом.

 

Исходя из полученного значения R_вх, в предварительном усилителе можно использовать операционные усилители с допустимой величиной сопротивления нагрузки R_{н min} £ 4, 05 кОм.

 

- в режиме А-В

 

R_{вх ок АВ} ≈ R_{вх ок В} ∙ R_д/(R_{вхОК В} + R_д) =

 

= 4,05∙10³∙4,1∙10³/(4,05∙10³ + 4,1∙10³) = 2,04∙10³ Ом.

 

Исходя из полученного значения R_вх, в предварительном усилителе можно использовать операционные усилители с допустимой величиной сопротивления нагрузки R_{н min} £ 2, 04 кОм.