Данные для расчёта усилителя

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭЛЕКТРОНИКИ

 

Методические указания и расчётные задания

для студентов очного и заочного обучения специальности

130400.65 «Горное дело». Специализация подготовки « Электрификация и автоматизация горного производства»

 

 

Екатеринбург

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

 

ОДОБРЕНО

Методической комиссией

горно-механического факультета

«___» ____________ 2015 г.

Председатель комиссии

проф. В.П. Барановский

 

 

А.П. Маругин

 

Физические основы электроники

 

Методические указания

и расчетные задания

по дисциплине «Физические основы электроники»

для студентов очного и заочного обучения

направления подготовки 130400.65 «Горное дело».

Специализация подготовки «Электрификация и автоматизация горного производства»

 

 

Издание УГГУ Екатеринбург,2015

 

 

М25

Маругин А. П. "Физические основы электроники. Методические указания и расчетные задания по дисциплине для студентов направления подготовки 130400.65 «Горное дело». Специализация подготовки «Электрификация и автоматизация горного производства» / А. П. Маругин. Уральский государственный горный университет. Екатеринбург: изд. УГГУ, 2015.-62 с.

Методические указания устанавливают объем и порядок выполнения практических работ. Приведены краткая теория выполняемых практических работ и необходимые графические материалы.

Методические указания рассмотрены на заседании кафедры Электрификации горных предприятий. 2015г. (протокол № 6) и рекомендованы для издания в УГГУ.

 

 

Рецензент: Х.Б.Юнусов, канд. техн. наук, доцент кафедры ЭГП УГГУ.

 

© Маругин А.П., 2015

©Уральский государственный

горный университет, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 1. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ И ОДИНОЧНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ…………………………………………… ………………… 4

1.1 Цель работы………………………………………………………………………..……….. 4

1.2. Содержание расчетного задания…………………………………………………………. 4

1.3. Методические указания по выполнению расчетного задания…………………………....4

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 2. ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.. 12

2.1. Цель работы.. 12

2.2. Содержание расчетного задания. 13

2.3. Методические указания. 13

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 3. РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО ДВУХТАКТНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ. 19

3.1. Цель работы.. 19

3.2. Содержание расчетного задания. 19

3.3. Методические указания. 19

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 4. ИЗУЧЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА С ФАЗОВРАЩАЮЩЕЙ RC -ЦЕПЬЮ.... 26

4.1. Общие сведения и методические указания. 27

4.2. Пример расчета генератора низкой частоты.. 30

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 5. ИЗУЧЕНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ.. 32

5.1. Цель работы.. 32

5.2. Содержание расчетного задания. 32

5.3. Методические указания. 32

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 6. Расчёт стабилизатора напряжения. 41

6.1.Цель работы. 41

6.2. Содержание расчетного задания. 41

6.3. Методические указания. 42

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 7. ИЗУЧЕНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА.. 47

7.1. Цель работы.. 47

7.2. Содержание расчетного задания. 47

7.3. Методические указания. 47

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 8. Изучение цифровых счетчиков импульсов. 54

8.1. Цель работы.. 54

8.2. Содержание расчетного задания. 54

8.3. Методические указания. 54

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …….………………………………………………………62

 

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 1

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ И ОДИНОЧНЫХ

КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

 

1.1 Цель работы

1.1.1. Изучить статические и динамические характеристики биполярных транзисторов в режиме малого сигнала.

1.1.2. Изучить основные характеристики и параметры одиночных каскадов усиления.

 

1.2. Содержание расчетного задания

 

1.2.1. В соответствии с номером варианта определите тип транзистора по табл. 1.1., а из справочников спишите параметры и срисуйте на кальку или распечатайте [Л11] характеристики транзистора.

1.2.2. По заданным характеристикам транзисторов определите коэффициент передачи тока эмиттера, тока базы и h -параметры.

1.2.3. Для заданного транзистора определите увеличение I _кбо при возрастании температуры от комнатной до 70 °С.

1.2.4. Определите входное сопротивление усилительных каскадов по схемам с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) без учета сопротивления делителя напряжения в цепи базы.

1.2.5. Определите выходное сопротивление усилительных каскадов по схемам с ОЭ и ОК.

1.2. 6. Определите значение коэффициентов усиления каскадов с ОЭ по напряжению, току и мощности.

 

1.3. Методические указания по выполнению расчетного задания

Для выполнения расчетного задания необходимо срисовать на кальку семейство входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.1, б и 1.1, в), соответствующего варианту задания, приведенных в справочнике.

Расчет выполняется для режима малого сигнала, не вызывающего искажения усиливаемого сигнала, т.е. режима А усилителя.

При подаче сигнала U _вх на базу транзистора усилителя, с напряжением питания U _кэ2 (рис. 1.1, а) будет изменяться ток базы вверх и вниз от рабочей точки (РТ), которая в статическом режиме работы транзистора располагается обычно на середине линейного участка его входной характеристики (рис. 1.1, б).

Изменение тока базы i _вх вызывает изменение тока коллектора транзистора i _вых, что вызывает изменение падения напряжения на нагрузке

а б

в

Рис.1.1. Динамический режим работы транзистора

а) упрощенная схема усилительного каскада; б) входные характеристики;

в) выходные характеристики.

 

усилительного каскада, т.е. изменение U _вых (рис. 1.1, в), которое больше U _вх на величину коэффициента усиления. Такой режим работы транзистора и усилительного каскада называется динамическим. Если при этом i _вх, i _вых и U _вых не изменяют своей формы, то такой режим работы называется режимом А.

Изучение статических и динамических характеристик биполярного транзистора проведем на примере каскада с ОЭ (рис. 1.1, а) с использованием входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.1, б и 1.1, в) скопированных на кальку или распечатанных из методички [Л10].

Таблица 1.1

Типы транзисторов по вариантам

 

Номер варианта	Тип транзистора	Номер варианта	Тип транзистора
	2Т 306		КТ 371
	КТ 3102		КТ 372
	КТ 3107		КТ 377
	КТ 3108		КТ 378
	КТ 3109		КТ 379
	КТ 312		КТ 380
	КТ 313		КТ 382
	КТ 314		КТ386
	КТ 315		КТ 388
	КТ 316		КТ 397
	КТ 318		КТ 399
	КТ 325		КТ 201
	КТ 326		КТ 203
	КТ 339		КТ 206
	КТ 345		КТ 208
	КТ 347		КТ 209
	КТ 349		КТ 215
	КТ 351		КТ 224
	КТ 352		КТ 317
	КТ 354		КТ 319
	КТ 355		КТС 393
	КТ 360		КТ 324
	КТ 361		КТ 350
	КТ 363		КТ 368
	КТ 364		КТ 337

 

Эквивалентная схема транзистора по постоянному току для активного режима приведена на рис. 1.2.

 

Рис. l.2. Эквивалентная схема транзистора по постоянному току

 

Если транзистор открыт и через него протекает ток I _э, то в цепи коллектора будет протекать несколько меньший ток I _к, поскольку часть инжектированных носителей рекомбинирует в базе.

Соотношение токов в транзисторе имеет вид:

, (1.1)

где - интегральный коэффициент передачи тока эмиттера, связывающий между собой полные токи I _к и I _э; I _кбо - обратный ток коллектора.

Уравнение (1.1) приближенно описывает выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ).

Уравнение для выходных ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить из уравнения (1.1), выполнив подстановку

, (1.2)

С учетом (1.2)

, (1.3)

 

, или (1.4)

где - коэффициент передачи тока базы. В динамическом режиме работы транзистора нагрузочное сопротивление (R _н) может быть активным или комплексным.

При этом падение напряжения на транзисторе U _кэ является функцией тока коллектора

. (1.5.)

 

Ток коллектора при динамическом режиме в свою очередь определяется не только током базы, но зависит и от напряжения U _кэ

. (1.6.)

Для получения данных для расчета U _кэ и I _к на кальке с семейством выходных характеристик транзистора необходимо провести линию нагрузки АВ. Точку В откладывают на оси U _кэ при U _кэ=12 В.

Вторая точка, для проведения линии нагрузки, берется на середине перегиба вольтамперной характеристики с максимальным током базы. Далее линия нагрузки проводится до оси I _к, т.е. до I _к.max. Через значение I _К и U _КЭР определяется R _к. Расчет ведется в основных единицах

. (1.7.)

Транзистор является нелинейным элементом, так как его характеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным напряжением в точке покоя, то в некоторой области статических ВАХ связь между токами и напряжениями можно считать линейной. В этом режиме, называемом режимом малого сигнала, транзистор можно представить в виде четырехполюсника, основные свойства которого соответствуют общей теории электрических цепей. При этом транзистор считается линейным усилительным элементом.

На рис. 1.3 показана схема замещения транзистора для системы h - параметров.

Рис. 1.3. Схема замещения транзистора для системы h - параметров

 

, (1.8)

 

, (1.9)

где , U ₂= 0 - входное сопротивление при кз. по переменному току на выходе четырехполюсника;

, I ₁ = 0 - коэффициент обратной связи по напряжению в режиме хх. на входе четырехполюсника;

, U ₂ = 0 - коэффициент передачи тока при кз. на выходе четырехполюсника;

, I ₁ = 0 - выходная проводимость в режиме хх. на входе четырехполюсника;

h параметры могут быть рассчитаны по характеристикам семейства входных характеристик транзистора снятых при различных значениях напряжений на коллекторе. Обычно, U _кэ1»0, а U _кэ2 равно рабочему напряжению каскада. Для расчета h ₁₁ на линейном участке характеристики имеющим большую скоростью роста тока I _б и снятой при U _кэ2, ставят три точки А, D, С (рис. 1.4, а). Точка А берется на нижнем отрезке линейного участка, точка С на верхнем отрезке участка, а на его середине точка D, соответствующая исходному рабочему режиму (в дальнейшем называем ее «рабочей точкой»).

 

а b

Рис. 1.4. Определение h - параметров графо-аналитическим методом.

 

Из точек А и С проводят прямые параллельные осям U _бэ и I _б, а их пересечение обозначают буквой В. Из треугольника АВС получают данные для определения h _11э. При расчетах U и I брать в вольтах и амперах.

 

. (1.11)

Для определения h ₁₂ необходимо найти приращение напряжения на базе в рабочей точке при увеличении U _кэ от U _кэ1 до U _кэ2. Рабочая точка сместится от D до E, т.е. на D U _бэ2, при этом

. (1.12)

 

По выходным характеристикам транзистора (рис. 1.4, б) можно определить параметры h _21Э и h _22Э, при величине рабочего напряжения на коллекторе U _кэр=12 В.

Для определения h _21Э из точки пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, снятой при токе базы I _б2= I _{б рт}, т.е. точки О, проводим прямую параллельную оси I _к. На ее пересечении с характеристикой I _б¹ берем точку D, а на пересечении с характеристикой при токе I _б3 берем точку Е. Проекции от D и Е на ось I _к позволят определить величину выходного тока D I _к1. Проекция точки О на ось I _к дает величину тока транзистора I _ко в статическом, т.е. исходном режиме.

Через приращение D I _к1 и D I _б = I _б³- I _б¹ определяется

. (1.13)

Для определения параметра h ₂₂ на концах линейного участка характеристики с I _б2= I _брт ставим точки А и В. Точка В берется при U _кэ=12 В. Из точек А и В делаем сноски на оси I _к и U _кэ. При этом получается треугольник АВС. Катет ВС соответствует приращению тока D I _к2, а катет АС приращению напряжения D U _кэ, т.е.

. (1.14)

Точность определения параметров графо-аналитическим способом невелика.

Между h - параметрами разных схем включения и физическими параметрами транзистора существует однозначная связь, определяе­мая соотношениями, приведенными в табл. 1.2. В этой таблице в ка­честве примера даны численные значения параметров маломощного транзистора при I _э = 1,3 мА. Так как направления токов в четырех­полюснике и в схемах включения транзисторов не совпадают, то ма­тематические величины коэффициентов передачи тока (h _б и h _к) для схем с ОБ и с ОК имеют отрицательные значения, хотя это про­тиворечит их физическому смыслу. Изменение температуры транзистора влияет на обратный ток с коллектора на базу I _кбо.

С увеличением температуры обратный ток коллектора (I _кбо) увеличивается в соответствии с зависимостью

, (1.15)

где I _кон - значение I _кбо при температуре t° _н (определяется по справочнику);

t° - температура равная 70 градусов, при которой надо определить I _кбо.

Входное сопротивление усилительного каскада определяется по формуле:

, (1.16)

где U _вх - напряжение на зажимах Б-Э, I _вх - ток базы.

Значения физических параметров, необходимые для расчета R _вx по таблице 1.2, определяются в следующей последовательности прировняв левую и правую части: 1) по h _22э найти r _к; 2) по h _12э найти r _э; 3) по h _11э найти r _б. Учитывая, что через сопротивление r _б протекает ток I _б, а через

Таблица 1.2.

Связь физических параметров транзистора с h - параметрами

 

Параметры четырёхполюсника	Физические параметры
h 11э
h 12э
h 21э
h 22э

 

сопротивление r _э ‑ ток I _э = (1 + b) × I _б, получаем для схемы с ОЭ ( рис 1.1, а ):

U _вх = I _б × r _б + (1+b) × I _б × r _б = I _б × r _б + (1+b) × r _э. (1.17)

R _вх.оэ = r _б + (1+b) × r _э. (1.18)

В схеме с ОК последовательно с r _э подключено внешнее сопротивление R _э. Входное сопротивление схемы с ОК рассчитать, приравняв R_э = r_э

R _вx.oк = r _б + (1+b) × (r _э+ R _э). (1.19)

Выходное сопротивление усилительного каскада по схеме с ОЭ рассчитывается по формуле

. (1.20)

Двойная косая черта // указывает на параллельное соединение R _к и 1/ h _22э. R _к определяется по параметрам точек построения нагрузочной диаграммы, т.е. точек А и В на рисунке 1.1. в:

R _к = U _кэр/ I_{kmax .} (1.21)

Выходное сопротивление каскада по схеме с ОK рассчитывается по формуле

. (1.22)

Для всех вариантов принять R _Г = 450 Ом.

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отноше­ние напряжения U _вых на нагрузке к U _вх

. (1.23)

 

В идеальном усилителе напряжения (R _Г<< R _ВХ), работающем в режиме холостого хода (R _H= ∞), коэффициент усиления будет макси­мальным и равным:

. (1.24)

Коэффициент усиления по току к _i (уравнение 1.27) можно рассчитать подставив значения I_b и I_N из промежуточных уравнений 1.25 и 1.26

. (1.25)

. (1.26)

. (1.27)

В идеальном усилителе тока (R _г>> R _ВХ), работающем в режиме короткого замыкания (R _Н=0), имеем:

K_{i. кз} = -b. (1.28)

Коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле

К_р = K_u × K_i. (1.29)

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 2

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

2.1. Цель работы

2.1.1. Изучить влияние элементов схемы усилителей на режим ра­боты транзисторов и расчет усилителей с использовани­ем характеристик транзисторов.

2.2. Содержание расчетного задания

2.2.1. Выполнить расчет однокаскадного усилителя (рис. 2.1).

2.2.2. При расчете необходимо определить значения R _K, R 1, R 2, R _э, обеспечивающие работу усилителя в классе А и значения С 1, С2, С э, обеспечивающее коэффициент частотных искажений М _н = 1,1.

2.2.3. Определить M _в и КПД усилителя для случая работы в классе А и классе В, а также сопротивление нагрузки R _н, обеспечивающее максимум мощности, отдаваемой в нагрузку.

2.3. Методические указания

 

Для расчета элементов схемы однокаскадного усилителя, работающего в режиме А, необходимо использовать рассмотренные в работе №1 входные и выходные характеристики транзистора и полученные по ним значения I _б0, U _б0, I _к0, I _кm и U _кm. Для задания положения рабочей точки на середине линейного участка входной характеристики используют делитель напряжения Е _к на резисторах R 1 и R 2.

Для термостабилизации положения рабочей точки, при изменении температуры транзистора, в цепь его эмиттера включают резистор R _э. Ток эмиттера, протекающий через R _э, создает на нем падение напряжения, которое через R 2 подается на базу транзистора и возвращает рабочую точку на середину линейного участка входной характеристики.

Для расчета делителя R 1, R 2 необходимо взять ток делителя в 5-10 раз больше тока I _б0 на входной характеристике транзистора. Можно рассчитать ток делителя и по паспортным данным транзистора через I _к.max и h₂₁ =b. По этим данным определяют I _бmax, используя уравнение

. (2.1)

Ток делителя рассчитывают по формуле

I _дел = (0,5—2,0)• I_бmax. (2.2)

Параметры делителя рассчитываются по формулам

, , (2.3)

где Е 1= Е к=12 В.

 

Рис. 2.1. Однокаскадный усилитель по схеме с ОЭ

 

Термостабилизирующее сопротивление R _э определяют из условия

. (2.4)

Емкость блокирующего конденсатора С _э, устраняющего отрицательную обратную связь по переменному току, определяется из условия

, (2.5)

где Х _сэ - сопротивление емкости на низшей частоте усиливаемого сигнала (20 Гц). Известно, что Х _сэ= 2 πfС _э. Отсюда С _э= Хс _э/2 πf.

Величину рассчитанных R и C нужно выбрать по ряду E6 или E12 или Е24 в методичке [Л9] или справочниках по компонентам радиоаппаратуры.

В бестрансформаторных многокаскадных усилителях широкое распространение полу­чили схемы с емкостной связью (рис. 2.1).

Каскад такого типа содержит переходные конден­саторы С 1 и С 2. Конденсатор С 1 изолирует источник сигнала Е _г от вхо­да каскада по постоянному току и соединяет их по переменной сос­тавляющей. Конденсатор С 2 выполняет аналогичные функции по отно­шению к выходу каскада и нагрузке R _н. Емкости этих конденсаторов оказывают влияние на работу каскада в области низших частот и при передаче вершины импульсов.

Величина емкости С 1 определяется исходя из допустимого зна­чения коэффициента частотных искажений (на низшей частоте), ко­торый определяется выражением:

,

 

где К _ио - коэффициент усиления на средних частотах; К _ин - тоже на низшей частоте усиливаемого сигнала; τ _Н - постоянная времени входной цепи каскада в области низ­ших частот.

τ_Н = С 1 × (R _Г + R _вхоэ), (2.6)

где R _Г - внутреннее сопротивление источника сигнала (при расчётах принять R _Г = 450 Ом).

R _вх = R _вхоэ // R 1 // R 2, (2.7)

R _вх эквивалентно параллельно включенным R 1, R 2 и R _вхоэ.

Окончательно

. (2.8)

Коэффициент частотных искажений в области высших частот определяется из выражения:

. (2.9)

Эквивалентная схема усилителя при работе его в области выс­ших частот приведена на рис. 2.3.

Постоянная времени в области высших частот τ _в обусловлена емкостью С _к (приведена в паспортных данных транзистора) и определяется уравнением

τ _в = С _К × (r _К // R _К // R _Н), (2.10)

где r _к - дифференциальное сопротивление коллекторного пере­хода, рассчитанное в работе № 1. При расчетах выражение в скобках решать в два этапа: принять R _Н = R _К и найти их сумму при параллельном соединении, затем найденное число соединить параллельно с r _к.

КПД коллекторной цепи усилителя вычисляется по формуле

, (2.11)

где U _к.max, I _к.max, - амплитуда коллекторного напряжения и тока полученные графически (см.рис. 1.1,в); Е _к - ЭДС источника питания; I _к0 - ток коллектора в точке покоя (см. рис. 1.1, в).

Общий КПД каскада вычисляется с учетом потерь в выходном трансформаторе (если он имеется) и цепи смещения.

Максимальную мощность в нагрузку R _Н усилитель отдает при условии R _н = R _вых. Определение R _вых дано в работе № 1.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью

, (2.12)

где b₀- коэффициент обратной связи (при расчетах принимать b₀=0,2); К - коэффициент усиления без обратной связи рассчитанный в работе№1. Различают обратную связь по напряжению - сигнал обратной связи U _ос (рис. 2.4. а. и рис.2.4. в.) пропорционален выходному напряжению - и об­ратную связь по току - сигнал обратной связи пропорционален вы­ходному току I _ос (рис.2.4. б. и рис.2.4. г).

 

Рис. 2.4. Схемы усилителей с различными типами обратных связей

По способу сложения сигнала обратной связи с выходным сигна­лом различают: обратную связь со сложением напряжения (последо­вательная ОС) и обратную связь со сложением токов (параллельную ОС).

Значение входного и выходного сопротивлений для каждого из типов отрицательной ОС рассчитывается по формулам:

при последовательной ОС:

R _вх.ос = R _вх. × (1 + b₀ × K); (2.13)

 

при параллельной ОС:

R _вх.ос = R _вх. / (1 + b₀ × K); (2.14)

 

при обратной связи по напряжению:

R _вых.ос = R _вых. / (1 + b₀ × K); (2.15)

при обратной связи по току:

R _вых.ос = R _вых. × (1 + b₀ × K). (2.16)

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Определить коллекторный ток транзистора каскада (рис 2. 1. а) при от­сутствии входного сигнала, если E _k= 9 В, R= 10 кОм, U_{б э о}=0,6 В. Коэффициент усиления по току h _21э=40. Обратным током транзистора можно пренебречь.

2. Определить напряжение U_бэ0 и ток покоя базы усилителя (рис. 2.1), если напряжение источника питания E _k= 12 В, R _k= 40 кОм, I _k0=5,6 мА, h _21э= 40.

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 3

РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО ДВУХТАКТНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

 

3.1. Цель работы

 

3.1.1. Изучить влияние элементов схемы усилителей на режим ра­боты транзисторов.

3.1.2. Научиться производить расчет усилителей с использовани­ем характеристик транзисторов.

3.2. Содержание расчетного задания

3.2.1. Выполнить расчет однокаскадного усилителя мощности (рис. 3.1.) с использованием характеристик транзистора, взятых из справочника по мощности соответствующей цифре в строке с заданным номером варианта.

3.2.2. При расчете необходимо определить значения Р _кmax, I _kmax, P ₀, КПДи другие параметры, рассчитываемые в примере и обеспечивающие работу усилителя в классе АВ при значение коэффициента частотных искажений М _н = 1,1.

3.2.3. Определить M _в и КПД усилителя для случая работы в классе АВ и классе В, а также сопротивление нагрузки R _н, обеспечивающее максимум мощности, отдаваемой в нагрузку.

3.2.4. Изучить схемы усилителей, приведенные на рис.3. 2. и оп­ределить тип обратной связи.

Исходные данные для расчёта в соответствии с номером варианта взять в таблице 3.1. Диапазон рабочих температур и диапазон рабочих частот усилителя принять равными цифрам примера. Диапазон рабочих частот от 100 Гц до 20 кГц. Диапазон темпера­туры окружающей среды в пределах 25—50 °С.

Входные и выходные характеристики транзистора, выбранного по данным расчета, нужно взять в приложении.

 

3.3. Методические указания

 

В усилителях мощности первостепенное значение приобретают энергетические соотношения. Величина мощности потерь в регулирующем устройстве и ее со­отношение с мощностью нагрузки зависят от выбора рабочей точки, свойств источника питания и формы управляющего сигнала. На рис. 3.1. показан характер изменения напряжения на на­грузке U _н и на зажимах эмиттер-коллектор U _эк для различных режимов работы транзистора.

В усилителе класса А (рис. 3.1,а) точка покоя уста­навливается смещением примерно на середине линии на­грузки; при этом U ₀= 0,5 U _п, а I ₀ =0,5 (U _п/ r _н). Если пренебречь мощностью управления, нелинейностью характеристик тран­зистора и обозначить через V₁ отношение выходного напря­жения усилителя при данном сигнале к его максимальному значению, то на основе рис. 3.1, а можно определить вы­ражение для мощности нагрузки и потерь в транзисторе.

Характер изменения величин P _н и Р _п в функции V₁ показан на рис.3.1, д (кривые I). Из (3.1) и (3.2) можно определить максимальные значения мощности нагрузки и потерь в транзисторе:

P _н.макс= U ²_п ∕ 8 r _н при V₁=1;(3.1)

P _п.макс= U ²_п ∕ 4 r _н при V₁=0. (3.2)

В усилителе класса В (рис. 3.1,6) точку покоя выби­рают вблизи области отсечки. Обычно используют два транзистора, которые работают в разных полупериодах. Мощность нагрузки и потери в транзисторах определяются соотношениями:

P _н = (U ²_п / 2r_н)V₁²; (3.3)

 

P _п = V₁ / π(2-V₁ π / 2) (U ²_п /r_н). (3.4.)

 

Рис.3.1. Энергетические соотношения в усилителях

 

Графики рис. 3.1,д (кривые I I) характеризуют измене­ние этих величин в

функции входного сигнала. Максималь­ные значения P н и Р _п:

P _н.макс.= (U ²_п / 2 r _н) при V₁=1; (3.5.)

P _п.макс.= 0,203(U ²_п /r_н) при V₁=0,636. (3.6.)

Соответствующие графики представлены на рисунке 3.1,д (Кривые III). Максимальные значения P _н и P _п соответственно равны:

P _н.макс.=(U ²_п~/ r _н)приV₁=1; (3.7.)

P _п.макс.= (U ²_п~ / 4r_н) приV₁=0,5. (3.8.)

 

Эффективность режима работы транзистора харак­теризуют коэффициентом использования k_и.м который равен отношению максимальной мощности нагрузки к максимальным потерям в приборе. Из рассмотренных формул следует, что в усилителях клас­са А k_и.м=0,5, в усилителях класса В k_и.м =2,46, в уси­лителях постоянного тока k_и.м = 4.

Отметим также, что КПД линейных усилителей весьма низок. В усилителях класса А при максималь­ном сигнале величина КПД не превышает 50%, в уси­лителях класса В—78٪.

Энергетические соотношения в усилительном каскаде существенно улучшаются, если рабочая точка транзи­стора находится в середине основной части рабочего пе­риода в областях и периода и отсечки, которые характеризуются небольшой мощностью рассеяния.

Для построения усилителей мощности применяют трансформаторные и бес- трансформаторные двухтактные усилители мощности

Трансформаторы, используемые в рассматриваемых схемах, не позволяют снизить габариты и вес усилителей мощности, ухудша­ют их амплитудно-частотную характеристику. Изготовление транс­форматоров требует больших затрат ручного труда, дефицитных материалов, и как элементы схемы трансформаторы имеют низкую надежность. Поэтому в настоящее время широко распространены бестрансформаторные двухтактные усилители мощности, построен­ные на паре транзисторов разного типа электропроводности (рис.3.2).

Схемы состоят из двух однотактных эмиттерных повторителей (плеч), работающих попеременно, в течение одного полупериода входного сигнала. Питание плеч осуществляется раздельно, от двух разнополярных источников постоянного напряжения Е'_к и Е _и", объединенных общей шиной, которая обычно заземляется. Благодаря разному типу электропроводности транзисторов каскад не требует парафазных входных напряжений.

Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелиней­ные искажения, а также влияние асимметрии плеч. Однако в схе­мах с использованием эммитерных повторителей выходное напря­жение не может превышать входное, т. е. происходит по существу лишь усиление тока.

Рис.3.2. Схема электрическая принципиальная двухтактного усилителя

 

Каскад (рис. 3.2, а) работает следующим образом. В отсутствие входного сигнала точка «а» имеет нулевой по­тенциал. На базе каждого из VT транзисторов за счет делителя (R - VD 1- VD 2- R) создается постоянное напряжение смещения U _bо, равное падению напряжения U _до на соответствующем диоде и обеспечи­вающее работу каскада в режиме класса АВ.

При положительной полуволне входного напряжения с ампли­тудой U вх диоды остаются открытыми. Напряжение U вх поступает на базы транзисторов. При этом р-п-р транзистор VТ ₁ запира­ется, а VT 2 открывается, так как ток базы п-р-п транзистора увеличивается на вели­чину

I _b1= U _вх / h_11k. (3.9)

Ток через диод VD 1:

I _b1= I r- I b1, (3.10)

где I r = E k- U вх / R ток через резистор при положительном напряжении U вх.

Для расширения динамического диапазона входного сигнала необходимо уменьшать сопротивление резистора R в цепи смещения. Однако при уменьшении R шунтируется вход­ное сопротивление эмиттерного повторителя, составляющего плечо каскада.

При отрицательной полуволне входного напряжения U _вх запи­рается транзистор VТ 1 и увеличивается ток транзистора VТ 2.

Процессы преобразования входного сигнала в каскаде усиле­ния мощности для положительной и отрицательной полуволн про­текают в принципе одинаково. Поэтому формулы (3.9) и (3.10) для обеих полуволн входного сигнала идентичны и отличаются лишь индексами, соответствующими открытому транзистору.

Графический расчет бестрансформаторного каскада произво­дится по выходным характеристикам транзисторов и не отличается от графического расчета каскада с использованием трансформаторов. При этом роль сопротивления R н в бестрансформаторном каскаде играет сопротивление R _я.

Наличие двух источников питания в схеме рис. 3.2 ,а может вызвать определенные неудобства при пользовании схемой. Для замены двух источников питания одним последовательно с нагруз­кой включают разделительный конденсатор достаточно большой емкости (рис. 3.2, 6). По постоянному току транзисторы схемы включены последовательно. Поэтому при идентичных параметрах транзисторов постоянное напряжение U_с на раздельном конденса­торе С_р составляет 0,5 Е _к и является «источником питания» для транзистора VТ ₂.

Напряжение коллектор — эмиттер транзистора VТ,