Исходные данные для проектирования усилителя

 

1. Полоса рабочих частот

 

f = f _В – f _Н,

где f _В – верхняя частота (кГц)

f_Н – нижняя частота (Гц).

2. Коэффициент частотных искажений на нижней и верхней частотах полосы пропускания, М_Н и М_В , соответственно (дБ).

3. Максимальное действующее значение напряжения выходного сигнала на нагрузке, U_ВЫХ (В).

4. Сопротивление нагрузки R_Н (Ом).

5. Выходное (внутренние) сопротивление генератора (источника e_Г) усиливаемых сигналов, R_Г (ОМ).

6. Рабочий температурный диапазон, t ⁰ C.

7. Коэффициент сглаживания фильтра, q.

8. Тип проводимости биполярного транзистора (p-n-p или n-p-n).

 

Требования

 

1. Выбрать транзистор и обосновать выбор.

2. Определить значение напряжения и полярность источника питания E_К.

3. Рассчитать:

- сопротивления и мощности резисторов R_К, R_Э, R₁, R₂, R_Ф;

- емкости конденсаторов C₁, C₂, C_Э, C_Ф.

4. Определить параметры усилителя:

- коэффициент усиления по току К_I;

- коэффициент усиления по напряжению К_U;

- коэффициент усиления по мощности К_P;

- входное сопротивление каскада R_ВХ;

- выходное сопротивление каскада R_ВЫХ.

5. Определить коэффициент нелинейных искажений усилителя (рассчитать К_Г ).

6. Оформить принципиальную электрическую схему усилителя (ЭЗ) и перечень элементов к ней (ПЭЗ) в соответствие с ЕСКД.

 

Порядок расчета

 

Рис. 6. Схема резистивного каскада усилителя

 

Для выданного варианта задания рассчитать резистивный каскад усилителя (рис. 6) на биполярном транзисторе с заданным типом проводимости (p-n-p или n-p-n), включенным по схеме с общим эмиттером, имеющим эмиттерную стабилизацию точки покоя, работающем в режиме усиления класса А и имеющем сглаживающий фильтр по цепи питания элементов смещения (задания) рабочей точки.

 

Исходные данные приведены в таблице 1.

 

Тип транзистора	p-n-p
Нагрузка		[Ом]	Rн
Сопротивление генератора		[Ом]	Rг
Нижняя частота усиления		[Гц]	fн
Верхняя частота усиления		[Гц]	fв
Минимальная температура окружающей среды	-5°	[° С]	tмин
Максимальная температура окружающей среды	+50°	[° С]	tмакс
Выходной сигнал		[В]	Uвых
Коэффициент сглаживания фильтра			q
Коэффициент частотных искажений		[дБ]	Мн
Коэффициент частотных искажений		[дБ]	Мв

 

1.Расчет усилительного каскада

1. Амплитудное значение U_{ВЫХ m} переменной составляющей напряжения выходного сигнала на нагрузке:

 

U_{ВЫХ m} = * U_ВЫХ = ;

 

2. Сопротивление резистора R_К выбирается предварительно из соотношения:

 

R _К = (3 5)*R _Н == 1100 (Ом);

 

Принимаем стандартное значение R _К =1100 (Ом).

3. Определяется сопротивление нагрузки R_Н по переменной составляющей усиливаемого сигнала:

R_Н* = R _К || R_Н = =

 

4. Амплитудное значение переменной составляющей тока I_Кm через транзистор:

 

I_{К m} = = ;

5. Для обеспечения выполнения требований I.1 и I.4 при работе усилителя в классе А, необходимо выполнение следующих условий:

 

U_{К max Э} 2,5 * U_{ВЫХ m} = 2,5*11,314=28.284 (В);

I_{К max Э} 3 * I_{К m} = 3*0,056=0,167 (А);

P_{К max Э} 6,25 * U_{ВЫХ m} * I_{К m} = 6,25*11,314*0,056=3,927 (Вт), где

U _{К max Э} =28,284 (В), I_{К max Э}=0,167 (А), P_{К max Э}=3,927 (Вт) –

 

максимальные значения напряжения, тока и мощности, которые должен обеспечивать транзистор VT.

6. Выбор транзистора VT должен производиться с учетом коэффициента нагрузки (70%) по названным выше параметрам, поэтому транзистор VT выбирается по следующим критериям:

 

= ;

= ;

= .

U_{К Э max} = 40,406 (В)

I_{К max} = 0,238 (А)

P_{К max} = 7,855 (Вт)

 

На основании полученных данных выбираем транзистор для максимальной температуры из указанного диапазона. Транзистор КТ820А наиболее подходит, по характеристикам полученных данных.

 

U_{К Э max}= 50 (В),

I_К max= 0,5 (А),

P_{К max}= 10 (Вт),

h _21Э (β) = 40.

 

Проведем проверку выполнения условия:

 

M_в=10^0,05*4 =1,585

= =6669 (Гц),

 

где - верхняя предельная частота транзистора (минимальное ее значение).

7. На выходных характеристиках I_К = f (U_{К Э} ) транзистора строится линия нагрузки по двум точкам:

 

I_К = 0; U_КЭ = E_К = U_{К max Э} = 28,284(В) (режим холостого хода);

U_К = 0; I_К = I_{К max Э} = 0,167(А) (режим короткого замыкания);

 

8. Выбор точки П покоя (при работе усилителя в режиме класса А) производиться в середине отрезка АВ. Перпендикуляры, опущенные на оси U_{К Э} и I_К из точки П, дадут значения I_{К П} = 0,084 (А) и U_{К Э П} = 14,142 (В), одновременно определяется и значение I_{Б П}=0,002 (А).

9. На входных

 

ВАХ - I_Б = f (U_{Б Э} ) при I_Б = I_БП =0,002(А) и U_{К Э} 0, определяется U_{Б Э П} = 0,64 (В)

 

10. Сопротивления резисторов в цепях коллектора R_К и эмиттера R_Э вычисляются исходя из того, что:

= ,

 

при этом следует учесть рекомендацию:

 

R_K=(5ч7)*R_Э; R_Э=22 (Ом), R_K=150 (Ом)

 

11. Из анализа схемы усилителя, можно получить соотношения для расчета сопротивлений резисторов R₁, R₂ и R_Ф;

 

 

где:

 

U_БП=U_БЭП+U_ЭП=U_БЭП+I_ЭП·R_Э=0,64+0,084*22=2,477 (В);

I_ЭП=I_КП=0,084 (А);

U_Ф=(0,1ч0,2)E_К=0,15*28,284=4,243 (В);

I_Д - ток делителя:

I_Д =(5ч10)I_БП =10*0,002=0,02 (А)

 

r_ВХ - входное сопротивление транзистора по переменному току;

 

r_ВХ= ;

∆U_БЭ=0,06(В) и ∆I_Б=0,0005(А) - определяются по входной характеристике.

При определении r_ВХ по входным характеристикам транзистора приращения ∆U и ∆I находят на участке ВАХ I_Б= f (U_БЭ) при U_КЭ≠0, прилегающим к точке покоя П (в окрестности точки покоя П).

Для проверки правильности расчетов вычисляют значение эквивалентного сопротивления R_ЭКВ в цепи базы транзистора:

 

= =310 (Ом)

 

Необходимо, чтобы выполнялось условие:

 

R_ЭКВ=(2ч5)·r_ВХ.;

R_ЭКВ=2,58* r_ВХ =2,58*120= 310 (Ом)

 

12. Емкость конденсатора С_Э рассчитывается исходя из того, что для нижней частоты f _Н полосы пропускания X_СЭ≈0,1R_Э, откуда:

 

= =2000 мкФ

 

13. Входное сопротивление усилительного каскада определяется:

 

=

 

14. Ёмкости конденсаторов С₁ и С₂ определяются:

=

=

 

15. Ёмкость конденсатора С_Ф выбирают такой, чтобы на частоте f =50Гц промышленной сети выполнялось условие:

 

X_СФ<<R_Ф.

 

Можно принять, что X_СФ=0,1R_Ф, тогда

 

откуда =

 

где f=50Гц, но это без учета коэффициента сглаживания q.

16. Расчет С_Ф с учетом коэффициента сглаживания q:

а). Определяем нагрузку фильтра:

 

=

 

б). Определяем коэффициент K_Ф:

 

=

 

в). Значение емкости С_Ф с учетом коэффициента сглаживания q будет:

= , где f =50Гц.

 

17. Коэффициент усиления по напряжению будет:

 

= ,

где R_Н~= =

 

β_t^o_C =40 - выбирается при минимальной температуре из указанного диапазона.

18. Коэффициент усиления по току будет:

 

=

 

19. Коэффициент усиления по мощности:

 

К_Р=К_I·K_U=15*33,33=500

 

20. Выходное сопротивление:

 

R_ВЫХ ≈R_К=150 (Ом).