Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 28
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра автоматики и промышленной электроники по курсу “Аналоговая схемотехника” “Проектирование усилителя низкой частоты”
Выполнил: студент Гр. ЭС-91 Руководитель: Дудник А.Б. Сумы - 2002 Содержание 3. Расчет предоконечного каскада
5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи
Усилителями называют устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов - усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом. Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющей сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, но оно же обусловило ещё большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой ёмкости). Наряду с применением основного типа усилителей - УПТ - в ряде случаев оказывается целесообразным использование усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи между каскадами усилителей в настоящее вышло из употребления, так как конденсаторы с большой ёмкостью невыполнимы в виде элементов ИМС. Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа. Находим максимальную мощность Pвх
сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления Rвх
усилителя и внутреннего выходного сопротивления Rген
источника сигнала: где eген
- величина ЭДС источника сигнала; Rген
- внутреннее сопротивление источника сигнала. Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя: где a
p
= (1,1¸1,3) - коэффициент запаса по мощности; Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле: Определим ориентировочное число каскадов, считая, что каждый каскад может обеспечивать усиление мощности примерно на 20дб
. Составим структурную схему (рисунок 1.1): Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя: ВхК - входной каскад, обеспечивающий главным образом согласование с источником сигнала; ПК - промежуточный каскад; ПОК - предоконечный каскад; ВК - выходной сигнал, работающий непосредственно на нагрузку Составив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады. + Eп
- Eп
Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный выходной каскад Выбор выходных транзисторов. Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1): где Uн
- эффективное значение напряжения на нагрузке в В
. Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4): Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке: Необходимое напряжение источника питания: где k1
= (1,01¸1,1) - коэффициент запаса по напряжению; rнас
= (0,1¸1) - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения. Выберем напряжение источника питания равным 15В
. Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора: По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT3 (VT4): По справочнику [11] выбран транзистор KT817Б со следующими параметрами: Выходные и входные характеристики изображены на рисунках 3 и 4. После предварительного выбора транзисторов VT3 и VT4 нужно проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле: где где tв
- верхнее значение диапазона рабочих температур, °
С. Поскольку Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I0
k3
транзисторов VT3 и VT4: где Ik
о
max
(50°
C) =1500мкА
берётся в справочнике [11]. I0
k3
<
Ik
доп
- это значит, что транзисторы выбраны правильно. На семействе выходных характеристик транзисторов VT3 (VT4) строятся нагрузочные прямые по переменному току с координатами (см. рис.2.2): А (I0k3
; E
п
); В (I0k3
+Ikm3
; E
п
-Ukm3
); (2.9)
А (30мА
; 15В
); В (0.88А
; 1.74В
); Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): Uб
m3
=0,54В
- амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U0б3
=0,6В
- напряжение покоя базы; Uб3
max
=1,14В
- максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; Iб
m3
=57мА
- амплитудное значение тока базы; I0б3
=1,78мА
- ток покоя базы; Iб3
max
=55.22мА
- максимальное значение тока базы. Входное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзисторов VT3 (VT4): Номинал резисторов R3
и R4
для мощных транзисторов: Мощность, выделяемая на резисторах R3
и R4
: Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1): Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2): Принимается По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ815Б (n-p-n) со следующими параметрами: Для построения линии нагрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются следующие координаты точек A’ и A”: Переносим точки A’ и A" на входные характеристики транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4). По графику (рис.2.4) определяются следующие параметры: Определение основных параметров выходного каскада Выходное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2): Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3: Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4: Амплитудное значение входного напряжения: - верхнего плеча (VT1,VT3): - нижнего плеча (VT2,VT4): Требуемое падение напряжения Uод
на диодах VD1, VD2 при токе равно: По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА
, прямое напряжение должно быть больше 1,815В
. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами: - Средний прямой ток 8мА
; -При токе 0,27мА
на диоде происходит падение напряжения равное 0.7В
, поэтому необходимо брать 3 диодов. Сопротивление резисторов R1
и R2
делителя Мощность, выделяемая на резисторах R1
и R2
: Входное сопротивление верхнего плеча каскада с учетом R1
и R2
: Входное сопротивление нижнего плеча каскада: Коэффициент усиления по напряжению: - верхнего плеча: - нижнего плеча: - среднее значение: Коэффициент полезного действия всего каскада: Мощность на выходе каскада: Поправка к схеме Выбирается транзистор VT0 КТ3102А со следующими параметрами: Мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7): Поскольку Определяются следующие токи: Нахождение сопротивления Rэ
и Cэ
: Мощность, выделяемая на резисторе Rэ
: Определение сопротивлений R’ и R”: Мощность, выделяемая на резисторах R’
и R”
: Уточнённое значение мощности рассеивания одним транзистором VT3 (или VT4): Тепловое сопротивление корпус-среда: Площадь радиатора: где KT
=0,0012¸0,014 Вт
×см2
×град-1
- коэффициент теплоотдачи. Сквозной коэффициент усиления: Рисунок 3.1 - Схема предоконечного каскада Поскольку Kскв
очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной - каскады с общим эммитером. Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами: Принимается Тогда Допускается, что напряжение в точке В UB
=24В
. Тогда напряжение в точке А будет Сопротивление резисторов R1
и R2
делителя: Мощность, выделяемая на резисторах R1
и R2
: Сопротивление R4
: Мощность, выделяемая на резисторе R4
: Сопротивление Rэ
: где UR
э
=UB
/10=3В
. Мощность, выделяемая на резисторе Rэ
: Напряжение база-эмиттер: Здесь Из уравнения (3.6) определяется rб
: Входное сопротивление каскада: Сопротивление Rk
: Мощность, выделяемая на резисторе Rк
: Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk
>>
Rk
): Определение амплитудных токов на базе и коллекторе: Тогда Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада: Схема входного каскада представлена на рис.5.1. Рисунок 5.1 Схема входного каскада Выбирается транзистор VT КТ3102Г со следующими параметрами: Принимается Напряжение в точке А будет Сопротивление резисторов R1
и R2
делителя: Мощность, выделяемая на резисторах R1
и R2
: Сопротивление Rэ
: Мощность, выделяемая на резисторе Rэ
: Напряжение база-эмиттер: Здесь Из уравнения (3.6) определяется rб
: Входное сопротивление каскада: Сопротивление Rk
: Мощность, выделяемая на резисторе Rк
: Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk
>>
Rk
): Определение амплитудных токов на базе и коллекторе: Тогда Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада: Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным где Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76. Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход. Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д. В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид: где K
- коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи): Коэффициент j
: где R’
выбирается 10Ом
, а RОС
- порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+
jK)
раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в Можно записать: Откуда j
=6/K
. Тогда В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен: Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным где Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76. Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход. Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д. В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид: где K
- коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи): Коэффициент j
: где R’
выбирается 10Ом
, а RОС
- порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+
jK)
раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в Можно записать: Откуда j
=6/K
. Тогда В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен: Распределение фазовых сдвигов: Для входного каскада: Для предоконечного и промежуточных каскадов: Для выходного каскада: R1
, R2
, R5
, R6
, R9
, R10
, R13
, R14
ВС-1-0,125-6,2кОм-10% R3
, R7
, R11
, R15
ВС-1-1-68Ом-10% R4
, R8
, R12
, R16
ВС-1-0,5-30Ом-10% R17
ВС-1-0,125-3,9МОм-10% R18
, R19
, ВС-1-0,125-240кОм-10% R20
ВС-1-0,125-13кОм-10% R21
, R22
ВС-1-0,125-1кОм-10% Rн
ВС-1-20-11Ом-10% Rф
ВС-1-1-62Ом-10% Rос
ВС-1-0,125-22кОм-10% R’
ВС-1-20-10Ом-10% С1
К50-6-50В-2мкФ- (-20¸+80)% С2
, С4
, С6
, С8
К50-6-10В-10мкФ- (-20¸+80)% С3
, С5
, С7
К50-6-16В-5мкФ- (-20¸+80)% С9
К50-9-3В-0,5мкФ- (-10¸+100)% С10
К75-42-1600В-0,0033мкФ-10% С11
К50-6-10В-50мкФ- (-20¸+80)% Сф
К50-22-50В-1500мкФ- (-20¸+50)% VT1-VT5 KT-3102A VT6 КТ-814Б VT7 KT-815Б VT8,VT9 KT-817Б VD1-VD6 Д2Ж 1. Аронов В.А., Баюков А.В. и др. Полуроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982. 2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленной электронике. - М.: Радио и связь, 1987. 3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - М.: Наука, 1983. 4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. - М.: КубК-а, 1996. 5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М: Радио и связь, 1985. 7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 8. Доршков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту “Проектирование усилителя низкой частоты". - Сумы: СФТИ, 1993. 9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам. - М.: Радио и связь, 1983. 10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982. 11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - М.: Радио и связь, 1984.
|