Расчет, изготовление и исследование усилительного транзисторного каскада
Введение
Электронный усилитель- усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используются явления электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой, как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры- радиоприемника, магнитофона, измерительного прибора и т.д.
Полупроводниковый усилитель – усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и тр.)
Усилительным транзисторным
В данной работе будет произведен расчет усилительного транзисторного каскада в соответствии с заданием. По расчетным данным будет произведен подбор радиоэлементов и собрана электрическая схема.
1.Расчет усилительного транзисторного каскада
- .Выбор транзистора, определение напряжения источника питания, расчет сопротивлений резисторов
Вычертим принципиальную электрическую схему транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Принципиальная электрическая схема
усилительного каскада с ОЭ
Рассчитаем сопротивление резистора коллекторной цепи транзистора:
где – коэффициент соотношения сопротивлений и :
Из ряда Е24 принимаем Rк=430 (Ом)
Определим эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:
Найдем амплитуду коллекторного тока транзистора:
Определим ток покоя (ток в рабочей точке) транзистора:
где – коэффициент запаса, = 0,7 ¸ 0,95; при = 0.7 – минимальные нелинейные искажения; = 0.95 – максимальный КПД.
Рассчитаем минимальное напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке транзистора:
где – напряжение коллектор-эмиттер, соответствующее началу прямолинейного участка выходных характеристик транзистора, В;
= 1В – для транзисторов малой мощности ( £ 150 мВт); = 2В – для транзисторов большой и средней мощности ( > 150 мВт).
Если меньше типового значения = 5В, то следует выбрать = 5В, в противном случае = .
Рассчитаем напряжение источника питания:
Значение расчетного напряжения округлим до ближайшего целого числа.
Определим и выберем номинал сопротивления резистора эмиттерной цепи транзистора:
Из ряда Е24 принимаем Rэ = 200 (Ом).
Выберем транзистор по параметрам:
а) максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер:
б) максимально допустимый ток коллектора:
в) максимальная мощность рассеивания на коллекторе при наибольшей температуре окружающей среды :
находится по формуле:
где – максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе при температуре окружающей среды , Вт;
– максимальная температура перехода, °С;
– температура окружающей среды, при которой нормируется , 25°С;
, – справочные величины.
Вычертим входные и выходные характеристики выбранного транзистора
Рис. 1.2. Входные характеристики транзисторов КТ315
На выходных характеристиках транзистора построим нагрузочную прямую постоянного тока по точкам А и В с координатами (рис. 1.3):
точка А: ; ;
точка В: ; = 0.
На пересечение нагрузочной прямой и прямой нанести рабочую точку С.
Уточним напряжение в рабочей точке ( в точке С).
Определим ток базы транзистора в точке С (рабочей точке).
На входную характеристику (рис. 1.2) нанести рабочую точку С – пересечение входной характеристики (при ) и прямой . Определить .
Выберем ток, протекающий через базовый делитель:
Рассчитаем сопротивления, и выберем номиналы резисторов базового делителя , :
Найдем эквивалентное сопротивление базового делителя:
Рис. 1.3. Выходные характеристики транзистора
Из ряда Е24 принимаем =7,5 (кОм), =2,4 (кОм), =1,8 (кОм).
1.2.Определение h-параметров в рабочей точке транзисторного каскада, его входного и выходного сопротивлений
Определим по входным характеристикам транзистора входное сопротивление транзистора в рабочей точке; задав приращение около рабочей точки С найдём соответствующее ему приращение базового тока .
Вычислим по формуле
.
По выходным характеристикам транзистора определим коэффициент передачи тока транзистора . Найдя приращение коллекторного тока и соответствующее ему приращение базового тока при пересечении прямой соседних от рабочей точки С выходных характеристик (точки D, E на рис. 1.3):
Определим входное сопротивление каскада:
Найдем выходное сопротивление каскада:
- .Расчет амплитуды напряжения и тока базы, коэффициентов усиления каскада по току, напряжению и мощности, а также амплитуду напряжения источника сигнала
Построим на выходных характеристиках транзистора нагрузочную прямую по переменному току, которая проходит через рабочую точку С и имеет наклон (рис. 1.3):
Нанесем на выходные характеристики транзистора амплитуды напряжения и коллекторного тока (рис. 1.3), определить амплитуду базового тока:
На входных характеристиках (рис. 1.2) покажем амплитуды базового тока и входного напряжения транзистора:
Определим коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности , , :
Рассчитаем амплитуду напряжения источника сигнала:
- . Расчет емкостей конденсаторов
Частотные искажения в области нижних частот вносятся разделительными конденсаторами , и блокировочным конденсатором . Рекомендуется частотные искажения в области нижних частот равномерно распределить между конденсаторами , и :
Рассчитать емкость конденсатора:
Выбрать номинал емкости конденсатора из прил. 2 (при емкости менее 10 мкФ) или прил. 3 (при емкости 10 мкФ и более).
Определить емкость
Рассчитать емкость блокировочного конденсатора Cб1 и выбрать его номинал:
Из ряда Е24 принимаем: Cp1=4,7 (мкФ), Cp2 =3,3 (мкФ), Cб1=5 (мкФ).
2 Изготовление макета
усилительного транзисторного
Разработка чертежей печатных плат осуществлено с помощью программы
Sprint Layout 6.0.
Проектируемое устройство
выполняется на однослойной печатной
плате из фольгированного
35 х 32 мм
Плата изготовлена Лазерно-утюжной технологией.
2.1. Методы изготовления плат
Химический метод – производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик.
Лазерно-утюжная технология (ЛУТ) — прижившееся среди радиолюбителей название технологии производства печатных плат в домашних условиях, использующей лазерный принтер для создания рисунка печатных проводников, и утюг для его переноса на плату. Метод основан на том обстоятельстве, что слой расплавленного тонера устойчив к действию травящего раствора (обычно Хлорное железо).
Способ переноса рисунка печатных
проводников относится к
Фоторезист (от фото и англ. resist) — полимерный светочувствительный материал. Наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала.
Экспонирование производится в ультрафиолетовом диапазоне спектра (фотолитография), электронным лучом (электронно-лучевая литография) или мягким рентгеновским излучением (рентгеновская литография). Воздействие либо разрушает полимер (позитивный фоторезист), или, наоборот, вызывает его полимеризацию и понижает его растворимость в специальном
растворителе (негативный фоторезист). При последующей обработке происходит травление в «окнах», образованных засвеченными (позитивный фоторезист) или незасвеченными (негативный фоторезист) участками полимера.
Разрешающая способность фоторезиста определяется как максимальное количество минимальных элементов на единице длины (1мм). R=L/2l, где L — длина участка, мм; l — ширина элемента, мм. Разрешающая способность позитивного фоторезиста считается более высокой, что определило его более широкое использование.Различают два основных типа фоторезистов, используемых при производстве печатных плат: Сухой пленочный фоторезист (СПФ) и аэрозольный «POSITIV». СПФ получил более широкое распространение в производстве, так как обеспечивает равномерный слой.
Крепление элементов на плате осуществляется методом поверхностного монтажа.
Разработку печатных плат ведем по ОСТ 16.0539.038-89 для плат второго класса точности. Конфигурация проводников выдержаны по координатной сетке. Шаг координатой сетки принимаем 1мм, ширину печатных плат 1.5 мм.
Маркировка со стороны элеметнов выполняется методом травления.
Проводники покрыты сплавом «Розе» по ОСТ 1607686.828-80.
Печатная плата (на англ. PCB - printed circuit board) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).
Макетная плата — универсальная печатная плата для сборки и моделирования прототипов электронных устройств. Макетные платы подразделяются на два типа: для монтажа посредством пайки и без таковой.
При создании прототипов
электронных устройств
Плату приходится паять вручную, а при ошибке в схеме — перепаивать.
Для создания единственного экземпляра устройства часто печатную плату делать невыгодно.
Если схемы на аналоговых элементах и микросхемах низкой степени интеграции можно было делать навесным монтажом, микропроцессорные устройства выполнять таким образом сложно.
2.2. Виды плат
В зависимости от количества
слоёв с электропроводящим
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале, обычно путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги, при этом обычно используется химическое травление.
Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом,
золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.
Многослойные печатные платы (сокращённо МПП, англ. multilayer printed circuit board) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.
В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонентов, а внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные планы (полигоны) питания. Для соединения проводников между слоями используются переходные металлизированные отверстия. При изготовлении МПП сначала изготавливаются внутренние слои, которые затем склеиваются через специальные клеящие прокладки. Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.
2.3. Виды печатных плат
По количеству слоёв проводящего материала:
Односторонние
Двусторонние
Многослойные (МПП)
По гибкости:
Жёсткие
Гибкие
По технологии монтажа:
Для монтажа в отверстия
Для поверхностного монтажа
Каждый вид печатной платы может иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).
2.4. Материалы
Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс. Так же основой ПП может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком(например, анодированный алюминий).
3 Исследование усилительного транзисторного каскада
Собранное устройство мы подключаем к источнику питания, генератору и осциллографу, изменяя частоту на входе от 10 Гц до 10 МГц, измеряем изменение напряжения на выходе нагрузки. Результаты исследования сведены в таблицу 3.1
ЛАЧХ усилительного транзисторного каскада приведена на рисунке 3.1
F(Гц) |
Uвых (В) |
K |
Log(F) |
20Log(K) |
10 |
1,5 |
1 |
1 |
0 |
20 |
2 |
1,333333 |
1,30103 |
2,498775 |
30 |
2,4 |
1,6 |
1,477121 |
4,0824 |
40 |
2,5 |
1,666667 |
1,60206 |
4,436975 |
50 |
2,5 |
1,666667 |
1,69897 |
4,436975 |
60 |
2,6 |
1,733333 |
1,778151 |
4,777642 |
70 |
2,6 |
1,733333 |
1,845098 |
4,777642 |
80 |
2,6 |
1,733333 |
1,90309 |
4,777642 |
90 |
2,6 |
1,733333 |
1,954243 |
4,777642 |
100 |
2,7 |
1,8 |
2 |
5,10545 |
200 |
2,7 |
1,8 |
2,30103 |
5,10545 |
400 |
2,8 |
1,866667 |
2,60206 |
5,421335 |
800 |
3 |
2 |
2,90309 |
6,0206 |
1000 |
3,1 |
2,066667 |
3 |
6,305409 |
2000 |
5 |
3,333333 |
3,30103 |
10,45757 |
3000 |
6 |
4 |
3,477121 |
12,0412 |
4000 |
8 |
5,333333 |
3,60206 |
14,53997 |
5000 |
10 |
6,666667 |
3,69897 |
16,47817 |
6000 |
10 |
6,666667 |
3,778151 |
16,47817 |
7000 |
10,5 |
7 |
3,845098 |
16,90196 |
8000 |
10,6 |
7,066667 |
3,90309 |
16,98429 |
9000 |
10,8 |
7,2 |
3,954243 |
17,14665 |
10000 |
12 |
8 |
4 |
18,0618 |
12000 |
12 |
8 |
4,079181 |
18,0618 |
14000 |
12 |
8 |
4,146128 |
18,0618 |
16000 |
12 |
8 |
4,20412 |
18,0618 |
18000 |
12 |
8 |
4,255273 |
18,0618 |
20000 |
12 |
8 |
4,30103 |
18,0618 |
25000 |
12 |
8 |
4,39794 |
18,0618 |
30000 |
12 |
8 |
4,477121 |
18,0618 |
35000 |
12 |
8 |
4,544068 |
18,0618 |
40000 |
12 |
8 |
4,60206 |
18,0618 |
45000 |
12 |
8 |
4,653213 |
18,0618 |
50000 |
12 |
8 |
4,69897 |
18,0618 |
60000 |
11,9 |
7,933333 |
4,778151 |
17,98911 |
80000 |
11,9 |
7,933333 |
4,90309 |
17,98911 |
100000 |
11,9 |
7,933333 |
5 |
17,98911 |
200000 |
11,9 |
7,933333 |
5,30103 |
17,98911 |
400000 |
11,9 |
7,933333 |
5,60206 |
17,98911 |
600000 |
11,9 |
7,933333 |
5,778151 |
17,98911 |
800000 |
11,9 |
7,933333 |
5,90309 |
17,98911 |
1000000 |
11,9 |
7,933333 |
6 |
17,98911 |
Рисунок 3.1 ЛАЧХ усилительного транзисторного каскада
Заключение
В результате выполнения курсового задания я разобрался в принципах работы усилителя электрических сигналов, научился рассчитывать резисторный каскад предварительного усиления, подбирать соответствующий усилительный элемент, производить разработку и изготовление печатной платы с последующим монтажом на неё элементов устройства, то есть получил следующее представление о принципах проектирования усилителей низкой частоты. Данный усилитель способен качественно усиливать электрические сигналы звуковой частоты в заданной полосе пропускания и даже за пределами. Ввиду простоты его принципиальной схемы, данное устройство имеет небольшие габариты. Его просто эксплуатировать и при необходимости устранять неисправности. Все элементы подобраны таким образом, что могут быть легко заменены на новые, то есть их марки и номиналы встречаются довольно часто.
Список использованных источников
1. Полупроводниковые
приборы. Транзисторы:
2. Транзисторы для
аппаратуры широкого
3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1985. – 432с.
КП.210303.103102 |
Лист | |||||
Лист |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
