Расчет выходного каскада усилителя. 2

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего  профессионального образования

Санкт-Петербургский  Государственный Университет  Низкотемпературных и Пищевых Технологий  
 
 

Кафедра электротехники и электроники 
 
 
 
 
 

Пояснительная записка

к курсовой работе

«РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА  УСИЛИТЕЛЯ»

По курсу  «Общая электротехника и электроника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Руководитель работы                                                                 Дорошков А.В.

Выполнил студент                                                                       Воронко П.П.

группы 231+3А 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………………………….………….………….…..………..4

1. Выбор принципиальной схемы …………………………………………….…………………..………….....….. 5
2. Расчет выходного каскада……………………………….……………………….……….……………….……….…..9
1. Выбор выходных транзисторов......………………………….…………………………………...…….9
2. Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки.....11
3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов их работы по постоянному току Построение линии нагрузки .……………………………………………..…………….…………..…...13
4. Определение основных параметров выходного каскада ...............………………….15
5. Расчет элементов связи…………………………………………………………………..……….….….….19
3. Заключение………………………………………………….…………………………………………………….……….…..22

Введение

Одной из наиболее важных операций в электронике является усиление. На базе усилителей построены  практически все электронные устройства.

Целью данной курсовой работы является проектирование бестрансформаторного выходного каскада усилителя на основе биполярных транзисторов. В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, и параметров его компонентов. Для разработки данного усилителя следует произвести предварительный расчёт и оценить тип основных элементов, а также необходимо рассчитать элементы связи.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Выбор принципиальной схемы

Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных  транзисторах с диодно-резистивной  регулирующей цепочкой(VD1, VD2, R_п)

2. Расчет принципиальной схемы
1. Выбор выходных транзисторов

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора  VT3(VT4)

U_km3 =√2U_H =12В

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора  VT3(VT4)

I _km3= U_km3/R_н=1.7 А

Мощность, выделяемая на нагрузке

P_н=(U_н)²/ R_н=10,3 Вт

Необходимое напряжение источника питания

E_n = 1,1(U_km3 +I_km3 • r_нac) = 15 В

r_нас ≈ 0,1−1 - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения. Ом

Так как величину источника питания следует выбирать из ряда (5, 6, 9, 12, 15,18, 24, 27, 36, 48) В, то принимаем  Eп=15 В

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

P_к3=0,7* Р_Н=7,2 Вт

Используя полученные значения P_k3, I _km3, E _п из компьютерной базы кафедры и

справочника по транзисторам, отдавая предпочтение приборам с малым обратным

током I_k0, подбираем транзисторы КТ816 и КТ817 (VT3 и VT4).

На первом этапе  проверяем, что выбранные транзисторы  удовлетворяют по своим предельно-допустимым параметрам следующей системе неравенств:

P_{k доп20} 25Вт > 1,4Р_к3 = 7,2 Вт;

U_k3дon = 45В > 2,2E_п = 33 В;

I_{k доп} = 3А > 1,15*I_km3 = 1,9А 

Указанной системе  неравенств удовлетворяют транзисторы

Затем переходим  ко второму этапу, на котором проверяем могут ли транзисторы VT3 и VT 4 при наибольшей температуре своих корпусов (коллекторов) t_kmax  рассеивать мощность, не меньшую, чем 1,1P_k. Для этого рассчитываем

Р'_кдоп = P_kдоп20[1-0,01(t_kmax -20^oC)] =  12,5Вт

где t_kmax =t_в + (15 – 30) [^oC] - максимальная температура коллекторного пере-

хода; t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур,[^oC].

Транзисторы подходят, так как

Р'_кдоп=  12,5Вт≥1,1P_k=7,9 Вт

Выписываем основные параметры выбранных транзисторов:

P_{k доп20} = 25 [Вт] - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе при 20 ^oC

U_{кэ доп} =45 [B]- максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером

I_{k доп} =3 [А]-максимально допустимый постоянный ток коллектора

h_{21э min} =25- минимальный коэффициент передачи тока базы в схеме общий эмиттер

T_{п доп} =100 [^oC] - максимально допустимая температура перехода

R_{t n-k} = 3[^oC/Вт] - тепловое сопротивление подложка- корпус

I_{k0 20} ^o_С=0.1 [мА] - обратный ток коллектора при 20 ^oC 

2. Выбор режима работы по постоянному  току и построение линии нагрузки

Рассчитываем величину обратного тока коллектора при максимальной температуре по формуле

I_{k0 max}= I_{k0 20} ^o_С * e^{008(tkmax -20)} = 0,008 А

Задаемся током  покоя коллектора I_k03 транзисторов VT3(VT4) из соотношения

I_ok3 > (10 - 30)I_k0max =  0,096 A.

Ток покоя I_k03 должен быть, как минимум, в 10- 30 раз меньше амплитудного значения тока коллектора, поэтому осуществляем проверку

I_ok3 = 0,096 < (0,03 - 0,1)I_km3 = 0,07 • 1,7 = 0,119 А

Условие выполняется, следовательно транзистор подобран правильно

На семействе выходных характеристик транзисторов VT3(VT4) строим нагрузочные прямые по переменному току с корординатоми (рис.2)

A(I_ok3, E_n); B(I_ok3+ I _km3, E_n- U_km3)     А (0,119А ; 15 В) B(1,8А;3В)

Перенеся соответствующие  значения I_об3 и I_{б3 max} на входную харктеристику (рисунок 6), определяем для транзисторов VT3(VT4):

U_бm3 =0.28 В- амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе

U_об3 =0.68 В- напряжение покоя базы

U_{бm3 max} =0.96 В- максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе

I_об3=2 мА- ток покоя базы

I_{бm3 max}=40 мА- максимальное значение тока базы

I_бm3=38 мА- амплитудное значение тока базы

После этого рассчитываем:

• Входное сопротивление базоэмиттерного переходы транзистора VT3(VT4)

R_{вх бэ3}= U_бm3/ I_бm3=7,2 Ом

• Номиналы резисторов R3 и R4

R3 = R4 = (2 - 5 )R_ex =5*7,5 = 36 Ом 
 
 
 

Рисунок 5. Построение нагрузочной прямой транзистора VT3(VT4)

_{Рисунок 6. Определение параметров входного сигнала} VT3(VT4) 
 
 
 
 

3.  Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки

Ток покоя эмиттера транзисторов VT1(VT2)

I_оэ1=I_об3+( U_об3/R3)=0,02 А

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1(VT2)

I_эm1=( U_бm3(R3+ R_{вх бэ3}))/( R3*R_{вх бэ3})=0,05 А

Соответственно амплитудное  значение тока I_кm1≈ I_эт1, так как коэффициент пердачи тока эмиттера близок единице.

Аналогично выбору выходных транзисторов VT3(VT4) выбираем транзисторы VT1(VT2) КТ502В и КТ503В

Транзисторы подходят так как выполняются неравенства:

I_{к доп}> I_к1max= I_km1+ I_ok1≈ I_эm1+ I_оэ1=0,07 А

U_{к доп}>2,1* E_n=31,5 В

P_{к доп}>( P_н* I_бm3)/ I_кm3=0,23 Вт

Для построения линии  нагрузки по постоянному току транзисторов VT1(VT2) выбирают следующие координаты точек A’  и A’’ (см. рис.4)

A’(I_ok1 ,E_n- U_oб3); A’’ (I_ok1+I_кm1 ;E_n -U_об3 – U_km1) A’(0,02 А; 14.32 В) ; A’’(0,07 А;2,1В)

Рисунок 4. Посторение линии нагрузки транзистора VT1(VT2)

Перенеся соответствующие  значения токов базы на входную характеристику

(см. рис.5), определяем для транзисторов VT1(VT 2) :

U _бт1=0.06В -амплитудное значение напряжение на базе;

I _бт1=400 мкА -амплитудное значение тока базы;

I _об1= 60 мкА  -ток покоя базы транзистора;

U_об1 =0,63 В -напряжение покоя базы.

Рисунок 5. Определение параметров входного сигнала транзистора VT1(VT2)

4. Определение основных параметров выходного каскада

Входное сопротивление  базоэмиттерного перехода транзистора VT1(VT2)

R_{вх бэ1}= U _бт1/ I _бт1=150 Ом

Входное сопротивление  верхнего и нижнего плеча выходного  каскада в силу комплементарности транзисторов можно считать одинаковыми, поэтому входное сопротивление выходного каскада

R_вх13≈ R_вх24≈ R_{вх бэ1}+(R3|| R_{вх бэ3})*( I_kт1 /I _бт1)+(R_н*( I_kт3/I _бт1))=31 кОм

Амплитудное значение входного напряжения

U^BK_{вх m}= U_бт1+ U_бт3+ U_kт3=12,34 В

Требуемое падение  напряжения U_од1,2 на диодах VD1, VD2

U_од1,2 =2*U _oб1+ U _oб3=1,94 В

      Так как величина напряжения U_од1,2 получается больше (0,8-1,6)В, то необходимо включать последовательно 4 диода КД509А.

      Диод  КД509А имеет следующие параметры:

• постоянное обратное напряжение - 50В;
• постоянный обратный ток - 5 мкА;
• постоянный прямой ток - 100 мА;

Строим суммарную  вольтамперную характеристику 4-х  последовательно включенных диодов и по ней определяет необходимый ток через диоды (рис.6)

Сопротивление R1 и R2 делителя напряжения

R1=R2=(2E_n-U_од)/ I_од=9,4 кОм

Входные сопротивления  верхнего и нижнего плеч каскада  с учетом шунтирующего действия резисторов R1 и R2

R^BK_вх=(R1||R2)||R_вх13=4,08 кОм

Среднее значение коэффициента усилиния по напряжению выходного каскада

К_u^ВК= U_km3/ U^BK_{вх m}=0,97

Среднее значение амплитуды  входного тока выходного каскада

I^ВК_{вх m}= U^BK_{вх m}/ R^BK_вх=2,9 мА

Можность сигнала на входе выходного каскада

P^ВК_вх=0,5*( U^BK_{вх m}* I^ВК_{вх m})=36 мВт

Коэффициент полезного  действия всего каскада

Ƞ=P_н/[2E_n(I_ок3+ I_од+ I_ок1+(1/π)( I_kт1+ I_kт3)]=0,63≈63%

Уточненое значение мощности, рассеиваемой одним транзистором VT3(VT4)

P_к3max =0,1*((U_н)²/ R_н)+ E_n I_ок3=3,5 Вт

Тепловое сопротивление  корпус среда

R_tк-с=( t_kmax- t_в)/ P_к3max=2,7 ^oC/Вт

Где R_{t п-к}- тепловое сопротивление подложка- корпус

Площадь радиатора

S=1/( К_т* R_tк-с)=283см²

Где К_т=(0.0012-0.014), Вт см^-2 град^-1 –коэффициент теплоотдачи

5. Расчет элементов связи

Целью данного расчета  является определение величин емкостей разделительных конденсаторов С1 иС2.

На практике фазовый  сдвиг υ₂, вносимый конденсатором С2, трудно сделать малым из-за небольшой величины сопративления нагрузки Rн. Для минимизации величины емкости конденсатора принимают:

υ₁=(0,2-0,3) υ_доп=4 град

υ₂=(0,7-0,8) υ_доп=16 град

Рассчитаем емкости  разделительных конденсаторов:

С1=1/(2πf_н(R^BK_вх+ R_r)*tg υ₁)=9,2 мкФ

С1=1/(2πf_нR_н*tg υ₂)=1,3 мФ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

В данном курсовом проекте  было спроектирован усилитель низкой частоты, который отвечает всем параметрам, заданным в техническом условии. Коэффициент полезного действия спроектированного усилителя низкой частоты превышает заданное нам по условию значение, что гарантирует эффективную работоспособность устройства.

В результате работы рассчитан графо-аналитическим методом выходной каскад усилителя. Расчитаны элементы связи в качестве которых использовались разделительные конденсаторы. Определили электрические параметры выходного каскада по переменному току: входное сопротивление R^BK_вх, коэффициент усиления по напряжению К_u^ВК, амплитуды входного тока I^ВК_{вх m} и напряжения U^BK_{вх m.}