Расчет выходного каскада усилителя

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                                                                        Кулаков Виктор

группы 231+3А 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

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 

     Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление 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 — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

     Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания. Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (в нашем случае), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др..

     Целью данной курсовой работы является проектирование бестрансформаторного выходного каскада усилителя на основе биполярных транзисторов. В задачу входит :

- составление принципиальной  схемы выходного каскада, позволяющей  реализовать требуемые коэффициенты  усиления сигнала по мощности  и напряжению, а также обладающей  КПД не менее 40 %;

- подбор транзисторов, исходя из требуемой мощности  Р_н в нагрузке, температуры окружающей среды t_в и заданного либо выбираемого напряжения Е_п источника питания;

- выбор оптимальных  режимов работы транзисторов  по постоянному току, обеспечивающих  малый уровень нелинейных искажений  в заданном интервале температур;

- определение электрических  параметров выходного каскада  по  переменному току( входного сопротивления R_вх , коэффициентов усиления по току К_i и мощности К_р и др.);

- нахождение минимально-необходимой  площади S радиаторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Выбор принципиальной схемы:

R2

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

2. Расчет  принципиальной схемы
1. Выбор выходных транзисторов

Дано: вариант № 5

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора  VT3(VT4):

U_km3 = √2U_H = 14,2 В ,

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора  VT3(VT4):

I _km3 = U_km3/R_н = 2,4 А,

Мощность, выделяемая на нагрузке:

P_н = (U_н)²/ R_н = 33,6 Вт,

Необходимое напряжение источника питания:

E_n = 1,01*(U_km3 +I_km3 * r_нac) = 15,1 В,

r_нас ≈ 0,1−1 - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения, Ом (Принимаем  r = 0,3)

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

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

P_к3 = 0,4* Р_Н = 13,4 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 КТ816A и КТ817A (VT3 и VT4).

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

P_{k доп20} = 25 Вт > 1,4Р_к3 = 18,8 Вт;

U_k3дon = 40 В > 2,2E_п = 33,2 В;

I_{k доп} = 3 А > 1,15*I_km3 = 2,76 А 

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_k3. Для этого рассчитываем

Р'_кдоп = P_kдоп20[1-0,01(t_kmax -20^oC)] =  15 Вт,

где t_kmax =t_в + (15 …30) = 50 + 20 = 60  ^oC - максимальная температура коллекторного перехода; t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур, ^oC.

Транзисторы подходят, так как

Р'_кдоп = 15 Вт ≥ 1,1P_k = 14,7 Вт.

Выписываем основные параметры выбранных транзисторов:

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

U_{кэ доп}  = 40 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} = 125 ^oC (КТ816А) - максимально допустимая температура перехода;

T_{п доп} = 150 ^oC (КТ817А);

R_{t n-k} = 5 ^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)} = 0,0025 А.

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

I_ok3 > (10 …30)*I_k0max =  0,075 A.

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

I_ok3 = 0,075 < (0,03 … 0,1)I_km3 = 0,07 *2,4 = 0,168 А,

Условие выполняется, следовательно транзистор подобран правильно.

На семействе выходных характеристик транзисторов VT3(VT4) строим нагрузочные прямые по переменному току с координатами: 

Построение  нагрузочной прямой транзистора VT3(VT4)

  A(I_ok3, E_n); B(I_ok3+ I _km3, E_n- U_km3)  =   А (0,168 А ; 15,1 В); B(2,57 А; 0,9 В).

В результате построения нагрузочной прямой находим ток  покоя базы I_об3, максимальный ток базы I_б3max и вычисляем амплитудное значение тока базы:

  I_бт3 = I_б3max - I_об3 = 0,1 – 0,01 = 0,099 A.

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

определение параметров входного сигнала транзистора  VT3(VT4) 

По характеристике находим:

U_бm3 = 0.3 В - амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе;

U_об3 = 0.73 В - напряжение покоя базы;

U_{бm3 max} = 1.03 В - максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе.

После этого рассчитываем:

• Входное сопротивление базоэмиттерного переходы транзистора VT3(VT4):

R_{вх бэ3} = U_бm3/ I_бm3 = 3 Ом;

• Номиналы резисторов R3 и R4:

R3 = R4 = (2 … 5 )* R_{вх бэ3} = 5*3= 15 Ом.

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) = 0,06 А;

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1(VT2):

I_эm1 = ( U_бm3*(R3 + R_{вх бэ3})) / ( R3*R_{вх бэ3} ) = 0,12 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):

I_kдоп > I_к1max = I_кm1 + I_ок1 ≈ I_эт1 + I_оэ1 = 0,18 A;

U_кдоп > 2,1*E_п = 31,7 В;

Р_кдоп > (Р_н*I_бт3) / I_кт3 = 1,39 Вт.

Выбираем транзисторы  КТ814Б и КТ815Б.

Транзисторы соответствуют приведенным выше неравенствам.

Для построения линии  нагрузки по постоянному току транзисторов VT1(VT2) выбирают следующие координаты точек A’  и A’’ :

A’ (I_ok1 ,E_n- U_oб3) -  A’(0,06 А; 14.37 В) ;

  A’’ (I_ok1+I_кm1 ;E_n -U_об3 – U_km1) - A’’(0,18 А; 0,17 В):

где U_кт1 = U_кт3 + U_бm3 

Построение  линии нагрузки транзистора VT1(VT2) 
 

Перенеся соответствующие  значения токов базы на входную характеристику, определяем для транзисторов VT1(VT 2): 
 

Определение параметров входного сигнала транзистора  VT1(VT2) 

U _бт1 = 0.1 В -амплитудное значение напряжение на базе;

I _бт1 = 3,6 мА -амплитудное значение тока базы;

I _об1 = 0,4 мА  -ток покоя базы транзистора;

U_об1 = 0,72 В -напряжение покоя базы. 
 

4. Определение основных параметров выходного каскада

Входное сопротивление  базоэмиттерного перехода транзистора VT1(VT2):

R_{вх бэ1} = U _бт1/ I _бт1 = 28 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)) = 4,11 кОм;

Амплитудное значение входного напряжения:

U^BK_{вх m} = U_бт1 + U_бт3 + U_kт3 = 14,6 В;

Требуемое падение  напряжения U_од1,2 на диодах VD1, VD2:

U_од1,2 =2*U _oб1 + U _oб3 = 2,17 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: 
 

Результирующая ВАХ последовательно включенных диодов

Условия:

I_од > (0,5…1) mA;

I_од > (2…3)*I_об1  - выполняются. I_од = 7 mA.

Сопротивление R1 и R2 делителя напряжения:

R1 = R2 = (2*E_n - U_од)/ I_од  = 4 кОм

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

R^BK_вх = (R1||R2)||R_вх13 = 1,35 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 = 10,8 мА;

Мощность сигнала на входе выходного каскада:

P^ВК_вх = 0,5*( U^BK_{вх m}* I^ВК_{вх m} ) = 79 мВт;

Коэффициент полезного  действия всего каскада: