Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Синусоидальный усилитель

Содержание

Структурная схема и функциональная схемы усилителя
Схема усилителя и описание ее элементов
Исходные данные и рекомендации по выполнению расчета
Расчет

1.Структурная схема и функциональная схемы усилителя

Структурная схема

Источник питания обеспечивает питание усилительного элемента.

Входная цепь служит для передачи входного сигнала в цепь усилительного элемента, а также для предотвращения прохождения постоянной составляющей тока или напряжения смещения усилительного элемента в источник сигнала.

Усилительный элемент предназначен для отдачи в нагрузку сигнала необходимой мощности.

Выходная цепь служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилительного элемента в нагрузку, а также для разделения постоянной составляющей тока или напряжения выходной цепи усилительного элемента и нагрузки.

Цепь обратной связи предназначена для автоматической компенсации влияния температуры на работу исилителя.

Функциональная схема

2.Схема усилителя и описание ее элементов

На схеме обозначены:

Ек- постоянное напряжение питания усилителя;

Rк - резистор в цепи коллектора;

Rэо - резистор в цени обратной отрицательной связи по току;

Rэ- резистор для подстройки коэффициента усиления;

Сэо - конденсатор, шунтирующий резистор Rэо по переменному току;

Rд1, Rд2 - резисторы делителя напряжения а цепи базы;

С1,С2 - разделительные конденсаторы в цепях входного и выходного сигналов, соответственно;

Rн - резистор нагрузки;

евх - действующее значение ЭДС источника входного сигнала;

3. Исходные данные и рекомендации по выполнению расчета

Задание

Разработать транзисторный усилитель синусоидального сигнала по исходным данным табл. 1

Таблица 1

Параметр

Условные обозначения (для прогр.)

Диапазон изменения

Шаг изменения внутри диапазона

мин

макс

Максимальная амплитуда входной ЭДС, E_вх, В

0,1

1,0

S1=0,1

Внутренние сопротивление источника входного сигнала, R_и, кОм

0,1

1,0

S2=0,1

_{Частота
входного сигнала,} _f_{вх, кГц}

S3=1,0

Сопротивление нагрузки, R_н, кОм

S4=1,0

Коэффициент усиления по напряжению, Ku ус.

S5=2

Последовательность выполнения контрольной работы:

- разработать и привести в пояснительной записке электрическую структурную схему усилителя, описать назначение её элементов;

- на основании структурной схемы разработать и привести в пояснительной записке электрическую функциональную схему, объяснить выбор стандартных функциональных элементов и их назначение;

- на основании функциональной схемы разработать электрическую принципиальную схему. Рекомендуемая последовательность расчета: выполнить расчёт начального режима работы усилителя, на основании которого выбрать тип транзистора, определить сопротивления резисторов базового делителя напряжений, коллекторной нагрузки, цепи обратной связи по постоянной составляющей эмиттерного тока, выбрать ближайшие стандартные их значения, привести выходные характеристики усилителя с указанием координат рабочей точки и нагрузочной прямой. Привести в пояснительной записке физическую эквивалентную схему замещения усилителя, на основании которой рассчитать рабочий (динамический) режим: входное и выходное сопротивления усилителя, величину резистора обратной связи по переменной составляющей эмиттерного тока, определить величины емкостей разделительных конденсаторов и блокирующего конденсатора в цепи обратной связи;

- рассчитать входную цепь усилителя, проверить выполнение условия
R_и £ 10R_вх, где: R_и – внутреннее сопротивление источника входного сигнала, R_вх – входное сопротивление усилителя, при необходимости принять меры по выполнению неравенства путём замены выбранного транзистора на транзистор с более высоким значением параметра h₂₁ с последующим уточнением расчёта рабочего режима или путём установки согласующего каскада между выходом источника входного сигнала и входом усилителя;

- привести расчётные номиналы пассивных элементов схемы к ближайшим стандартным значениям, оформить принципиальную электрическую схему и перечень элементов схемы по ЕСКД.

Для курсовой работы выбраны следующие параметры:

Максимальная амплитуда входной ЭДС, E_в_х, В; E_в_х₌₁ _В
Внутренние сопротивление источника входного сигнала, Rи, кОм; Rи=0,1 кОм
_Ч_а_с_т_о_т_а_в_х_о_д_н_о_г_о_с_и_г_н_а_л_а_,_f_в_х_,_К_Г_ц_;_f_в_х₌₅ _к_Г_ц
Сопротивление нагрузки, R_н, кОм; R_н=20 _к_О_м
Коэффициент усиления по напряжению, Ku ус.; Ku ус.=20

4. Расчет

4.1. Расчет начального режима работы усилителя.

Начальный режим (режим покоя, е_вх=0).

Рассчитываем Uос

Напряжение отрицательной обратной связи по постоянной составляющей эмиттерного тока (Uос) образуется на суммарном сопротивлении Rэ+Rэо, как правило его величина выбирается равной 20-30% от напряжения коллекторного питания Ек: Uос=Iэо(Rэ+Rэо)=(0,2…0,3)Ек. Отрицательная обратная связь служит для термостабилизации положения рабочей точки на выходных характеристиках транзистора в рабочем диапазоне температур внешней среды. Такая обратная связь компромисс между потерей части Ек для амплитуды выходного напряжения и качеством термостабилизации.

Рассчитаем Uос для Ек=50 В: Uос=0,2 · 50=10 В

Принцип термостабилизации заключается в следующем: управляющее транзистором напряжение равно: Uбэо=Uбо-Uос, при возрастании температуры внешней среды увеличивается начальный коллекторный ток Iок за счёт увеличения теплового тока коллектора Iко - это приводит к увеличению начального тока эмиттера Iэо и следовательно, Uос, что в свою очередь уменьшает напряжение Uбэо тем самым уменьшается Iок, т.е. рабочая точка остается приблизительно в изначальном положении. При уменьшении температуры процессы протекают с обратным знаком.

Рассчитываем Iок и Iн.макс. и выбираем резистор Rн

Рис.1. Входная характеристика

транзистора в усилителе

Рис. 2. Выходные характеристики транзистора в усилителе

ток Iок, как это следует из выходных характеристик (рис.2), должен быть больше или равен амплитуде тока нагрузки, которую можно определить по исходным данным: Iн.макс.= Кu.ус · Евх/Rн, в этом случае будет обеспечен симметричный размах амплитуды выходного тока, обычно Iок=(1,5…2)Iн.макс.

выбираем резистор Rн номиналом 20 · 10³ Ом (ряды Е96, Е192)

из справочника берем резистор БЛП сопротивлением 20 · 10³ Ом, номинальной мощностью 0,25 Вт и допусками ±0,5%; ±1%

Рассчитываем Iн.макс.: Iн.макс.=20 · 1/20000= 0,001 А

Рассчитываем Iок: Iок=2 · 0,001=0,002 А

Проверяем выбранное Ек

напряжение коллекторного питания должно обеспечивать симметричный размах амплитуды выходного напряжения, т.е. Ек ≥2Uн.макс.+ Uос,

Проверка : 50≥2 · 0,001 · 20000 + 10

50≥40

УСЛОВИЕ ВЫПОЛНЯЕТСЯ

Выбираем транзистор

На основании вычисленных выше характеристик выбираем транзистор КТ 630Б, его технические характеристики:

h21э=200;

_f_{гр=50 Мгц ;}

_U_{кэнас=0,3В}

_U_{бэнас=1,1В}

_{Ск =15 пФ;}

_{Сэ =65 пФ;}

_h_{11э=500
Ом;}

_U_{кэmax=120
В;}

_U_{эбmax=7
В;}

_{Uкбmax=120 В;}

_Iк=1А;

_Iки=2А;

_{Pк=0,8 Вт.}

Рассчитываем Iэо и Rэ+Rэо

Iэо =Iок/ α = Iок · (β+1)/ β = Iок · (h21э+1)/ h21э

расчет Iэо: Iэо=0,002 · (200+1)/200=0,00201 А

Rэ+Rэо= Uос/ Iэо

расчет Rэ+Rэо: Rэ+Rэо=10/0,00201=4975 Ом

Рассчитываем Rк и выбираем резистор

т.к IокRк=Uко=( Ек- Uос)/2, следовательно, Rк= ( Ек- Uос)/2Iок

расчет Rк: Rк= (50-10)/0,004=10000 Ом

выбираем резистор Rк номиналом 10 · 10³ Ом (ряды Е48, Е96, Е192)

из справочника берем резистор С2-34 сопротивлением 10 · 10³ Ом, номинальной мощностью 0,25 Вт и допусками ±0,1%; ±0,25%; ±0,5%; ±1%

Рассчитываем Iбо, Iд1,Iд2

Iбо=Iок/ h21э

расчет Iбо: Iбо=0,002/200=0,00001А

для надёжного фиксирования начального напряжения на базе транзистора (Uбо) токи базового делителя напряжений Iд1,Iд2 принимаются равными (2- 4)Iбо

расчет Iд1,Iд2: Iд1=Iд2=2 · 0,00001=0,00002 А

Рассчитываем Rд1, Rд2 и выбираем резисторы

Rд1= (Ек- Uос- Uбэо)/ Iд1.

Rд2=( Uос+Uбэо)/ Iд2

Обычно для кремниевых транзисторов Uбэо=(0,5…0,7)В

расчет Rд1: Rд1=(50-10-0,7)/0,00002=1965000 Ом

выбираем резистор Rд1 номиналом 1,96 · 10⁶ Ом (ряды Е48, Е96, Е192)

из справочника берем резистор С2-14 сопротивлением 1,96 · 10⁶ Ом, номинальной мощностью 0,5 Вт и допусками ±0,1%; ±0,25%; ±0,5%; ±1%

расчет Rд2: Rд2=(10+0,7)/0,00002=535000 Ом

выбираем резистор Rд2 номиналом 5,36 · 10⁵ Ом (ряды Е96, Е192)

из справочника берем резистор С2-14 сопротивлением 5,36 · 10⁵ Ом, номинальной мощностью 0,25 Вт и допусками ±0,1%; ±0,25%; ±0,5%; ±1%

4.2. Расчет рабочего режима

Рабочий режим (е_вх≠0).

В этом режиме рассчитываются параметры остальных элементов схемы с использованием физической эквивалентной схемы замещения каскада усиления.

Рис.3

Физическая схема замещения каскада усиления

Расчет Rб и R′н

В схеме: Rб= Rд1* Rд2/( Rд1+ Rд2), R′н=Rк*Rн/(Rк+Rн), эти соотношения справедливы, если на частоте рабочего сигнала обеспечиваются условия: Хс1=Хс2≈0 и Хсэ «Rэо.

расчет Rб: Rб=1960000 · 536000/(1960000+536000)=420897 Ом

расчет R′н: R′н=10000 · 20000/(10000+20000)=6667 Ом

Расчет Rвх.тр.ос., Rэ, Rэо, Rвх.ус

входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Rвх.тр.ос.=Uвх/i_б = r_б+r_э(β+1)+Rэ(β+1)=h11э+Rэ(h21э+1),

входное сопротивление усилителя :Rвх.ус.= Rб · Rвх.тр.ос/( Rб +Rвх.тр.ос)

коэффициент усиления по напряжению транзистора: Кu.тр.= i_к · R′н/(i_б · Rвх.тр.ос)
или Кu.тр.= β · R′н/ Rвх.тр.ос= h21э · R′н / Rвх.тр.ос, если Rвх.ус. »Ru, то Кu.тр. ≈Кu.ус,где Кu.ус= i_к · R′н/е_вх, поскольку Uвх=е_вх · Rвх.ус./(Ru+ Rвх.ус.)=
е_вх/(1+ Ru/ Rвх.ус.) и Ru/ Rвх.ус.→0.

если Кu.тр. ≈Кu.ус , следовательно, Rвх.тр.ос= h21э · R′н/ Кu.ус

расчет Rвх.тр.ос: Rвх.тр.ос=200 · 6667/20=66670 Ом

следовательно Rэ= (Rвх.тр.ос- h11э)/ h21э

расчет Rэ: Rэ=(66670-500)/200=331 Ом

следовательно Rэо= (Rэ+ Rэо)- Rэ

расчет Rэо: Rэо=4975-331=4644 Ом

расчет Rвх.ус: Rвх.ус=420897 · 66670/(420897+66670)=57554 Ом

проверка условия Rвх.ус. »Ru: 57554 »100

УСЛОВИЕ ВЫПОЛНЯЕТСЯ

выбираем резистор Rэ номиналом 332 Ом (ряды Е48, Е96, Е192)

из справочника берем резистор С2-10 сопротивлением 332 Ом, номинальной мощностью 0,5 Вт и допусками ±0,5%; ±1%

выбираем резистор Rэо номиналом 4,64 · 10³ Ом (ряды Е48, Е96, Е192)

из справочника берем резистор С2-10 сопротивлением 4,64 · 10³ Ом, номинальной мощностью 0,5 Вт и допусками ±0,5%; ±1%

Рассчитаем Кi.ус

коэффициент усиления по току схемы: Кi.ус = iк/iвх = h21э · R_б/( R_б+ Rвх.тр.ос),поскольку i_вх=i_б+i_д= i_б*(1+ Rвх.тр.ос/ R_б),если R_б » Rвх.тр.ос, то Кi≈ Кi,тр.

расчет Кi.ус: Кi.ус=200 · 420897/(420897+66670)=173

Рассчитаем R вых.ус

R вых.ус.=Uхх/iкз =Rк*iк/iк = Rк=420897 Ом

Рассчитаем величины емкостей конденсаторов

Необходимо рассчитать величины емкостей конденсаторов схемы так, чтобы корректно выполнялись принятые ранее допущения. Рассмотрим эквивалентную схему для конденсатора С1, разделяющего по постоянному току источник входного сигнала и вход усилителя (рис.4)

Рис.4

Эквивалентная схема замещения

входной цепи усилителя.

Ранее было показано, что для простейшей электрической цепи подобного типа (С1-закорочен) коэффициент передачи равен: К = Uвых/Евх = Rвх.ус./ (Rвх.ус.+ Ru) , для цепи, показанной на рис.4 этот коэффициент будет комплексной величиной:

Влияние реактивности Хс удобнее оценивать относительным коэффициентом передачи:

где:τ –постоянная времени RС-цепи.

При правильном выборе С1, фазовыми сдвигами на рабочей частоте можно пренебречь и пользоваться модулем относительного коэффициента передачи цепи:

Задавшись Ύ=0,99 ( потери сигнала на Хс1 не более 1%) можно найти величину С1, удовлетворяющую допущению Хс1≈0, действительно в этом случае wt = 7 , тогда:

расчет С1: С1=1/287735000=0,000000003 Ф

выбираем конденсатор С1 номиналом 3 · 10³ пФ (ряд Е24)

из справочника берем конденсатор КЛС-1 емкостью 3 · 10³ пФ, номинальным напряжение 80 В, ТКЕ Н50 и допустимым отклонением ±20%

Аналогично можно найти величину С2:

расчет С2: С2=1/100500000=0,000000009 Ф

выбираем конденсатор С2 номиналом 9,1 · 10³ пФ (ряд Е24)

из справочника берем конденсатор КЛС-1 емкостью 9,1 · 10³ пФ, номинальным напряжение 80 В, ТКЕ Н50 и допустимым отклонением ±20%

Величину ёмкости блокирующего конденсатора Сэо можно найти из очевидного соотношения :Хсэо«Rэо (в 10-100раз), следовательно Хсэо«46,4 Ом

Сэо=0,69 мкФ

выбираем конденсатор Сэо номиналом 3 · 10³ пФ (ряд Е24)

из справочника берем конденсатор К78-1 емкостью 6,8 · 10⁵ пФ, номинальным напряжение 100 В и допустимым отклонением ±2%;±5%;±10%;±20%;