Поэтапное проектирование усилителя.

Здравствуйте уважаемые посетители сайта "Помощь электрикам". Сегодня в данной статье поэтапно спроектируем усилитель.

Варианты технических заданий (ТЗ) для курсовой работы

Рекомендации по выполнению задания

Структурно усилитель (рис. 1) обычно состоит:

• из одного или двух каскадов предварительного усиления (ПУ), работающих в режиме А; их число уточняется по мере расчёта усилителя;
• предоконечного каскада (ПК), работающего в режиме А;
• оконечного каскада (ОК), работающего в режиме АВ или В.

Рис. 1. Структура усилителя

Проектирование усилителя предлагается проводить поэтапно.

Этапы:

1) выбор принципиальных схем каскадов (в данной курсовой работе (КР) схема задана (рис. 2), её надо приводить в бланке работы);

Рис. 2. Принципиальная схема оконечного и предоконечного каскадов

2) расчёт оконечного каскада;

3) расчёт радиатора охлаждения;

4) расчёт предоконечного каскада;

5) расчёт каскадов предварительного усиления;

6) расчёт ёмкостей конденсаторов;

7) оформление КР.

Расчёт оконечного каскада

Действия включают выбор напряжения питания, выходных транзисторов VT2 и VT3 по величинам рассеиваемой мощности и сопротивлению нагрузки.

Расчёт начинается с выбора напряжения питания оконечного каскада. Исходя из заданных в ТЗ мощности Р_H и сопротивления нагрузки R_H, находят амплитуды синусоидальных колебаний напряжения U_Hm и тока I_Нm на нагрузке. Им соответствуют амплитуды напряжения U_Кm на коллекторе транзистора одного плеча и тока I_Кm. В соответствии с формулой (1):

                                    (1)

амплитуда напряжения на транзисторе вычисляется по формуле:

.                                            (2)

В предварительном расчёте полученное значение U_Кm необходимо разделить на коэффициент k₁ использования питающего напряжения 0,8–0,9 и результат удвоить. Это делается потому, что транзисторы VT2, VT3 показанного на рис. 2 усилителя работают на половине напряжения источника питания, формируя каждый лишь по одному полупериоду напряжения на нагрузке. При этом часть U_КЭН напряжения даже при максимальном открытии транзистора падает на нём: на обычных транзисторах это 0,2–0,4 В, а на составных – 1–1,2 В. Кроме того, для уменьшения нелинейных искажений сигнала транзисторам VT2, VT3 необходимо задавать начальное, то есть имеющееся между базой и эмиттером при отсутствии входного сигнала, напряжение смещения U_см0: для обычных транзисторов это 0,5–0,7 В, а для составных – 1,3–1,5 В. Исходя из этого предварительно определяют Е_П:

.                                                        (3)

Полученное значение необходимо округлить до значения из стандартного ряда (5, 6, 9, 12, 15, 18, 20, 24, 27, 30, 35, 40, 48, 54, 60) в сторону увеличения. Это значение уточняют при графоаналитическом расчёте выходного каскада. Уточнение осуществляют при построении нагрузочной прямой на графике семейства выходных характеристик транзистора (рис. 3), но сначала его надо выбрать.

Рис. 3. Выходные характеристики транзисторов VT2, VT3

Выбор комплементарной пары транзисторов VT2, VT3, то есть имеющих одинаковые характеристики: максимальные токи коллектора, максимальные напряжения коллектор – эмиттер, входные и выходные характеристики, максимальную мощность рассеивания и т. д., осуществляют по величинам напряжения питания, максимального постоянного тока коллектора и максимального постоянного напряжения коллектор-эмиттер. Эти величины не должны превышать паспортные значения.

Все параметры выбранных транзисторов приводятся в бланке курсовой работы в виде таблицы. Входная и выходные характеристики из справочников приводятся в бланке КР в графической форме в масштабе, достаточном для точных графических построений.

После корректировки величин U_Кm и I_Кm проводят перерасчёт выходной мощности на нагрузке при использовании выбранных транзисторов и выбранного напряжения Е_П:

.                                                  (4)

Полученная мощность должна быть не меньше, чем в ТЗ. Превышение заданной мощности допускается не более чем на 10 %. Если это условие не выполняется, то необходимо подобрать другие транзисторы или изменить напряжение питания.

Расчёт радиатора охлаждения

Площадь S поверхности радиатора охлаждения при естественном конвективном теплообмене может быть определена по приближённой формуле:

,                                    (5)

где Т_Kmax – максимально допустимая температура корпуса транзистора (паспортная величина), °C;

Т_Cmax – максимальная температура окружающей среды (задана в ТЗ), °C;

Р_К – мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, Вт;

R_ПК – тепловое сопротивление переход – корпус транзистора, °C/Вт.

Рассеиваемая одним транзистором мощность Р_К определяется как половина разности полной мощности Р₀, потребляемой из источника при среднем значении синусоидального тока I_ср, и выделяющейся в нагрузке Р_Н:

,  (6)

где . Если расчетная мощность больше справочной, то производится расчёт радиатора.

Тепловое сопротивление корпус транзистора – охладитель R_ПК зависит от площади их контакта, наличия изолирующей прокладки между ними и теплопроводной силиконовой смазки.

В таблице 2 для справки приведены несколько значений контактных тепловых сопротивлений корпус транзистора – радиатор при наличии смазки и без неё.

Таблица 2

Тепловое сопротивление перехода транзистор – радиатор

Расчёт предоконечного каскада

Расчёт начинается с выбора транзистора VT1 каскада по мощности.

На линейном участке входной характеристики (рис. 4) транзисторов оконечного каскада откладывают I_Бm и I_Бсм0 и находят U_БЭm. Входная характеристика транзистора в справочниках обычно приводится для режима с общим эмиттером. Так как в схеме (рис. 2) выходные транзисторы включены по схеме с общим коллектором, то наклон входной характеристики в её случае уменьшают в 1+β раз, где β – коэффициент передачи тока выбранного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Входная мощность Р_вх каскада вычисляется по формуле:

.                                                         (7)

Исходя из полученного значения мощности Р_вх, а также напряжения питания и максимального тока коллектора, который должен быть не менее Е_П / (R_К + R_СМ + R_Э), выбирают транзистор VT1 предоконечного каскада.

Рис. 4. Входная характеристика транзисторов VT2, VT3

Затем необходимо к семейству выходных характеристик транзистора VT1 (рис. 5) добавить эпюру входного тока транзисторов VT2 и VT3 так, чтобы она проецировалась на линейные участки выходных характеристик симметрично относительно точки, расположенной над половиной напряжения питания Е_П. Эта линия является для транзистора VT1 нагрузочной по постоянному току и проходит через точку U_КЭ = Е_П и точку с координатами I_K = I_K0 и U_КЭ = Е_П / 2, то есть под углом R₌. Величина тока I_K0 покоя транзистора VT1 должна быть больше I_Бm + I_Бсм0 – максимального значения базового тока транзисторов VT2, VT3 оконечного каскада.

Рис. 5. Выходные характеристики транзистора VT1

В целом работа предоконечного каскада по переменному току несимметрична. Нагрузочная характеристика при работе этого каскада на транзистор VT2 проходит от точки 0 вправо, а при работе на транзистор VT3 – от точки 0 влево. Однако R_К много больше R_СМ, и достаточно точным является определение нагрузочной прямой одним сопротивлением R_~:

.                                             (8)

Необходимо убедится, что напряжение 2U_KЭ1m попадает справа в интервал нагрузочной прямой по переменному току, где ток коллектора положителен, и не выходит слева за границы линейных участков выходных характеристик. Если этого не произошло, следует выбрать большей величину Е_П или выбрать для оконечного каскада составные транзисторы как имеющие большее усиление и меньший входной ток.

Как и для оконечного каскада, все параметры выбранного транзистора VT1 приводятся в бланке КР в виде таблицы. Входная и выходные характеристики из справочников приводятся в графической форме.

Сопротивления резисторов предоконечного каскада рассчитываются по следующим формулам:

,                                               (9)

,                                                 (10)

,                                           (11)

,                                       (12)

,                                           (13)

где I_Э0, I _Б0 – токи эмиттера и базы VT1 в режиме покоя: I _Б0 = I_Kсм0 / β₁ (где β₁ – коэффициент передачи тока транзистора VT1), I_Э0 = I _Б0(1+β₁).

Значения токов следует уточнить по семейству выходных характеристик (рис. 5). Величина U_БЭ0 напряжения база – эмиттер транзистора VT1 определяется по его входной характеристике (рис. 6).

Рис. 6. Входная характеристика транзистора VT1

После подстановки сопротивлений резисторов из стандартного ряда производится перерасчет токов покоя ПК. Чаще всего R_СМ выполняют в виде одного или двух диодов в прямом включении. Величина прямого падения напряжения на этих диодах должна быть близка к величине 2U_Бсм0 транзисторов ОК. Диоды осуществляют температурную стабилизацию оконечного каскада усилителя. При этом важно, чтобы они были из того же полупроводникового материала, что и транзисторы оконечного каскада.

Для определения общего коэффициента усиления ПК и ОК необходимо для точек 1 и 2 на рис. 5 определить значения тока базы транзистора VT1 и отложить их на рис. 6. Соответствующее амплитуде тока базы транзистора VT1 напряжение U_БЭ1m является для пары этих каскадов максимальным входным. И их общий коэффициент усиления по напряжению вычисляется следующим образом:

.                                               (14)

Входное сопротивление предоконечного каскада является нагрузкой для ПУ и рассчитывается по формуле:

,                                            (15)

где r_вх – входное сопротивление VT1, равное дифференциальному сопротивлению на рабочем участке входной характеристики (рис. 6): r_вх = U_БЭ1m / I_Б1m.

Расчёт каскадов предварительного усиления

Для уменьшения потерь входного сигнала необходимо обеспечить согласование источника сигнала со входом усилителя по напряжению, то есть обеспечить достаточно большое входное сопротивление каскада ПУ. При недостаточной величине этого входного сопротивления необходимо его увеличивать за счёт резистора в цепи эмиттера, не зашунтированного конденсатором, и размещением источника сигнала между базой транзистора и делителем R_1П, R_2П, как показано на рис. 2. В некоторых случаях приходится выполнять ПУ двухкаскадным: у первого из них – необходимое большое входное сопротивление, у второго – недостающее у первого каскада усиление. Необходимо помнить, что общий коэффициент усиления по напряжению цепочки каскадов равен произведению коэффициентов усиления её элементов.

Необходимый коэффициент усиления по напряжению каскада ПУ рассчитывается по выражению:

.                                                  (16)

Порядок расчёта ПУ приведен ниже.

Выбирают токи покоя коллектора, базы и эмиттера транзистора:

I_КП0 > 1,5(I_Б1m + I_Б0);

I_БП0 = I_КП0 / β_П;

I_ЭП0 = I_БП0 + I_КП0,

где β_П – коэффициент передачи тока транзистора каскада ПУ.

Находят значение сопротивлений каскада:

,                                                 (17)

,                                                        (18)

,                                        (19)

,                                             (20)

где R_ЭΣ – суммарное сопротивление в цепи эмиттера;

U_БЭП0 – напряжение база – эмиттер покоя транзистора VT1 каскада ПУ. Следует помнить, что максимальный коэффициент усиления каскада достигается при R_КП > 3R_вхПК

Далее пересчитывают входное сопротивление каскада ПУ через входное сопротивление каскада ПК и находят сопротивление в цепи эмиттера, обеспечивающее требуемый коэффициент усиления по переменному току R′_ЭП. После чего находят сопротивление R_ЭП:

,                                            (21)

,                                                    (22)

.                                                  (23)

Расчёт ёмкостей разделительных и шунтирующих конденсаторов

Разделительные ёмкости С_Г, С_Р, С_РН рассчитывают по общей формуле:

, , .     (24)

Блокировочные конденсаторы С_ЭП, С_Э в цепях эмиттеров рассчитывают исходя из условия 10Х_СЭ < R_Э на нижней частоте:

, .                  (25)