Резонансный усилитель

Резонансный усилитель

ВВЕДЕНИЕ

Резонансный усилитель применяется при усилении сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной системы. Подобный усилитель может использоваться как полосовой фильтр, выделяющий из широкого спектра входного сигнала узкий спектр, соответствующий полосе пропускания.

При работе усилителя в линейном режиме постоянная составляющая тока всегда значительно больше полезной переменной составляющей и КПД мал. Для повышения КПД системы целесообразно работать в режиме с отсечкой тока, то есть использовать нелинейный участок вольтамперной характеристики транзистора.

Важнейшей характеристикой нелинейных резонансных усилителей (НРУ), учитывающих только первую гармонику, является колебательная характеристика, т.е. зависимость амплитуды первой гармоники тока нелинейного элемента от амплитуды входного напряжения. Для работы НРУ без нелинейных искажений необходимо, чтобы колебательная характеристика в рабочем диапазоне изменений входного сигнала была линейна.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

В электрической принципиальной схеме на рис 1.  и - разделительные конденсаторы обеспечивают развязку по постоянному току соседних каскадов. - создает смещение на базе . и  обеспечивают режим по постоянному току транзистора . RФ и СФ образуют фильтр в цепи питания, Смещая точку перегиба на входной характеристике, обеспечивает необходимый угол отсечки..  и  образуют колебательный контур, который обеспечивает избирательность. - уменьшает крутизну транзистора  до необходимой величины для получения .

 -обеспечивает усиление входного сигнала.

, включенный по схеме с общим коллектором передает напряжение с выхода  на свой вход без изменения.

. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

В качестве активного элемента выберем транзистор ГТ311Е, т.к. он удовлетворяет требованиям технического задания. Его основные параметры, которые будут использованы при расчете нелинейного резонансного усилителя приведены ниже:

Статический коэффициент передачи в схеме с общим эмиттером при

Напряжение насыщения база-эмиттер при

=0,23В

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при

=12В

Постоянный ток коллектора =50мА.

Максимальная мощность рассеиваемая коллектором P=150мВт

Рассчитаем параметры контура:

Эквивалентная емкость контура: СК=2l=2с/fРЕЗ=75пФ

Т.к. , тогда . Исходя из этого вычислим характеристическое сопротивление, откуда можно вычислить эквивалентное сопротивление контура , для чего зададимся добротностью 90, тогда ZК=23873 Ом. Сопротивление потерь контура вычисляется в соответствии с

Построим проходную характеристику транзистора, для этого выберем коэффициент передачи тока базы 65

Таблица 1 - Проходная характеристика транзистора ГТ311Е

Выполним аппроксимацию ВАХ транзистора:

Рисунок 1 - Аппроксимация ВАХ транзистора ГТ311Е

Как видно из графика, средняя крутизна равна 204,88 мА/В.

Вычислим значение для функции Берга для первой гармоники тока, т.к. напряжение на колебательном контуре создаётся только первой гармоникой тока, т.е. при уходе от рабочей частоты  возрастает и усилитель практически перестаёт работать. Это следует учитывать для дальнейших расчетов и допущений. Зададимся углом отсечки , тогда:

                                                    (1)

Откуда средняя крутизна, приведенная к первой гармонике равна:

=30.48мА/В                                             (2)

Ток первой гармоники найдем, исходя из следующего соотношения:

                                                                         (3)

Воспользовавшись соотношением функции Берга найдём .

,                                    (4)

Значение входного напряжения найдем из:

, тогда UВХ=0,046В                               (5)

Найдем напряжение рабочей точки, исходя из соотношения:

, где U1-точка перегиба аппроксимационной характеристики

=U1-UBXcosQ=0.243B

Рассчитаем входной и выходной каскады нелинейного резонансного усилителя. Выберем напряжение питания равное 12В. Этого хватит для обеспечения устойчивой работы усилителя.

Рассчитаем выходной каскад:

Падение напряжение на Резисторе  должно быть равно половине напряжения питания, т.е. UR8=6В.

Падение напряжения на сопротивлении равно:

                                                               (6)

Падение на напряжения на сопротивлении равно

Ток делителя будет равен  

резонансный усилитель эмиттер

Ток базы транзистора VT3 равен десятой части тока делителя

                                                                            (8)

Ток коллектора транзистора VT3 равен

Ток коллектора приблизительно равен току эмиттера

Зная ток эмиттера можем найти сопротивление R8

                                                           (9)

Так как мы знаем ток делителя можно найти сопротивления R7 и R6

                                                        (10)

                                                       (11)

Рассчитаем 2-й каскад

В соответствии с расчетными параметрами следует учесть, что

Учитывая ранее рассчитанные значения получаем, что

Падение напряжения на сопротивлении  равно

                                                                       (12)

Далее найдем сопротивление  оно будет равно

                                                        (13)

                                                                 (14)

                                                                  (15)

Найдем ток  по следующей формуле

                                                                       (16)

Из выше приведенного условия найдем ток делителя

                                                                     (17)

Рассчитаем номиналы R4 и R5

                                            (18)  

                                                   (19)

Расчет первого каскада

По схеме видно, что падение напряжения на R5 равно падению напряжения на R3 т.е. можно записать в следующем виде это равенство:

Тогда, учитывая, что  получим:

                                              (20)                                                                             (21)

С учетом того, что т.е.

Исходя из того, что  получим

                                                                             (22)

Найдем ток делителя по формуле

                                                                     (23)

Рассчитаем номиналы элементов схемы

                                                     (24)

                                                  (25)                                                             (26)

Рассчитаем сопротивления делителей , ,

                                                       (27)

                                                             (28)

                                                        (29)

На следующем этапе рассчитаем фильтр и разделительные емкости:

Выбор номиналов фильтра осуществляется из условия, что RC>>1/fPE3, вполне достаточным будет условие: RC=10/fРЕЗ, то есть, при условии, что мы зададимся RФ=1кОм, тогда СФ=1.25нФ.

Далее осуществим расчет сопротивлений эмиттерных переходов, для последующего их использования при расчете разделительных емкостей:

                                                                    (30)

                                                                              (31)

                                                                  (32)

Далее найдем входные сопротивления усилительных каскадов:

                                                       (33)

, где

, где  кОм

Следующим шагом рассчитаем разделительные емкости:

                     (34)

                                                (35)

                                         (36)

                                             (37)

                                                (38)

. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Рассчитаем сопротивление RРТ исходя из следующих соотношений:

, где

Исходя из того, что

Отсюда находим:

В статике рассчитывается схема без , берется ток <<, то есть не должен оказывать влияние на ток покоя транзистора. Тем не менее при расчете рабочей точки транзистора ток выбирается таким, что приращение падения напряжения сместило рабочую точку в соответствии с углом отсечки.

На следующем этапе рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

                                                                           (39)

Далее рассчитаем КПД усилителя:

                         (40)

где РВЫХ-полная мощность выходного тока

(41)

Рассчитаем мощности, рассеиваемые на делителях:

 Вт                                                       (42)

Вт                                             (43)

Вт                                                  (44)

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на эмиттерных переходах:

                                                       (45)

                                                    (46)

                                                       (47)

Подставляя численные значения, получаем:

. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Гармоники тока найдем по формуле:

                                                               (48)

где Т=360, А=IK - максимальный ток контура- номер гармоники. После вычисления, получим:

Рисунок 1 - Спектр гармоник токов.

Частотную характеристику найдем исходя из формулы:

                                                           (49)

Рисунок 2 - Частотная характеристика.

Построим спектр напряжений. Для этого необходимо спектр токов умножить на передаточную функцию, т.е.

                                            (50)

Тогда спектр гармоник напряжения будет:

Рисунок 3 - Спектр гармоник напряжения.

На последнем этапе расчета курсовой работы определим коэффициент гармоник.

                                  (51)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате расчета нелинейного резонансного усилителя были получены результаты для следующих основных параметров:ВХ=0.046В, RВХ=9.941кОм, КУ=108.7, КГ=0.33, КПД=30.264. RВХ получилось небольшим. Это плохо с точки зрения влияния этого сопротивления на работу предыдущего каскада или устройства. Добиться увеличения RВХ можно двумя способами:

выбрать транзистор с большим b.

Уменьшить величину 1/rЭ.

Достоинством усилителя является невысокий коэффициент гармоник из-за оптимального выбора угла отсечки, но, достаточно низкий КПД из-за больших потерь в цепи эмиттерного повторителя.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Б. М. Богданович. Краткий радиотехнический справочник. - Минск «Беларусь», 1976. - 328 с.

И. С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для высших учебных заведений. - М.: «Радио и связь», 1986. - 512 с.

Н. Н. Горюнов. Полупроводниковые приборы: транзисторы: справочник. - М.: Энергоиздат. 1982. - 904 с.