Параметр
|
ГТ307Г
|
КТ361
|
5050
|
|
|
7575
|
|
|
,
Вт1,60,15
|
|
|
,
А3,50,020
|
|
|
,
В3020
|
|
|
,
А0,50,05
|
|
|
,
0C/Вт+30+30
|
|
|
Таким образом, структурно усилитель будет
состоять из двухтактного трансформаторного выходного каскада мощного усиления,
инверсного каскада, двух реостатных каскадов, и входного каскада с полевым
транзистором включённого с общим истоком.
2. Расчёт, выбор типов и номиналов элементов
устройства
.1 Расчёт элементов и обоснование схемы каскада
мощного усиления
Инверсный каскад
Рисунок 1 - Принципиальная схема каскада мощного
усиления
Выходной каскад должен выдавать в
нагрузку необходимую мощность сигнала. Для того, чтобы обеспечить и высокиё КПД
этого и понизить энергопотребление, данный каскад строим по двухтактной схеме.
Суть работы такого каскада заключается в том, что в течение полупериода сигнала
работает только одно плечо каскада. Данный каскад можно использовать режим АВ,
который обеспечит достаточно низкий коэффициент гармоник и высокий КПД (). Его
принципиальная схема приведена на рисунке 1. Выбранный каскад на своём входе
требует включения инверсного каскада.
Используя данные предварительного
расчёта, имеем:
Вт.
Принимаем КПД каскада равным (режим АВ).
Параметры выбранного транзисторы
указаны в таблице 1:
В,(3)
где- напряжение источника питания;
- максимальное напряжения коллектор
- эмиттер.
Полученное значение не превышает
максимального значения данного напряжения выбранного транзистора, что
удовлетворяет максимально-допустимому значению выбранного транзистора.
Сопротивление нагрузки приведенной к
одному плечу можно вычислить по формуле из /3/:
Ом.
Максимальное значение тока коллектора в режиме
к.з. будет равно:
А.
На семействе выходных статических характеристик
транзистора, приведённых на рисунке А.1 строим нагрузочную прямую для режима AB,
при этом по оси Ox
откладываем значение напряжения источника питания, а по оси Oy
максимальное
значение тока коллектора, то есть ток коллектора в режиме короткого замыкания.
Анализируя входные характеристики транзистора, определяем рабочее напряжение и
ток для указанного режима. Они будут равны:
А, В.
Таким образом, значения входного
сопротивления одного плеча каскада, найденного по входным и выходным
характеристикам транзистора, будет равно:
Входное сопротивление полного
усилительного каскада будет равно (по формуле из /3/):
Ом.
Используя найденные значения
сопротивлений и токов, и учитывая, что входным током является ток базы, а
входным напряжением - напряжение на переходе база-коллектор получим, что
входная мощность равна:
Вт,
раз,
дБ.
Находим сопротивления делителя
данного каскада, то есть и . Принимаем
ток делителя равным
А.(4)
Падение напряжение на первом
резисторе принимаем равным в пределах В. Из этих соображений:
Ом,(5)
Ом.(6)
Выражения (5) и (6) могут быть
выведены из 2-ого закона Кирхгофа. Далее выполняем расчёт резисторов по
мощности:
Вт,(7)
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда
Е-24() типа
МЛТ-0,125. Далее рассчитываем входное сопротивление каскада по переменному току
/3/:
Ом.
Рассчитаем коэффициент гармоник для
данного каскада методом пяти координат. Примем значения сил токов каждой из
гармоник следующими:
Найдём силы токов соответствующих
каждой гармоники:
.
Производим выбор выходного
трансформатора.
Коэффициент трансформации с учётом
КПД и сопротивления коллектора получаем:
Рассчитаем сопротивления обмоток
трансформатора:
Получим, что индуктивность обмоток
трансформатора будет равна:
Таким образом, выбираем
трансформатор марки ТМ2-2.
.2 Расчёт элементов и обоснование схемы
инверсного каскада
Реостатный каскад Каскад
мощного усиления
Рисунок 2 - Принципиальная схема инверсного
каскада с разделённой нагрузкой
Данный каскад на выходе должен иметь следующие
параметры:
Выбор в качестве следующего каскада
инверсного обусловлен необходимостью согласования двухтактного выходного
каскада мощного усиления, со следующим реостатным каскадом, включённого по
схеме с общим эмиттером.
Находим значение сопротивления
каскада /3/:
Ом.
Найдём амплитудное значение силы
тока на входе усилителя. Расчёт берём из /3/:
А.
Ток покоя коллектора в этом случае
будет равен:
мА.
Примерно такие же характеристики
имеет транзистор типа КТ361 с параметрами, приведёнными в таблице 1.
Найдём значения сопротивлений,
которые надо включить в цепи стабилизации эмиттера и коллектора. Они будут
равны /3/:
Ом.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда
Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Рассчитаем максимально допустимое
напряжение коллектор-эмиттер:
По входной характеристике данного
транзистора, приведённой на рисунке B.1 можно
определить, что напряжение покоя база-эмиттер равно:
мА,
В.
Для нахождения сопротивлений
составляющих делитель найдём значения тока делителя. Примем его равным А.
Далее находим значение сопротивления второго резистора делителя:
Ом,
где- ток покоя коллектора;
- напряжение покоя на базе.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда
Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Для нахождения значения второго
сопротивления необходимо найти максимальное напряжение покоя на базе при
заданной температуре:
В;
кОм.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда
Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Рассчитаем входное сопротивление
эмиттера переменному току:
Ом.
Найдём входное сопротивление
транзистора инверсного каскада:
,
где Ом - сопротивление эмиттера.
Таким образом, коэффициент усиления
инверсного каскада по напряжению:
.
Сопротивление транзистора инверсного
каскада будет равно:
Ом,
где .
Емкость конденсатора связи:
вычисляется так:
Конденсатор выбираем
электролитический К50-6. Рабочее напряжение-16 В, ёмкость 5 мкФ. Таким образом,
получаем К50-6-16-5,0-.
Входное сопротивление каскада
следующего за инверсным каскадом равно:
2.3 Расчёт элементов и обоснование схемы
реостатного каскада
Реостатный
каскад
|
|
Инверсный каскад
|
Рисунок 3 - Принципиальная схема реостатного
каскада
Выходные данные каскада имеют следующий вид:
Выбор данного каскада обусловлен
требованием высокого коэффициента усиления. В данном каскаде транзистор включен
по схеме с общим эмиттером, потому что при данном включении будет достигаться
наибольший коэффициент усиления как по току, так и по напряжению.
Рассчитаем входное сопротивление
данного каскада:
Найдём максимальный ток коллектора,
который будет равен /3/:
Найдём примерный расчётный ток покоя
коллектора, определяющий выбор транзистора:
А.
Данным параметрам удовлетворяет
транзистор КТ316 параметры, которого уже были указаны таблице 1.
Найдём сопротивления коллектора и
эмиттера включенных в соответствующие цепи транзистора:
Ом,
Ом.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт,
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем оба резистора из
ряда Е-24() типа
МЛТ-0,125.
На семействе выходных характеристик
данного транзистора находим, что ток покоя базы будет равен:
Определяем ток делителя:
Найдём сопротивления R2:
.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Положим что падение напряжения на
стабилизирующем сопротивлении равно 1,5 В. Тогда напряжение делителя смещения
напряжения равно:
В.
Отсюда максимальное напряжение на
базе будет равно:
В.
Далее можно найти сопротивление :
кОм.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Сопротивление делителя напряжения
будет равно:
кОм.
Входное сопротивление транзистора
каскада должно быть равно:
кОм,
где - сопротивление базы из справочника.
Входное сопротивление каскада
переменному току:
Ом,
где Ом.
Найдём амплитудное значение тока на
входе данного каскада:
,
где .
Амплитуда входного напряжения для
данного каскада равна:
Ёмкость конденсатора связи для
данного контура будет рассчитываться и будет равна:
мкФ.
Выбираем конденсатор марки К50-6-16
из ряда E24 с
номинальной ёмкостью 2,7 мкФ.
Ёмкость конденсатора С1,
рассчитываем так:
мкФ.
Выбираем конденсатор из ряда Е24 на
номинал 5,1 мкФ. Марки К53-14 на рабочее напряжение 16 В.
Рассчитываем коэффициент усиления
каскада по напряжению и по току, таким образом, найдём коэффициент усиления по
мощности:
Полученный коэффициент усиления
данного каскада не удовлетворяет данным предварительного расчёта, поэтому
добавим ещё один реостатный каскад, включённый по схеме с ОЭ для получения
максимального усиления по мощности:
Реостатный
каскадИнверсный каскад
|
|
|
Рисунок 4 - Принципиальная схема реостатного
каскада
Выходные данные каскада имеют следующий вид:
Обоснование выбора схемы приведено
выше.
Рассчитаем входное сопротивление
данного каскада:
Найдём максимальный ток коллектора,
который будет равен:
Найдём примерный расчётный ток
коллектора, определяющий выбор транзистора:
А.
Данным параметрам удовлетворяет
транзистор КТ316 параметры, которого указаны в таблице 1.
Найдём сопротивления коллектора и
эмиттера включенных в соответствующие цепи транзистора:
Ом;
Ом.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт,
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем оба резистора из
ряда Е-24() типа
МЛТ-0,125.
На семействе выходных характеристик
данного транзистора находим, что ток покоя базы будет равен:
Определяем ток делителя:
А.
Найдём сопротивления R2:
Ом.
Далее выполняем расчёт резисторов,
применяя формулы (7):
Вт.
Таким образом, учитывая расчёт
резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа
МЛТ-0,125.
Положим что падение напряжения на
стабилизирующем сопротивлении равно 1,5 В. Тогда напряжение делителя
смещения напряжения равно:
Отсюда максимальное напряжение на
базе будет равно:
Далее можно найти сопротивление :
кОм.
Транзистор выбираем с теми же
характеристиками, что и предыдущие.
Сопротивление делителя напряжения будет
равно:
кОм.
Входное сопротивление транзистора
каскада должно быть равно:
кОм,
где - сопротивление базы из справочника.
Входное сопротивление каскада
переменному току:
Ом,
где Ом.
Найдём амплитудное значение тока на
входе данного каскада:
,
где .
Амплитуда входного напряжения для
данного каскада равна:
Найдём входное сопротивление для
данного каскада:
Ёмкость конденсатора связи для
данного контура будет рассчитываться и будет равна:
мкФ.
Выбираем конденсатор марки К50-6-16
из ряда E24 с
номинальной ёмкостью 3,6 мкФ.
Ёмкость конденсатора С1,
рассчитываем так:
мкФ.
Выбираем конденсатор из ряда Е24 на
номинал 3,9 мкФ. Марки К53-14 на рабочее напряжение 10 В.
Рассчитываем коэффициент усиления
каскада по напряжению и по току, таким образом, найдём коэффициент усиления по
мощности:
Таким образом, получили, что
значения входной силы тока и входного напряжения удовлетворяют заданным в
условии задания.
2.5 Расчёт элементов и обоснование схемы
входного каскада
Вход Реостатный каскад
Рисунок 5 - Принципиальная схема каскада с ОИ
Так как сопротивление входного устройства
достаточно велико, то применим полевой транзистор на входе усилителя,
включённый с общим истоком. В качестве напряжения смещения будет использовано
падение напряжения на резисторе в цепи стока.
Для расчёта низкочастотного усилительного
каскада на полевых транзисторах используем следующие исходные данные:
Для выбора типа полевого транзистора пользуемся
следующим соотношением:
, (1)
где - минимальное значение крутизны
стоко-затворной характеристики выбранного транзистора;
- активная составляющая выходной
проводимости полевого транзистора в закрытом состоянии в схеме с общим истоком.
Вторым определяющим параметром при выборе
транзистора служит напряжение сток-исток. Оно не должно быть ниже напряжения
источника питания, то есть:
.
По данным характеристикам наиболее
подходящим является транзистор КП301Б, характеристики которого указаны в
таблице 2.
Подставив все нужные значения в (1), получим
что:
.
Далее необходимо найти эквивалентное
сопротивление каскада, которое вычисляется по следующей формуле /1/:
,
где
Следовательно, подставляя полученные
ранее значения, получим:
Ом.
Определим сопротивление нагрузки в
цепи стока:
кОм.
То, что мы получили отрицательное
значение сопротивления, означает, что при любом сопротивлении нагрузки цепи
стока коэффициент частотных искажений в области верхних частот не будет
превышать заданного значения.
Резистор выбираем из ряда Е-24 с
ограничением по мощности МЛТ-0,125 и номинальным сопротивлением 51 кОм.
В семействе стоковых характеристик
проводя нагрузочную прямую находим значения тока и напряжения соответствующих
рабочей точке. Для нашего случая это:
Рассчитываем сопротивление в цепи
истока:
кОм.
Резистор выбираем типа МЛТ-0,125 из
ряда Е24.
Сопротивление в цепи затвора .
Ёмкость разделительного конденсатора
будет равна:
нФ.
Конденсатор выбираем К53-14, рабочее
напряжение 10 В.
Таким образом, находим, что
сопротивление:
мкФ.
Выбираем конденсатор К53-4 на
напряжение 10 В.
3. Проверка расчётов по коэффициенту усиления
После произведения всех расчётов получили, что
коэффициент усиления каскада:
- мощного усиления ;
инверсного каскада ;
реостатного каскада ;
стокового повторителя .
Таким образом, общий коэффициент
усиления будет равен:
.
Что ненамного превышает расчётное
значения при анализе структурной схемы.
4. Расчёт КПД усилителя электрических сигналов
Для расчёта КПД положим, что полезная мощность,
выделяемая в цепи-это мощность выделяемая на нагрузке. В данном случае она
будет равна:
Вт.
Затрачиваемая мощность это мощность,
которую требуется отдавать в нагрузку от источника питания. Её мы найдем,
применяя первый закон Кирхгоффа, а именно просуммировав все токи коллектора,
помножим их на ЭДС источника сигнала:
Вт.
Таким образом, КПД каскада
определиться отношением:
.
Данное значение вполне удовлетворяет
нужному.
Заключение
Рассчитанный усилитель электрических сигналов
обеспечивает усиление в заданном частотном диапазоне от 100 Гц до 12 кГц.
Коэффициент нелинейных искажений равен 4%, что меньше заданного значения 5%.
Мощность, передаваемая в нагрузку, составляет 2,5 Вт при заданном значении в 2 Вт.
Для улучшения массогабаритных характеристик устройства возможно применение
интегральных микросхем вместо дискретных элементов.
Усилитель можно проверить с помощью
осциллографа, ваттметра и других приборов.
Список использованной литературы
1.Гершунский Б.С. Справочник по
расчету электронных схем.- К.: Вища школа, 1983.- 240 с.
. Цыкина А.В. Проектирование
транзисторных усилителей частоты. - М.: Связь, 1968. - 384 с.
. Цыкина А.В. Электрические
усилители: учебное пособие для техн. связи. - М.: Радио и связь, 1982. - 288 с.
. Транзисторы для аппаратуры
широкого применения//Справочник/ Под ред.Б.Л.Перельмана.- М.: Радио и связь,
1981.- 656 с.
. Конденсаторы: Справочник. (под
ред. Горячева Г.А.) - М.: Радио и связь, 1984. - 88 с., ил.
Приложение
электрический
усилитель сигнал схема
Рисунок А.1 - Выходные статические
характеристики транзистора ГТ703Г
Рисунок А.2 - Входные статические характеристики
транзистора ГТ703Г
Рисунок В.1 - Выходные статические
характеристики транзистора КТ316
Рисунок В.2 - Входные статические характеристики
транзистора КТ316