Технические дисциплины - Схемотехника

ВВЕДЕНИЕ

Во многих областях современной науки и техники часто требуется необходимость усиления электрических колебаний различных видов с сохранением их формы. Устройства, предназначенные для этой цели, называют усилителями.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных приборов ‑ усилительных элементов, которые получают энергию от источника питания и преобразуют её в энергию усиливаемых сигналов, т. е. обладают управляющими свойствами.

Управляющий источник энергии от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя в которой эти сигналы входят ‑ входной цепью или входом усилителя. Устройства являющиеся потребителем усиливаемых сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь, к которой подключают нагрузку ‑ входной цепью или выходом усилителя

Iвх Iн

 

Rист

Uвх Uн Rн

Рвх Pн

Еист

Усилитель

Источник сигнала                                                                         Нагрузка

 

 

Источник  питания

 

 

Рис. 1

Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых колебаний, называют источником питания усилителя или основным источником питания т. е. усилитель как – бы черпает энергию из источника питания и преобразует её в полезную колебательную мощность на нагрузке.

Для обеспечения заданной мощности в нагрузке применяется оконечный каскад, входной каскад и n – промежуточных каскадов, совокупность каскадов – блок – схема усилителя

1                    2                   3                     4                    5                   6                   7

 

 

1-      источник сигнала;

2-      согласующее устройство;

3-      предварительный каскад усиления;

4-      n-промежуточных каскадов;

5-      оконечный каскад;

6-      согласующее устройство;

7-      нагрузка.

 

Рис. 2

Согласующее устройство предназначено для передачи сигнала от источника сигнала на вход предварительного каскада усилителя и с оконечного каскада на нагрузку усилителя. В качестве согласующего устройства используют разделительные конденсаторы которые позволяют отделить постоянную составляющую тока и напряжения от переменных составляющих, они же используются для межкаскадной связи.

Входной и промежуточный каскады обеспечивают усиление сигнала до уровня необходимого для работы оконечного каскада усилителя, который обеспечивает заданную мощность в нагрузке.

Усилительное устройство характеризуется рядом технических показателей. В зависимости от того какие показатели являются основными формируется требование к проектированию усилителей, выбираются способы их технической реализации.

-          коэффициент усиления усилителя:

n

Кn=         Кi – если усилитель содержит n каскадов.

i=1

-          при усилении прямоугольных импульсов качество работы усилителя оценивают его переходной характеристикой.

-          нелинейные искажения представляют собой искажения выходного сигнала, вызванные наличием в усилителе нелинейных элементов (транзистор, лампа, диод и т. д.). Особенность нелинейных искажений – появление в спектре выходного сигнала новых дополнительных частотных компонент (гармоник), отсутствующих во входном сигнале. Мерой нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений

Кг=   U22 + U32 + …   /U1

 

где U2, U3, … амплитуды высших гармоник, U1 – амплитуда или

действующее значение 1 – ой (основной) гармоники.

-          в выходном сигнале присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой определённой доли выходного сигнала. Основные помехи возникающие в усилителе это фон и шумы.

Фон – добавочное напряжение на выходе, вызванное питанием усилителя от сети переменного тока, или наводкой от внешних полей. Уменьшение фона достигается за счет:

1)      сглаживания пульсаций питающего напряжения (фильтры);

2)      использование ООС;

3)      рационализация конструкции и монтажа устройства.

Шумы представляют собой помехи флюктационного характера.

Усилители высокой чувствительности усиливают сигналы малой интенсивности. Основная задача которую необходимо решить при их проектировании, - обеспечение заданного отношения сигнал/шум, приведённого к определённому участку цепи. Поэтому большое внимание уделяется расчету общего уровня шумов на выходе устройства.

 

 

 

 

 

 

Выбор функциональной и принципиальной схемы

 

Выберем схему стабилизации с отрицательной обратной связью по постоянному току, последовательного типа. Это приведёт к наилучшему показателю стабильности коэффициента усиления. Тип транзистора (p-n-p), так как к усилителю не предъявляется особых требований, то Iok=(0.5…5)mA.

Малые величины (Uok) – нежелательны т. к. при этом транзистор теряет усилительные свойства, а его выходная, входная и проходная проводимости становятся большими, следовательно Uok > (2…4)В.

Для проверки правильности выбора Iok и Uok:

Pк = Iok Uok< Ркmax

Pк = 0.001*3=0.003Вт<0.15Вт (КТ 361 Б)

fпред = 250МГц ; h21э = 50 … 350

учтём условие: fпред = h21эFв , где Fв=18 КГц

250*106 > 350*18*103

(250 > 6.3) МГц

К0 = (0.3 … 0.4) h21min = 0.35*50=17.5

К0 = 20lg17.5 = 25 дб

Кобщ = 20lg3500 = 70 дб

N= lg Кобщ / lg К0 = 70/25 = 2.8

N=3 , где N – число каскадов.

Проверим, обеспечит ли транзистор (КТ 361 Б) в трёхкаскадном усилителе заданную верхнюю граничную частоту полосы пропускания: fв= 18 КГц

fпред

Fв=18 КГц <                  M2в общ – 1  = (*)

h21max

Мв = Мн = 3дб

3дб = 20 lg x

lg x = 3/20 = 0.15

x = 100.15 =1.41 раз

250*106

(*) =                        1.412 - 1     362.4 КГц

350

 

Вывод: транзистор КТ 361 Б можно использовать в усилителе. Выберем режим работы транзисторов:

Iok = 1мА

Uok = 3В

Находим значения параметров транзистора:

S0 = (q Iok) / (K T) = (1.69*10-19 * 10-3 ) / (1.38*10-23 300К) = 40mA/B

g0 = S0 / h21 = 40mA/B / (50 … 350) = (0.1 … 0.8) mCM

Распределим частотные искажения в области нижних частот по каскадам

Мн =   Мн =    1.41   = 1.09  1.1

Считая что частотные искажения каскада Мн обусловлены разделительным конденсатором С и блокировочным конденсатором находим:

Мн1 = Мн2 =   Мн =   1.1  = 1.05

 

Принципиальная схема усилителя  (Рис 3)

 

 

Расчет величин элементов оконечного каскада

 

 

Rф2

 

R9 R11

Cф2 C7

 

 

 

R10 R12 C6 Rн

 

 

Выберем напряжение питание:

E =   10Pн Rн

Pн = U2m вых / 2 Rн = 35mВт

E =   10*35*10-3*180  = 7.82

Eп = Е + U0 = 11В

Ikm = Irn + Uвых /Rкор = Irn + (1.5*Irn* Uвых) / (0.4* Eк)

Irn = Uвых / Rн = 9.5mA

Ikm = 9.5*10-3 + (1.5 * 9.5*10-3 * 3.5) / (0.4*11) = 10.3mA

Iк0 = (1.05 … 1.2) Ikm = 1.1*10.3 * 10-3 =11.4mA

Минимальный ток покоя коллектора транзистора

Найдём Rk и Rэ взяв падение напряжения на них равных 0.4* Eк и 0.2* Eк соответственно:  (Rk = R11 ; Rэ = R12 )

R11 = 0.4* Eк / Iк0 = 0.4*11 / 11.4*10-3 = 285 Ом

R12 = 0.2* Eк / Iк0 = 0.2*11 / 11.4*10-3 = 196 Ом

При этом Uкэ0 = Ек - Iк0* Rк - Iк0* Rэ

Uкэ0 = 11 – 0.0114*285 – 0.0114*196 = 8.5

По характеристикам транзистора КТ 361 Б (Рис. 4, 5) находим Uбэ0 ; Rвх оэ ; при Uкэ = 8.5 В. Построим нагрузочную прямую рис. 4

Eк / Rk = 11/285 = 38 mA

Eк = 11 В

По графикам определим:

Iб0 = 0.085 mA

Uбэ0 = 0.55 В

Rвх = Uбэ / Iб = 6470 Ом  6.5 кОм

Rвх оэ = 6.5 кОм

Падение напряжения на Rф принимаем   Urф = (0.1 … 0.2)Eк

DUrф = (1.1 … 2.2) В 1.5 В

Напряжение, подводимое к делителю:

Е’к = 11 – 1.5 = 9.5 = Uд

Рассчитаем R9 и R10 (делитель)

Iд = (2…5)Iб = 3.1*0.085mA = 0.26 mA

R9 = (Uд - DU - Uбэ0) / (Iб0 + Iд) = (*)

DU = 0.1*Eк

(*)= (9.5 – 1.1 – 0.55)/(0.085*10-3 + 0.00026) = 22753 Ом=22.8 кОм

R10 = (DU + Uбэ0) / Iд = (1.1 + 0.55)/0.00026 = 6.346 кОм

Rф = DUrф / (Iд + Iк0) = 1.5 / (0.00026 + 11.4*10-3) = 95.8 Ом

Сф = (10 … 50) / fн Rф = 10/50*95.8 = 2040мкФ

Ёмкость разделительного конденсатора:

С7 = 0.159 / (fн (Rвых + Rвх. сл.)    M2н – 1)

Rвых + Rвх. сл. = Rк + Rн = 285 + 180 = 465 Ом

С7 = 0.159 / (50*465   1.412-1 = 6.8 мкФ

Сэ = 106 / (2 p fн 0.1 Rэ) = 106 / (2*3.14*50*0.1*196) = 162 пкФ

С6 = Сэ

Iм вх 3к = Iб = Iкм / bmin = 0.08 мА

Кт3 = Ikm / Iбм = 20

Uвх = Iбм * Rвх оэ = 0.08*10-3*6.5*103 = 0.54 В

 

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

 

Элемент каскада

Численное значение

R9

22.8  Ком

R10

6.346  кОм

R11

285  Ом

R12

196 Ом

Rф

95.8  Ом

Rн

180  Ом (задано)

Сф

2040  мкФ

С6

162  пкФ

С7

6.8  мкФ

 

Расчёт величин элементов промежуточного каскада

 

Rф1

 

R5 R7

Сф1 C5

 

 

 

R6 R8 C4 Rн

 

 

Iкм = Iвх м сл+ (Uвх м сл / R2сл) + (Uвх м сл / R1сл) + (Uвх м сл / Rкор)

Rкор = 0.4* Е’к / Iк0 = 0.4*9.5 / 1.5*0.08*10-3 = 31.6 кОм

Uвх м сл = 0.52 В; R2сл = R10; R1сл = R9

Iкм = 0.08*10-3 + 0.52 / 6346 + 0.52 / 22800 + 0.52 / 31600 = 0.2 мА

Рассчитаем ток покоя цепи коллектора:

Iк0 = (1.05 … 1.2)Iкм = 1.2*0.2 = 0.24 мА

Примем ток покоя равным 1мА тогда:

Rк = R7 = 0.4* Е’к / Iк0 = 0.4*9.5 / 10-3 = 3.8 кОм

Rэ = R8 = 0.2* Е’к / Iк0 = 0.2*9.5 / 10-3 = 1.9 кОм

Uкэ0 = Ек’ - Iк0* Rк - Iк0* Rэ = 9.5 – 3.8 – 1.9 = 3.8 В

Построим нагрузочную прямую II:

Iк = Е’к / Rк = 9.5 / 3800 = 0.0025 A = 2.5 mA

Uб0 = 0.5 В Iб = 0.03*10-3 А; Rвх оэ = Uбэ / Iб = 15 кОм

DUrф = 1.5 В; Е”к = 9.5 – 1.5 = 8 В

R5=(Uд - DU - Uбэ0) / (Iб0 + Iд) = (*)

Iд = (2…5)Iб0 = 5*0.03mA = 0.15 mA

DU = 0.1*E”к = 0.1*8 = 0.8 В

(*)= (8 – 0.8 – 0.5)/(0.03*10-3 + 0.15*10-3) = 37.2 кОм

R6 = (DU + Uбэ0) / Iд = (0.8 + 0.5)/0.00015 = 8.6 кОм

Сэ = С4 = 106 / (2 p fн 0.1 Rэ) = 106 / (2*3.14*50*0.1*1900) = 20.9 мкФ

С5 = 0.159 / (fн (Rвых + Rвх. сл.)  M2н – 1 ) = 0.159 / (50*4300  1.412-1) = 1 мкФ

Rф = DUrф / (Iд + Iк0) = 1.5 / (0.00015 + 10-3) = 1304 Ом

Сф = (10 … 50) / fн Rф = 10/50*1304 = 153 мкФ

Iм вх = Iб = Iкм / bmin = 0.19/50 = 3.8 мкА; Кт3 = Ikm / Iбм = 19;

Uм вх сл = Iбм * Rвх оэ = 0.063 В

 

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

 

Элемент каскада

Численное значение

R5

37.2  кОм

R6

8.6  кОм

R7

3.8  кОм

R8

1.9  кОм

Rф

1.3  кОм

Сф

153  мкФ

С4

20.9  мкФ

С5

1  мкФ

Расчёт величин элементов входного каскада

 

 

R1 R3

С1 C3

 

 

 

R2 R4 C2 Rн

 

 

 

Iкм = Iвх м сл+ (Uвх м сл / R5) + (Uвх м сл / R6) + (Uвх м сл / Rкор)

Rкор = 0.4* Е’к /(1.5*Iм вх сл) = 0.4*9.5 / 1.5*3.8*10-6 = 56.1 кОм

Iкм = 3.8*10-6 + 0.063 / 37200 + 0.063 / 8600 + 0.063 / 56100 = 1.33*10-5 мА

Iк0 = 1 мА

R3 = 0.4*Е”к / Iк0 = 0.4*8 / 10-3 = 3200 Ом

R4 = 0.2*Е”к / Iк0 = 0.2*8 / 10-3 = 1600 Ом

Uкм = Е”к - Iк0* R3 - Iк0* R4 = 3В

Построим нагрузочную прамую III:

Iб0 = 0.02*10-3 А; Uбэ0 = 0.45 В; Rвх оэ = 12.5 кОм

Е”’к = 8 В Iд = (2…5)Iб0

R1 = (Uд - DU - Uбэ0) / (Iб0 + Iд) = (*)

DU = 0.1*E”к = 0.1*8 = 0.8 В

(*) = 65.3 кОм

R2 = (DU + Uбэ0) / Iд = 12.5 кОм

Сэ = С2 = 106 / (2 p fн 0.1 Rэ) = 106 / (2*3.14*50*0.1*1600) = 23.9 мкФ

С3 = 0.159 / (fн (Rвых + Rвх. сл.)  M2н – 1 ) = 0.159 / (50*4500  1.412-1) = 1 мкФ

Iм вх = Iбм = Iкм / bmin = 0.133/50 =0.26 мкА

Кт3 = Ikm / Iбм = 3.8 мкА / 0.26 мкА = 19

Uм вх сл = Iбм * Rвх оэ = 0.96 В

С1 = 106 / (fн (Rвых + Rвх. сл.)  M2н – 1 ) = 1.38 мкФ

С1 =1 мкФ

 

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

 

Элемент каскада

Численное значение

R1

65.3  кОм

R2

12.5 кОм

R3

3.2  кОм

R4

1.6  кОм

С1

1 мкФ

С2

23.9  мкФ

С3

1  мкФ

 

 

 

Расчёт шумовых свойств транзистора

 

Расчёт ведём для входного каскада:

Y = Ес/   (Fш – 1)4КТDfRг

Ес = 2*10-3 B; Fш =6 дб = 1.99; Df = fн – fв = 17950 Гц

К = 1.38*10-23 ; Т = 300 К; Rг = 1500 Ом

Y = 0.002 /   (1.99 – 1)*4*1.38*10-23*300*17950*1500 = 3010

Yдб = 20lg3010 = 69.5дб

Расчет нелинейных искажений

 

Нелинейные искажения возникают из-за получения требуемой Рн для достижения которой используется вся область статической характеристики транзистора включая нелинейные участки.

Для количественной оценки коэффициента гармоник (Кг) строится сквозная динамическая характеристика по току: Iк= f(Eг) для построения требуется входная и выходная статические характеристики транзистора

Количественно под нелинейными искажениями понимают отличае форм выходного сигнала относительно входного. Положение сквознтой динамической характеристики определяется величиной нагрузки и сопротивлением генератора (построения и расчёт для оконечного каскада).

Построим сквозную динамическую характеристику:

Rдел = (R9*R10)/(R9+R10) = 22.8*6.3/(22.8+6.3) = 5 кОм

Rист = (R’к*Rд)/(R’к+Rд) = 3.8*5/(3.8+5) = 2.2 кОм

На нагрузочной прямой берём точку пересечения. Для неё:

Iвых = Iк = 33мА; Iвх = Iб = 0.3мА

По выходной характеристике найдём для этой же точки:

Uвх = Uбэ = 0.62В

Значит для этой точки:

Uист = Uвх + Iвх*Rист = 0.62+0.3*10-3*2200 = 1.28 В

Для удобства запишем полученные значения в виде таблицы:

Iвых = Iк мА

33

27

20

15

10

4

Iвх = Iб мА

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

Uвх = Uбэ В

0.62

0.61

0.59

0.56

0.54

0.51

Uист=Uвх + Iвх*Rист В

1.28

1.16

1.03

0.89

0.76

0.62

 

По результатам таблицы строим график (рис. 6) Iк = f(Uист):

 

I0 = 17.5 мА                               Imin = 4 мА

I1 = 24.5 мА                               Imax = 33 мА

I2 = 10.5 мА

 

Расчёт гармоник (1,2,3,4) выходного тока:

I1m = (Imax – Imin + I1 - I2)/3 = (33-4+24.5-10.5)/3 = 14.3 mA

I2m = (Imax + Imin - 2I0)/4 = (33+4-2*17.5)/4 = 0.5 mA

I3m = (Imax – Imin – 2(I1 - I2))/6 = (33-4-2*(24.5-10.5))/6 = 0.16 mA

I4m = (Imax + Imin – 4(I1 + I2)+6*I0)/12 = (33+4-4*(24.5+10.5)+6*17.5)/12 = 0.16 mA

Iср = (Imax + Imin +2(I1 + I2))/6 = (33+4+2*(24.5+10.5))/6 = 17.8 mA

 

I1m+I2m+I3m+I4m+Iср = 32.92 33 = Imax

 

Kг =    I2m2+I3m2+I4m2 / I1m =     (0.5 2+0.16 2 0.16 2 )*10-6 / (14.3*10-3) = 1.83%

Полученное значение удовлетворяет заданному:

Кг<2%

Второй способ:  По рис. 6 а=б; а+б-2с=0 тогда:

Кг2=(3*(а-б))/(4*(а+б+с));  Кг3= 0.5(а+б-2с)/(а+б+с)

Кг =    Кг2 + Кг3 + …  =     (8.6*10-3)2+(5.75*10-3)2 = 1.63%

 

Расчёт частотных искажений

 

Мв=      1+(2*p*fв0*Rэкв)2

С0 = Сдел = 2.6 10-6 Ф

Rэкв = 11.3 Ом

Мв=      1+(2*3.14*18000*2.6*10-6*11.3)2 = 1.1

Мв=[дб] = 0.84 дб на один ккаскад.

Так как усилитель состоит из 3-х каскадов то

Мв общ= 0.84+0.84+0.84=2.52 дб

Полученное значение не противоречит заданному

Расчёт регулировки усиления

 

 

По условию задана плавная (16 дб) регулировка усиления.

Rр > Dр (Rвых+ Rвх сл)

Rвх сл = Rвх оэ R2 сл R1 сл

Rвых = Rвых тр Rк

Rвых тр = Uм вых / Iм вых = 0.06 / 3.8*10-6 = 15789 Ом

Rвых = 15789*3200/ (15789+3200) = 2661 Ом

Rвх оэ * R2 сл / (Rвх оэ + R2 сл ) = 15800*8600/(15800+8600) = 5.67 кОм

Rвх сл = 5670*36/(5670+36) = 4900Ом

Rр > 16 дб (2661 + 4900) > 6.31*7561 > 47710 Ом

Rр > 47.710 кОм

Литература

 

  1. Под редакцией Н. В. Терпугова “Проектирование усилительных устройств” Москва “Высшая школа” 1982 год
  2. А. В. Цыкина “Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты” Изд. “Связь” 1968 год.
  3. А. В. Цыкина “Электронные усилители” Москва “Радио и связь” 1982 год.
  4. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова “Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам” Москва “Энергия” 1979 год

 

 

Содержание

 

Введение …………………………………………………….…  1

Выбор функциональной и принципиальной схемы ………   3

Расчет величин элементов оконечного каскада …………   4

Расчёт величин элементов промежуточного каскада ….  6

Расчёт величин элементов входного каскада …………….  7

Расчёт шумовых свойств транзистора …………………..  8

Расчет нелинейных искажений ……………………………  9

Расчёт частотных искажений …………………………… 10

Расчёт регулировки усиления ……………………………… 11

 

Литература ………………………………………………….. 12

 

Обоз наче ни


Название

Кол-  во

Примечание

Элементы схемы

R1

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R2

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R3

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R4

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R5

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R6

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R7

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R8

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R9

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R10

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R11

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

R12

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

Rф1

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

Rф

Резистор МЛТ – 0.125 -      кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77

1

Rр

 

 

В тексте есть схемы и формулы.

Работа пересылается по заявке!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

английский язык репетитор москва цены