Глава 2. Выбор и обоснование электрической структурной схемы

Стр 1 из 3Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФГБОУ ВО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Факультет ФИТЭТ

Кафедра ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему: РАСЧЁТ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Выполнил: студент ИКТб-18

Калоев Э. А.

Руководитель: Фетисенко К. И.

Владикавказ 202_ г.

Содержание

Задание 2

Введение 3

Глава 1. Аналитический обзор 4

1.2. Основной усилитель 9

1.3. Усилитель мощности 11

Глава 2. Выбор и обоснование электрической структурной схемы 17

Глава 3. Разработка и обоснование принципиальной схемы 18

3.1. Микросхема КP140УД8A 18

3.2. Транзисторы КТ3102, КТ3107 20

3.3. Диод КД2998А 22

Глава 4. Расчетная часть 24

4.1. Расчет бестрансформаторного усилителя мощности 24

Заключение 28

Список используемой литературы 29

Задание

№

Вар.

Выходная мощность , Вт

эл. град

Сопро-тивление нагрузки, , Ом

Диапазон рабочих частот

ЭДС источника сигнала, , мВ

Выходное сопротивление источника сигнала,

, МОм

f_H, Гц

f_В, кГц

3,0

Введение

Усилителем низкой частоты называют устройство, предназначенное для усиления электрических колебаний звуковой частоты. Усилители низкой частоты широко распространены в радиосвязи, радиовещании и телевидении, в проводном вещании и дальней проводной связи, в автоматике, телемеханике и т. п. Усилители подразделяют по различным признакам на несколько типов.

По назначению различают две разновидности усилителей — усилители напряжения и усилители мощности. Усилители напряжения предназначены для повышения напряжения, получаемого от первичного источника низкочастотных колебаний, до заданной величины. Усилители мощности служат для питания нагрузки током относительно большой мощности, изменяемым в соответствии с изменением входного напряжения.

По роду применяемых усилительных элементов усилители делят на ламповые, в которых усилительным элементом является электронная лампа; полупроводниковые (усилительный элемент — транзистор), магнитные (усилительный элемент — дроссель, под-магничиваемый постоянным током); диэлектрические (усилительный элемент — конденсатор, диэлектрическая проницаемость которого сильно зависит от величины напряженности электрического поля).

Усилительный элемент в сочетании с необходимыми для его работы радиодеталями (сопротивлениями, конденсаторами) представляет собой одну ступень усиления, называемую каскадом.

Целью работы является:

- получение практических навыков проектирования многокаскадного усилителя с использованием интегральных микросхем.

- развитие умения работы со справочной и технической литературой.

Задача работы состоит в разработке и расчете схемы многокаскадного усилителя с заданными техническими параметрами, указанными в задании.

Глава 1. Аналитический обзор

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.

В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис 1.

Рисунок 1 - схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R_б практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров â даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рис 2.

В этой схеме резисторы и подключенные параллельно источнику питания Е_к составляют делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, иначе входное сопротивление каскада окажется малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор – влияние температуры.

Рисунок 2 - схема с фиксированным напряжением смещения на базе

Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из них реализуются с помощью схем, показанных на рис 3-5.

Рисунок 3 - c терморезистором

Рисунок 4 - с диодом

Рисунок 5 - с цепочкой эмиттерной стабилизации RэСэ

В схеме на рис 3 терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора.

Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рис 4. В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рис 5. В этой схему навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора включено напряжение, возникающее на резисторе R_э при прохождении через него тока эмиттера. Пусть, например, при увеличении температуры постоянная составляющая коллекторного тока возрастет. Увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера и падению напряжения на резисторе R_э. В результате напряжение между эмиттером и базой уменьшиться, что приведет к уменьшению тока базы, а следовательно, тока коллектора. В большинстве случаев резистор R_э шунтируется конденсатором большой емкости. Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_э.

Основной усилитель

Основной усилитель, как правило, обеспечивает необходимое усиление входного сигнала по напряжению, т. к. коэффициенты усиления входного усилителя и усилителя мощности малы.

Количество усилительных секций определяется напряжением на входе и требуемым напряжением на выходе усилителя мощности. При распределении коэффициентов усиления секций основного усилителя и для повышения его стабильности не следует выбирать коэффициенты усиления отдельных секций более 100. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется согласно формуле (1):

(1)

Усилительные секции наиболее удобно выполнить на аналоговых интегральных микросхемах, в том числе, операционных усилителях. Применение операционных усилителей позволяет с использованием типовых схем получить высокие технические показатели. При этом для питания схем может использоваться двухполярный источник, что упрощает схему питания всего усилителя, а также исчезает необходимость применения разделительных конденсаторов.

Примеры усилительных секций, собранных на ОУ, представлены на рисунках 6 и 7 соответственно.

Рисунок 6 – Инвертирующий усилитель

Рисунок 7 – Не инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель, показанный нарисунке 6,использует параллельную обратную связь по инвертирующему входу. При этом основные параметры усилителя определяются следующими соотношениями:

1. , (2)

где – коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи;

- множитель, учитывающий конечную величину коэффициента усиления операционного усилителя k₀.

2. . (3)

3. , где >> 1. (4)

Не инвертирующий усилитель, показанный нарисунке7, использующий последовательную отрицательную обратную связь, но по напряжению. Основные параметры усилителя определяются соотношениями:

1. , (5)

где – коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи;

- множитель, учитывающий конечную величину коэффициента усиления операционного усилителя k₀.

2. . (6)

3. , где >> 1. (7)

Если невозможно использовать усилительные секции с применением операционных усилителей из-за ограниченного частотного диапазона ОУ, то секции собираются на дискретных компонентах (транзисторах) по схемам двух- или трехфазных усилителей с RC-связями.

Усилитель мощности

Усилитель мощности предназначен для получения заданной мощности в нагрузке. Усилители мощности выполняются обычно по двухтактным схемам, обеспечивающим возможность работы транзисторов в режиме В или близком к нему АВ с высоким коэффициентом полезного действия.

В настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности. Эти усилители проще трансформаторных в конструктивном исполнении, снижается масса и габариты. В них отсутствуют частотные и нелинейные искажения, обусловленные работой трансформатора.

В каскадах, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (комплементарные транзисторы), можно не использовать разделительную емкость в цепи нагрузки. Типовая схема приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема двухтактного усилителя мощности

Для определения расчета схемы необходимо знать характеристики транзисторов и задаться значением тока коллектора покоя I_ko транзисторов VT₁ и VT₂. Ток покоя для бестрансформаторных каскадов в режиме В обычно берут
порядка:

(8)

где .

Этому току покоя I_ko соответствует определенный ток покоя базы I_б0 и напряжение покоя U_бэ0. Ток делителя, протекающего через резисторы – , I_д выбирают в 5÷10 раз больше базовых токов покоя транзисторов. Это обеспечивает малое изменение потенциалов баз при температурных изменениях. По выбранному току делителя определяют сопротивления:

(9)

Так как R2 мало (несколько сотен Ом), то можно считать, что базы транзисторов по переменному току соединены непосредственно между собой. Для уменьшения сопротивления R2 по переменному току оно может быть шунтировано конденсатором. Однако чаще всего вместо него включают полупроводниковый диод или несколько последовательно соединенных диодов, обеспечивающих требуемое падение напряжения при заданном токе делителя и в то же время имеющих малое дифференциальное сопротивление. Количество диодов определяют с помощью их вольтамперных характеристик. С изменением температуры падение напряжения на диодах изменяется так же, как потенциал U_БЭ0, то температурные изменения тока коллектора существенно уменьшаются, а температурная стабильность каскада увеличивается.

При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК, т. е. как обычный эмиттерный повторитель. Следовательно, выходной сигнал на сопротивлении R_н практически равен входному. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами. Анализ и расчет каждого плеча практически не отличаются от анализа и расчета эмиттерного повторителя. Поэтому выражения, полученные для каскада с ОК, справедливы для каждого плеча во время его работы. Для получения одинакового входного сопротивления в разные полупериоды и одинакового усиления по мощности транзисторы выходного каскада рекомендуется подбирать идентичными, комплементарными.

Для увеличения коэффициента увеличения по мощности применяют каскадное включение транзисторов. На рисунке 9 показаны варианты плеч двухтактного каскада, собранного на двух транзисторах с одинаковыми и разными типами электропроводности.

Рисунок 9 - Каскадное включение транзисторов (схема Дарлингтона)
с одинаковым (а, в) и разным (б, г) типами электропроводности

Коэффициентом усиления по току составного транзистора:

(10)

где – статические коэффициенты усиления транзисторов в схеме ОЭ по току.

Входные сопротивления составных транзисторов:

(11)

Составные транзисторы применяют в случае недостаточного усиления по току транзисторов оконечного каскада или отсутствия комплементарной пары выбранному транзистору.

Так как бестрансформаторные каскады обычно работают с большими токами, то в схемах следует предусматривать улучшенную термостабилизацию. Ее обеспечивают или за счет введения достаточно глубокой отрицательной ОС по постоянному току, или с помощью термозависимых сопротивлений.

При построении усилителя мощности с использованием ОУ, как правило, весь усилитель охватывают цепью общей отрицательной обратной связи. Это позволяет уменьшить коэффициент гармоник, а также обеспечить стабильность рабочего режима и параметров усилителя.

Выбор ОУ производят, руководствуясь следующими основными критериями:

● ОУ должен обеспечить необходимые ток и напряжение на входе оконечного каскада (они для ОУ должны быть не меньше максимальных значений амплитуд входного тока и напряжения каскада).

● Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_max должна быть не менее:

V_max > 2πfв · U_{вх.max.ок},

(12)

где fв – верхняя граничная частота усилителя; U_{вх.max.ок} – максимальная амплитуда напряжения на входе оконечного каскада.

● Если предельный выходной ток ОУ I_{вых.мах} недостаточен для «раскачки» транзисторов выходного каскада, то подыскивают другой ОУ или ставят дополнительный усилительный каскад на биполярных транзисторах.

На рисунке 10 показана одна из схем усилителя выходного тока ОУ.

Рисунок 10 - Пример использования ОУ в качестве предоконечного каскада с коэффициентом усиления, равным единице

Выходной ток такой схемы возрастает в раз:

(13)

где I_вых.оу – максимальный выходной ток ОУ;

– минимальный статический коэффициент усиления по току комплементарных биполярных транзисторов.

Глава 2. Выбор и обоснование электрической структурной схемы

Рисунок 11 – Электрическая структурная схема

Первый каскад представляет собой повторитель напряжения, согласующий выходное сопротивление источника сигнала с входным сопротивлением основного усилителя.

Основной усилитель обеспечивает основное усиление входного сигнала по напряжению.

Усилитель мощности обеспечивает усиление сигнала по мощности.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!