6. Оформить принципиальную электрическую схему усилителя (ЭЗ) и перечень элементов к ней (ПЭЗ) в соответствие с ЕСКД.

Порядок расчета

Рис. 6. Схема резистивного каскада усилителя

Для выданного варианта задания рассчитать резистивный каскад усилителя (рис. 6) на биполярном транзисторе с заданным типом  проводимости (p-n-p или n-p-n), включенным по схеме с общим эмиттером, имеющим эмиттерную стабилизацию точки покоя, работающем в режиме усиления класса А и имеющем сглаживающий фильтр по цепи питания  элементов смещения (задания) рабочей точки.

Исходные данные приведены в таблице 1.

1.Расчет усилительного каскада

1. Амплитудное значение UВЫХ m  переменной составляющей напряжения выходного сигнала на нагрузке:

UВЫХ m  =  * UВЫХ =;

2. Сопротивление резистора RК  выбирается предварительно из соотношения:

R К  = (3 5)*R Н == 1100 (Ом);

Принимаем стандартное значение R К  =1100 (Ом).

3. Определяется сопротивление нагрузки RН по переменной составляющей усиливаемого сигнала:

RН*  = R К  || RН  = =

4. Амплитудное значение переменной составляющей тока IКm через транзистор:

IК m =  = ;

5. Для обеспечения  выполнения требований I.1 и I.4 при работе усилителя в классе А, необходимо выполнение следующих условий:

UК max Э  2,5 * UВЫХ m = 2,5*11,314=28.284 (В) ;

IК max Э    3 *  IК m = 3*0,056=0,167 (А);

PК max Э   6,25 * UВЫХ m * IК m = 6,25*11,314*0,056=3,927 (Вт) , где

U К max Э =28,284 (В), IК max Э=0,167 (А), PК max Э=3,927 (Вт) –

максимальные значения напряжения, тока и мощности, которые должен обеспечивать транзистор VT.

6. Выбор транзистора VT должен производиться с учетом коэффициента нагрузки (70%) по названным выше параметрам, поэтому транзистор VT выбирается по следующим критериям:

 =;

=;

=.

UК Э max = 40,406 (В)

IК max = 0,238 (А)

PК max = 7,855 (Вт)

На основании полученных данных выбираем транзистор для максимальной температуры из указанного диапазона. Транзистор КТ820А наиболее подходит, по характеристикам полученных данных.

UК Э max= 50 (В),

IК max= 0,5 (А),

PК max= 10 (Вт),

h 21Э ( β ) = 40.

Проведем проверку выполнения условия:

Mв=100,05*4 =1,585

 ==6669 (Гц),

где - верхняя предельная частота транзистора (минимальное ее значение).

7. На выходных характеристиках  IК = f  (UК Э ) транзистора строится линия нагрузки по двум точкам:

IК = 0; UКЭ  = EК = UК max Э = 28,284(В)  (режим холостого хода);

UК = 0; IК = IК max Э  = 0,167(А)  (режим короткого замыкания);

8. Выбор точки П покоя (при работе усилителя в режиме класса А) производиться в середине отрезка АВ. Перпендикуляры, опущенные на оси  UК Э  и IК из точки П, дадут значения IК П = 0,084 (А)   и UК Э П = 14,142 (В) , одновременно определяется и значение IБ П=0,002 (А).

9. На входных

ВАХ - IБ = f (UБ Э ) при IБ  = IБП =0,002(А) и UК Э 0, определяется UБ Э П = 0,64 (В)

10. Сопротивления резисторов в цепях коллектора RК и эмиттера RЭ вычисляются исходя из того, что:

=,

при этом следует учесть рекомендацию:

RK=(5ч7)*RЭ; RЭ=22 (Ом), RK=150 (Ом)

11. Из анализа схемы усилителя, можно получить соотношения для расчета сопротивлений резисторов R1, R2 и RФ;

где:

UБП=UБЭП+UЭП=UБЭП+IЭП·RЭ=0,64+0,084*22=2,477 (В);

IЭП=IКП=0,084 (А);

UФ=(0,1ч0,2)EК=0,15*28,284=4,243 (В);

IД - ток делителя:

IД =(5ч10)IБП =10*0,002=0,02 (А)

rВХ - входное сопротивление транзистора по переменному току;

rВХ=;

∆UБЭ=0,06(В) и ∆IБ=0,0005(А) - определяются по входной характеристике.

При определении rВХ по входным характеристикам транзистора приращения ∆U и ∆I находят на участке ВАХ  IБ= f (UБЭ) при UКЭ≠0, прилегающим к точке покоя П (в окрестности точки покоя П).

Для проверки правильности расчетов вычисляют значение эквивалентного сопротивления RЭКВ в цепи базы транзистора:

==310 (Ом)

Необходимо, чтобы выполнялось условие:

RЭКВ=(2ч5)·rВХ.;

RЭКВ=2,58* rВХ =2,58*120= 310 (Ом)

12. Емкость конденсатора СЭ рассчитывается исходя из того, что для нижней частоты f Н полосы пропускания XСЭ≈0,1RЭ, откуда:

==2000 мкФ

13. Входное сопротивление усилительного каскада определяется:

=

14. Ёмкости конденсаторов С1 и С2 определяются:

=

=

15. Ёмкость конденсатора СФ выбирают такой, чтобы на частоте f =50Гц промышленной сети выполнялось условие:

XСФ<<RФ.

Можно принять, что XСФ=0,1RФ, тогда

откуда =

где f=50Гц, но это без учета коэффициента сглаживания q.

16. Расчет СФ с учетом коэффициента сглаживания q:

а). Определяем нагрузку фильтра:

=

б). Определяем коэффициент KФ:

=

в). Значение емкости СФ с учетом коэффициента сглаживания q будет:

= , где f =50Гц.

17. Коэффициент усиления по напряжению будет:

=,

где RН~==

βtoC =40 - выбирается при минимальной температуре из указанного диапазона.

18. Коэффициент усиления по току будет:

=

19. Коэффициент усиления по мощности:

КР=КI·KU=15*33,33=500

20. Выходное сопротивление:

RВЫХ ≈RК=150 (Ом).

2. Определение коэффициента нелинейных искажений усилителя (КНИ)

1. КНИ оценивается по коэффициенту гармоник (КГ), расчет которого производится после разработки и определения параметров элементов схемы усилительного каскада.

Если известно внутреннее сопротивление генератора (источника) усиливаемых сигналов (что является в нашем случае заданным, сопротивление RГ), можно рассчитывать КГ методом пяти ординат по сквозной динамической характеристике, построенной для известного значения RГ.

2. Для построения сквозной динамической характеристики используют нагрузочную прямую переменного тока (на выходных статических характеристиках) и входную характеристику транзистора.

На отрезке АВ нагрузочной прямой определяют граничные точки 1 и 5, которые находятся на проекции амплитудных значений тока коллектора Iкm (+Iкmи -Iкm) или амплитудных значений переменной составляющей напряжения (+Uвыхm и -Uвыхm). Остальные точки (2ч4) определяются как результат пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками (соответствующих конкретным базовым токам).

Для каждой точки (1ч5) находят значения тока коллектора (iК1чiК5). Далее определяют амплитуды переменных составляющих тока и напряжения входного сигнала. Для этого на входную статическую характеристику транзистора [iБ= f (UБЭ)], включенного по схеме с ОЭ, переносят точки пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками транзистора (получают точки 1'ч5'). Опустив перпендикуляры из точек 1'ч5' на горизонтальную ось (UБЭ) определяют амплитуды переменных составляющих напряжения входного сигнала (UБЭ1чUБЭ5).

Затем, для каждой из этих точек вычисляют э.д.с. источника (генератора) усиливаемых сигналов по формуле:

eГ = UБЭ+iБ·RГ;=

(UВХ) (iВХ)

и результаты вычислений сводят в таблицу, чтобы получить координаты точек (1"ч7") для построения сквозной динамической характеристики.

eГ1(max) =1,2+54*55*10-3=1,15 (В)

eГ2 = 1,1+40*55*10-3=1,06 (В)

eГ3 = 1+32*55*10-3=0.892 (В)

eГ4 = 0,85+20*55*10-3=0.73 (В)

eГ5(min) = 0.7+10*55*10-3=0.484 (В)

3. По данным таблицы строится сквозная динамическая характеристика:

iК= f (eГ).

Как правило, полученная характеристика имеет слегка выраженный S-образный характер.

4. При расчете коэффициента гармоник (КГ) используем наиболее распространенный метод пяти ординат (или метод Клина).

5. При реализации этого метода с помощью сквозной динамической характеристики определяют некоторые значения тока коллектора (Imin, I2, I0, I1, Imax), которые используют при расчете коэффициента гармоник. (Повторяем график сквозной динамической характеристики)

На сквозной динамической характеристике отмечаем две точки, соответствующие max и min (iК1 и iК5) выходного тока (тока коллектора - Imax и Imin) и проектируем их на горизонтальную ось (отрезок aд).

Затем этот отрезок делим на четыре равные части (аб=бв=вг=гд) и находим по графику значения токов I1=138(мА), I0=97(мА), I2=52(мА).

6. По методу Клина коэффициент гармоник однотактного каскада, работающего в режиме А, определяется по формуле:

=

где I1m, I2m, I3m, I4m - первая, вторая, третья и четвертая, соответственно, гармоники выходного сигнала.

7. Гармоники выходного сигнала, в свою очередь, рассчитываются по следующим формулам:

=

=

=

= =

8. Среднее значение тока может быть определено:

=

9. Правильность вычислений найденных токов можно проверить по формуле:

I1m+I2m+I3m+I4m+Iср=Imax.

Imax=140(мА)

I1m+I2m+I3m+I4m+Iср=59+(-3)+(-3,3)+2,3+85=140(мА)

10. Коэффициент гармоник КГ, полученный по формуле в п.2.6 выражают в %. При этом значения КГ, как правило, не должны превышать (3ч5)%.

КГ=8,5%

Приведём в соответствие позиционные обозначения элементов в расчетах ПЭЗ:

Страницы: 1, 2