Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра электротехники и электроники

РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Методические указанияк выполнению курсовой работы

по курсу «Электротехника и электроника»для студентов специальности 210200

специализации 210206всех форм обучения

3

Санкт-Петербург 2003

4

УДК 621.3

.....Дорошков А.В. Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты: Метод. указания к выполнению курсовой работы по курсу «Электротехника и электроника» для студентов спец. 210200 и специа-лизации 210206 всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – 51 с.

Сформулирована цель курсовой работы и даны задания для расчета 30 вариантов бестрансформаторного усилителя низкой частоты. Указаны требования к содержанию пояснительной записки и графической документации. Приведена методика расчета основных каскадов и расчета элементов межкаскадных связей усилителя. В приложении приведены статические характеристики ряда мощных биполярных транзисторов, применяемых в усилителях.

РецензентКанд. техн. наук, доц. Ю.А. Рахманов

Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств

Санкт-Петербургский государственный университет

5

низкотемпературных и пищевых технологий, 2003

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Основной целью курсовой работы является овладение методикой и навыками инженерного расчета усилителей переменного тока на современной элементной базе. Работа выполняется в соответствии с учебным планом студентами специальности 210200 – автоматизация технологических процессов (по отраслям), специализация 210206 – автоматизация технологических процессов и производств пищевой промышленности, всех форм обучения.

Исходные данные для расчета усилителя приведены в табл. 1. В ней даны эффективные величины напряжений Uн и э.д.с. Ег

источника сигнала.Усилитель должен быть спроектирован как функционально

законченное устройство с минимальным числом источников питающих напряжений. В усилителе необходимо предусмотреть контрольные точки для измерения токов и напряжений в наиболее характерных узлах схемы.

Результаты выполнения курсовой работы представляются в виде пояснительной записки и схемы электрической принципиальной рассчитанного усилителя.

Таблица 1

Ном

ер з

адан

ия

Соп

роти

влен

ие

нагр

узки

Rн,

Ом

Ном

инал

ьное

вы

ходн

ое

напр

яжен

ие U

н , В

Вну

трен

нее

сопр

отив

лени

е ис

точн

ика

сигн

ала

Rг,

кОм

Вел

ичин

а э.

д.с.

ист

очни

ка

сигн

ала

Eг,

мВ

Ниж

няя

гран

ична

я ча

стот

а f н

, Г

ц

Вер

хняя

гра

ничн

ая

част

ота

f в, к

Гц

Доп

усти

мы

й ф

азов

ый

сдви

г φ

доп,

гра

д

Диа

пазо

н ра

бочи

х те

мпе

рату

р t н

…t в

, о С

1 4 8 4 15 20 15 30 0…40

2 10 20 5 7 400 10 30 0…40

3 12 12 5 7 400 10 30 0…50

6

Ном

ер з

адан

ия

Соп

роти

влен

ие

нагр

узки

Rн,

Ом

Ном

инал

ьное

вы

ходн

ое

напр

яжен

ие U

н , В

Вну

трен

нее

сопр

отив

лени

е ис

точн

ика

сигн

ала

Rг,

кОм

Вел

ичин

а э.

д.с.

ист

очни

ка

сигн

ала

Eг,

мВ

Ниж

няя

гран

ична

я ча

стот

а f н

, Г

ц

Вер

хняя

гра

ничн

ая

част

ота

f в, к

Гц

Доп

усти

мы

й ф

азов

ый

сдви

г φ

доп,

гра

д

Диа

пазо

н ра

бочи

х те

мпе

рату

р t н

…t в

, о С

4 4 9 300 10 20 20 20 0…40

5 6 10 3 1 300 2 15 0…50

Окончание табл. 1

Ном

ер з

адан

ия

Соп

роти

влен

ие

нагр

узки

Rн,

Ом

Ном

инал

ьное

вы

ходн

ое

напр

яжен

ие U

н , В

Вну

трен

нее

cопр

отив

ле-

ние

исто

чник

а си

гнал

а R

г, кО

м

Вел

ичин

а э.

д.с.

ист

оч-

ника

сиг

нала

Eг,

мВ

Ниж

няя

гран

ична

я ча

стот

а f н

, Г

ц

Вер

хняя

гра

ничн

ая

част

ота

f в, к

Гц

Доп

усти

мы

й ф

азов

ый

сдви

г φ

доп,

гра

д

Диа

пазо

н ра

бочи

х те

мпе

рату

р t н

…t в

, о С 6 20 24 10 15 80 10 20 0…40

7 4 10 90 3 60 2 15 0…30

8 8 12 5,1 10 60 2 15 0…40

9 12 8 2000 10 100 5 15 0…60

10 10 10 820 10 20 2 20 0…60

11 1 5 50 15 200 1 20 0…40

12 1 4 300 3 20 1 30 0…50

13 6,8 8 300 1 300 3,4 20 0…50

14 1 8 51 10 20 1,8 10 0…30

15 6 7 1000 15 20 15 30 0…50

16 6 6 19 20 50 5 15 0…50

17 2 6 9000 0,3 400 3 20 0…45

18 10 10 100 30 40 10 15 0…50

19 5 10 1000 30 20 20 20 0…40

7

Ном

ер з

адан

ия

Соп

роти

влен

ие

нагр

узки

Rн,

Ом

Ном

инал

ьное

вы

ходн

ое

напр

яжен

ие U

н , В

Вну

трен

нее

cопр

отив

ле-

ние

исто

чник

а си

гнал

а R

г, кО

м

Вел

ичин

а э.

д.с.

ист

оч-

ника

сиг

нала

Eг,

мВ

Ниж

няя

гран

ична

я ча

стот

а f н

, Г

ц

Вер

хняя

гра

ничн

ая

част

ота

f в, к

Гц

Доп

усти

мы

й ф

азов

ый

сдви

г φ

доп,

гра

д

Диа

пазо

н ра

бочи

х те

мпе

рату

р t н

…t в

, о С

20 2 5 10 1 150 3 15 0…50

21 52 24 50 0,1 80 10 20 0…30

22 7 8,5 75 0,5 60 10 20 0…55

23 19 16 820 10 20 10 30 0…50

24 4 12 1000 15 20 10 15 0…40

25 4 7 33000 1 800 4 15 0…50

26 13 13 50 140 15 20 12 0…50

27 6 10 3000 15 50 8 30 0…35

28 5,3 6 47000 10 25 10 30 0…45

29 24 17 40 8 10 1 30 0…50

30 11 9 68000 1 40 4 25 0…60

2. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ

Пояснительная записка к курсовой работе выполняется рукописным или машинописным способом на одной стороне листа формата А4 в соответствии с требованиями ЕСКД [1]. Она должна содержать:

Титульный лист (см. прил. 1). Задание на курсовую работу. Содержание. Перечень условных обозначений, символов, единиц и

терминов (если они имеются). Введение. Выбор структурной схемы. Выбор принципиальной схемы. Расчет выходного каскада. Расчет предоконечного каскада.  Расчет промежуточного каскада.

8

 Расчет входного каскада.  Расчет элементов межкаскадной связи. Заключение. Список литературы. Перечень элементов (если он не выполнен на поле схемы

электрической принципиальной).

Все рисунки в тексте должны иметь подрисуночные подписи. Рисунки, содержащие построения, должны иметь масштабную сетку. Буквенно-цифровые обозначения условных графических обозначений на рисунках, содержащих схемы, допускается проставлять не по сквозной нумерации. Номиналы резисторов и конденсаторов, типы транзисторов и интегральных микросхем должны быть указаны на рисунках схем пояснительной записки.

В тексте пояснительной записки по ходу выбора элементной базы должны быть приведены основные справочные данные применяемых транзисторов и интегральных микросхем.

Рисунки и схемы можно и желательно выполнять с применением современных компьютерных технологий, используя возможности таких программ как PCAD, Accel PCAD, AutoCAD и др.

При окончательном оформлении курсовой работы пояснительная записка сшивается. Схема электрическая принципиальная проектируемого устройства в записку не подшивается, а вкладывается.

3. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Электрическая схема по формату, условным графическим обозначениям, шрифтам и масштабам строго должна соответствовать требованиям действующих стандартов [1]. Схема может быть выполнена в карандаше либо при помощи графопостроителя (плоттера) на формате А3 или А2. Не допускается склеивание формата. Перечень элементов может выполняться как на свободном поле схемы электрической принципиальной, так и в виде отдельного конструкторского документа.

9

Буквенно-цифровые позиционные обозначения на схеме должны быть проставлены в соответствии с требованиями ЕСКД – слева направо, сверху вниз. Высота букв и цифр должна быть одинаковой и при выполнении карандашом шрифт должен быть не менее 5.

4. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Защита курсовой работы проводится только после проверки окончательно оформленной пояснительной записки и электрической схемы преподавателем, ведущим курсовое проектирование. Полностью оформленная курсовая работа должна быть сдана на проверку не позднее, чем за неделю до защиты. Допуск к защите заверяется подписью преподавателя, ведущего курсовое проектирование.

Защита курсовой работы осуществляется публично перед комиссией, состоящей из ведущего лектора и преподавателя, ведущего курсовое проектирование.

На защите студенту предоставляется 5–8 минут для доклада, в котором он в сжатой форме должен осветить основные моменты работы, а именно:

 Назначение спроектированного усилителя и технические требования, предъявленные к нему в задании на работу.

 Пути решения поставленной задачи, выбор оптимальных вариантов построения.

 Состав и принцип действия усилителя. Реализацию функциональных блоков и особенности

схемотехнического решения. Использованные компьютерные технологии и особенности

применения программных продуктов. Результаты экспериментальных исследований или

компьютерного моделирования (в случае их проведения). Особенности настройки и эксплуатации спроектированного

усилителя.

После доклада студент должен ответить на вопросы, которые ему могут быть заданы членами комиссии и присутствующими на защите.

10

Оценка курсовой работы выставляется с учетом полноты и содержательности ответов при защите, объема и качества проделанной работы, степени самостоятельности, аккуратности оформления и систематичности работы в течение семестра.

Оценка выставляется на титульном листе, заверяется подписями членов комиссии и заносится в ведомость и зачетную книжку студента.

Пересдача курсовых работ не разрешается. В целях повышения оценки по курсовой работе с разрешения деканата студенту может быть выдано новое задание на курсовую работу и после его выполнения производится защита.

5. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Прежде чем разрабатывать принципиальную схему усилителя, необходимо составить его структурную схему.

Структурная схема определяет функциональный состав усилителя и устанавливает необходимые связи между каскадами.

В общем случае усилители низких частот имеют структурную схему, представленную на рис. 1.

нг

г

Iн

нR

U

R

(ВхК)

Выходной каскад

(ВК)

(ПОК)

Е

Промежуточ- ный каскад

Входной каскад

(ПК)

Предоконеч-ный каскад

Рис. 1. Структурная схема усилителя низкой частоты

Входной каскад обеспечивает, главным образом, согласование входа усилителя с источником сигнала. Промежуточный каскад выполняет основное усиление сигнала по напряжению. Предоконечный каскад служит для «раскачки» сигнала по току и напряжению до уровня, необходимого для нормальной работы выходного каскада. Обычно предоконечный каскад обладает небольшими коэффициентами усиления

11

по току и напряжению. Выходной каскад осуществляет основное усиление сигнала по мощности и по току.

В зависимости от технических требований задания на курсовую работу, от схемного решения и выбранной элементной базы приведенные выше каскады могут быть объединены. Например, при применении интегральных операционных усилителей может исчезнуть необходимость в промежуточном каскаде, а, иногда, и в предоконечном. В этих случаях их функции выполняет какой-то другой каскад.

Для определения функционального состава проектируемого усилителя вычисляют:

 амплитудное значение напряжения на нагрузке

;

 амплитудное значение тока в нагрузке

;

 ориентировочное значение коэффициента усиления проектируемого усилителя по напряжению

;

 ориентировочное значение общего коэффициента усиления входного и промежуточного каскадов по напряжению

;

 ориентировочное значение амплитуды входного тока выходного каскада

;

Анализируют полученные значения , , , с учетом верхней граничной частоты на предмет необходимости предоконечного каскада в проектируемом усилителе. Данный каскад необходим если:

  при любом значении , так как максимальный размах выходного напряжения предыдущих каскадов на операционных усилителях обычно не превышает 14В;

12

  и , так как скорость нарастания выходного напряжения в предыдущем каскаде (промежуточном или входном) ограничена при его выполнении на операционном усилителе;

  из-за ограничения выходного тока предыдущего каскада при его выполнении на операционном усилителе.

Затем приступают к анализу коэффициента усиления по напряжению. Если , то необходим промежуточный каскад. В противном случае роль промежуточного каскада может выполнить входной каскад.

Предварительно коэффициент усиления промежуточного каскада на этой стадии проектирования принимают равным коэффициенту усиления входного каскада и вычисляют как

.

6. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Воспользовавшись принципиальными типовыми схемами каскадов, изображенных на рис. 2–8, а также в литературе [2–7], необходимо составить принципиальную ориентировочную схему усилителя. На данном этапе схема является ориентировочной, поскольку после выполнения расчетов может потребоваться ее корректировка в силу ряда причин. Например, окажется недостаточным коэффициент усиления по напряжению или невозможно будет обеспечить термостабильность каскадов и т. п.

При составлении принципиальной схемы необходимо учесть следующее:

 Входной и промежуточный каскады целесообразно выполнять как усилители переменного тока на основе интегральных операционных усилителей.

 При большой величине выходного сопротивления источника сигнала целесообразно использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входах.

 Исходя из величины выходного (внутреннего) сопротивления источника сигнала выбирается схема инвертирующего или неинвертирующего входного каскада. Если

, то можно выбрать схему инвертирующего входного каскада (рис. 2). В случае, когда , целесообразно

13

использовать неинвертирующий входной каскад, имеющий очень большое входное сопротивление (рис. 3).

 Для устойчивой работы усилителя коэффициенты усиления входного , промежуточного и предоконечного каскадов не следует делать более 100.

Коэффициент усиления по напряжению бестрансформаторного выходного каскада обычно лежит в пределах

,

где  – амплитудное значение напряжения на входе входного каскада;

 Выходной каскад лучше выполнять на комплементарных парах транзисторов. Простейшая схема выходного каскада приведена на рис. 5. Наилучшими характеристиками обладает бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом и регулятором режима на транзисторе VT6 (рис. 7). Несколько уступает ему бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом и диодно-резистивной регулирующей цепочкой VD1, VD2, VT3, (рис. 6).

 В качестве элементов связи между источником сигнала, каскадами и нагрузкой проще всего использовать разделительные конденсаторы, которые устраняют взаимосвязь каскадов по постоянному току.

 Для устранения самовозбуждения усилителя необходимо предусмотреть развязку первых каскадов (входного и промежуточного) от выходного каскада по цепям питания. Развязка достигается обычно путем постановки RC-фильтров в цепь питания, либо применения гасящего сопротивления и стабилитрона (рис. 8), шунтированного конденсатором номиналом (22…47) нФ.

 Для питания усилителя целесообразно применять двуполярные источники питания.

14

R4

+

п

пE

U

+

-

C1

DA1

вых +

вх

R2

VD2

VD1

E

R5

R3

R1 U

R6

C3

C2

4

1 NC

2NC

3 W 7m

6GND

8+U5-U

Рис. 2. Инвертирующий входной каскад на операционномусилителе с двумя источниками питания

R4

+

п

пE

+

-

C1

C2

DA1

вых +

Uвх

R2

VD2

VD1

E

R5

R3

R1 U

R6

C4

C3

4

1 NC

2 NC

3 W 7m

6GND

8+U5-U

Рис. 3. Неинвертирующий входной каскад на операционномусилителе с двумя источниками питания

а б

15

U б2э

э

R

вхн

R кR

Uн Uн

п2

C1

Cвх R

- Eп2

н

п1

U R3

ПОК

п1

R

б1

C2

+ E

C1

ПОК

VT1

C3

R2 C2

- E

RR1

ПОК

VT1

ПОК

+ E

Рис. 4. Усилительные каскады на транзисторах:а – по схеме общий эмиттер (ОЭ); б – по схеме общий исток (ОИ)

R2

п

Rп

R1

п

н

U

R

R3

VT4

C2

C1

вх

VT2

VT1

VT3

U

+E

нR4

-E

VD1

VD2

Рис. 5. Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарныхтранзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп)

16

б2

R

+

пб1

R4

п

н

R

R

вх

C1

VD1

п

R3

VT4

C2

R

R2

VD2

VT1R1

VT3

U

+E

н

UVT5

VT2

-E

C3

Рис. 6. Бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом (VT5) с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп)

R

вх

R

б3

+

п

пR

R

R4

п

н

R

б2

C1

б4

R3

VT4

C2

б1

R2

VT6

R

VT1R1

VT3

U

+E

н

UVT5

VT2

-E

C3

17

Рис. 7. Бестрансформаторный выходной каскад с транзисторнымпредоконечным каскадом (VT5) и регулятором режима

на транзисторе (VT6)

а б

п п ф пE

ф

R E

фC

ВКф п

C

ПОК E ПОК

VD1

R EВК

Рис. 8. Цепи развязки по цепям питания усилительных каскадов:

а – с RC-фильтром; б – со стабилитроном

7. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХКАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ

Расчет усилителя всегда начинают с выходного каскада. Он ведется, как правило, графоаналитическим методом. После определения требуемых значений напряжения, тока и мощности входного сигнала выходного каскада приступают к расчету предыдущего каскада – предоконечного.

Рассчитав предоконечный каскад и определив указанные выше величины, приступают к расчету промежуточного каскада, а уже после этого – к расчету входного каскада.

Завершается расчет усилителя определением величин разделительных и блокировочных емкостей, а также расчетом элементов цепи обратной связи.

18

7.1. Расчет выходного каскада

Расчет выходного каскада заключается в решении следующих основных задач:

– в составлении принципиальной схемы выходного каскада, позволяющей реализовать требуемые коэффициенты усиления сигнала по мощности и напряжению, а также обладающей к.п.д. не менее 40…55 %;

– в подборе транзисторов, исходя из требуемой мощности в нагрузке, температуры окружающей среды и заданного либо выбираемого напряжения источника питания;

– в выборе оптимальных режимов работы транзисторов по постоянному току, обеспечивающих малый уровень нелинейных искажений в заданном интервале температур;

– в определении электрических параметров выходного каскада по переменному току (входного сопротивления , коэффициентов усиления по току , напряжению и мощности ; амплитуд входного тока и напряжения , необходимых для раскачки и т. д.);

– в нахождении минимально-необходимой площади радиаторов S.

В качестве примера произведем расчет схемы, приведенной на рис. 5.

7.1.1. Выбор выходных транзисторов

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис. 5)

,

где – эффективное значение напряжения на нагрузке.Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4)

Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке

19

Необходимое напряжение источника питания

,

где   – коэффициент запаса по напряжению; = (0,1…1) – внутреннее сопротивление транзистора в режиме насы-щения, Ом.

Величину источника питания следует выбирать из ряда:

(5, 6, 9, 12, 15, 18, 24, 27, 36, 48) В.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

.

Используя полученные значения из компьютерной базы кафедры и справочника по транзисторам [7] подбирают транзисторы VT3 и VT4 отдавая предпочтение приборам с малым обратным током .

Отбор выполняется в два этапа.На первом этапе проверяют, удовлетворяют ли предельно-

допусти-мые параметры транзисторов следующей системе неравенств:

; ; .

Если да, то переходят ко второму этапу, на котором проверяют могут ли транзисторы и при наибольшей температуре своих корпусов (коллекторов) рассеивать мощность, не меньшую, чем . Для этого рассчитывают

– 20 С)],

где – максимальная температура коллекторного перехода, C; – верхнее значение диапазона рабочих температур, C.

20

Если оказывается, что

,

то транзисторы подходят.Из компьютерной базы, справочника по транзисторам [7] и из

прил. 2 настоящих методических указаний необходимо перерисовать выходные и входные статические характеристики выбранных транзисторов и выписать их следующие основные предельно-допустимые параметры:

 – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе при 20 С, Вт;

 – максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером, В;

 – максимально допустимый постоянный ток коллектора, А;– минимальный коэффициент передачи тока базы в схеме

с общим эмиттером; – максимально допустимая температура перехода, оС; – тепловое сопротивление подложка-корпус, оС/Вт;  – обратный ток коллектора при 20 С, мкА.

7.1.2. Выбор режима работы по постоянному токуи построение линии нагрузки

Если в справочниках дается максимальное значение обратного тока коллектора (при максимально возможной температуре коллекторного перехода транзистора), то ток покоя коллектора транзисторов VT3 (VT4) можно определить из соотношения

.

Когда в справочниках дается значение обратного тока при 20 С, то необходимо сначала рассчитать величину обратного тока коллектора при максимальной температуре по формуле

.

21

Ток покоя должен быть, как минимум, в 10–30 раз меньше амплитудного значения тока коллектора

.

Если это условие не выполняется, то необходимо подобрать транзистор с меньшим значением обратного тока коллектора.

На семействе выходных статических характеристик транзисторов VT3 (VT4) строят нагрузочные прямые по переменному току с координатами (рис. 9):

; .

Рис. 9. Построение нагрузочной прямой транзистора VT3 (VT4)

22

Рис. 10. Определение параметров входного сигналатранзистора VT3 (VT4)

Перенеся соответствующие значения токов и на входную характеристику (рис. 10), определяют для транзисторов VT3 (VT4):

 – амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном

переходе; – напряжение покоя базы;

– максимальное значение напряжения на базоэмиттер-ном переходе;

 – ток покоя базы;

 – максимальное значение тока базы;

– амплитудное значение тока базы.После этого рассчитывают: входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзис-

тора VT3 (VT4)

;

 номиналы резисторов R3 и R4

(для маломощных транзисторов);

23

(для мощных транзисторов).

7.1.3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки

Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2)

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2)

.

Соответственно амплитудное значение тока коллектора , так как коэффициент передачи тока эмиттера близок к

единице.Аналогично выбору выходных транзисторов VT3 (VT4)

выбирают транзисторы VT1 и VT2.Транзисторы подходят, если выполняются неравенства:

;

;

.

Для построения линии нагрузки по постоянному току транзис-торов VT1 (VT2) выбирают  следующие  координаты  точек   и   (см. рис. 11):

;

,

где .

24

Рис. 11. Построение линии нагрузкитранзистора VT1 (VT2)

Рис. 12. Определение параметров входного сигналатранзистора VT1 (VT2)

Перенеся соответствующие значения токов базы на входную характеристику (см. рис. 12), определяют для транзисторов VT1 (VT2):

 – амплитудное значение напряжение на базе; – амплитудное значение тока базы; – ток покоя базы транзистора; – напряжение покоя базы.

25

7.1.4. Определение основных параметров выходного каскада

Входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2)

.

Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3.

.

Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4

.

Амплитудные значения входных напряжений: верхнего плеча на транзисторах VT1, VT3

;

 нижнего плеча на транзисторах VT2, VT4

.

Среднее значение амплитуды напряжения на входе выходного каскада

Требуемое падение напряжения на диодах ,

.

26

Если величина напряжения получается в пределах (0,8…1,6)В, то можно обойтись двумя диодами, а если получается больше, то необходимо включать последовательно 3–4 диода.

Из результирующей вольтамперной характеристики последовательно включенных диодов определяют требуемое значение тока через цепочку R1-VD1-VD2-R, но в любом случае должны выполняться следующие условия:

Сопротивление , делителя напряжения

.

Входные сопротивления верхнего и нижнего плеч каскада с учетом шунтирующего действия резисторов и :

.

Среднее значение входного сопротивления выходного каскада

.

Среднее значение коэффициента усиления по напряжению выходного каскада

.

Среднее значение амплитуды входного тока выходного каскада

Мощность сигнала на входе выходного каскада

27

.

Коэффициент полезного действия всего каскада

.

Уточненное значение мощности, рассеиваемой одним транзис-тором VT3 (VT4)

.

Тепловое сопротивление корпус–среда:

,

где – тепловое сопротивление подложка–корпус.Площадь радиатора

где , Вт см–2 град–1 – коэффициент теплоотдачи.

7.2. Расчет предоконечного каскада

Обобщенная схема предоконечного каскада (ПОК) представлена на рис. 4, а.

При выполнении выходного каскада по схемам, изображенным на рис. 6 и 7, разделительный конденсатор С2 отсутствует (гальваническая связь с нагрузкой), а .

Исходными величинами для расчета каскада являются: сопротивление нагрузки

– для выходного каскада по схеме на рис. 5; – для выходных каскадов по схемам на рис. 6 и 7;

 максимальная амплитуда напряжения на нагрузке

;

28

 мощность , отдаваемая в нагрузку

.Расчет каскада выполняется в следующем порядке.Подбирают транзистор, исходя из: величины максимально допустимой постоянной

рассеиваемой мощности на коллекторе при 20 С

;

 величины максимально-допустимого напряжения между коллектором и эмиттером

;

 величины максимально-допустимого тока коллектора

.

Рассчитывают величину обратного тока коллектора при максимальной температуре окружающей среды tв

.

Задаются минимально-допустимым током коллектора исходя из системы неравенств

Выбирают ток покоя транзистора

.

Напряжение питания каскада определяют как

29

,

где  – изменение напряжения коллектор–эмиттер при изменении рабочей температуры транзистора;

 – падение напряжения на эмиттерном сопротивлении .

Рассчитывают величины сопротивлений

;

Задавая коэффициент нестабильности предоконечного каскада в пределах , находят величины базовых резисторов

;

Для построения линии нагрузки по постоянному току на выходных статических характеристиках транзистора (рис. 13) откладывают координаты точек A и B

;

.

Для построения линии нагрузки по переменному току находят угол наклона линии нагрузки предоконечного каскада по переменному току

30

и под этим углом проводят прямую через рабочую точку О. Данная прямая и будет линией нагрузки по переменному току транзистора предоконечного каскада. Ее рабочим участком является отрезок CD.

Из построений определяют:   – ток покоя базы;   , – максимальное и минимальное значения токов базы;  –  среднее амплитудное значение тока базы.

Рис. 13. Построение линий нагрузки транзисторапредоконечного каскада

31

Рис. 14. Определение параметров входного сигнала

Перенеся значения базовых токов на входную статическую характеристику (рис. 14), находят:

 

 – амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном

переходе;   – напряжение покоя базы;   – максимальное значение напряжения на

базоэмиттерном переходе;После этого рассчитывают входное сопротивление базоэмит-

терного перехода транзистора VT1

,

определяют величину полного входного сопротивления оконечного каскада с учетом шунтирующего действия резисторов и

и находят коэффициент усиления предоконечного каскада по напря-жению

32

.

Для уменьшения влияния разброса параметров транзистора на коэффициент усиления в эмиттерную цепь устанавливают сопротивление , не блокируемое конденсатором . Это сопротивление обычно принимают в пределах

,

где , m = 1 для германиевых транзисторов; m = 2 для

кремниевых транзисторов; – тепловой потенциал при 20 С.

С учетом полное входное сопротивление предоконечного каскада возрастает и становится равным

7.3. Расчет входного и промежуточного каскадов

Входной и промежуточный каскады (если есть необходимость в последнем) выполняются на операционных усилителях.

Схемы каскадов, как правило, идентичны и отличаются только номиналами элементов. Различия в номиналах элементов связаны с различными требованиями к входным сопротивлениям каскадов (

и ) и, возможно, к различным коэффициентам усиления по напряжению ( и ).

Входной каскад должен обладать большим входным сопротивлением , поскольку выходное (внутреннее) сопротивление источника сигнала велико (от сотен кОм до десятков Мом в зависимости от варианта задания).

В то же время требования к входному сопротивлению промежуточного каскада существенно ниже, так как выходное сопротивление входного каскада составляет единицы–десятки Ом.

33

Расчеты выходного и промежуточного каскадов идентичны, поэтому рассмотрим только расчет входного каскада, работающего на предоконечный каскад.

Исходными данными для расчета являются следующие параметры:

 амплитудное значение напряжения на нагрузке входного каскада;

 сопротивление нагрузки либо амплитудное значение тока на нагрузке ;

 внутреннее сопротивление источника сигнала; коэффициент усиления входного каскада по напряжению;

 нижняя граничная частота в частотном спектре усиливаемого сигнала;

 допустимый фазовый сдвиг сигнала во входном каскаде

.

Нагрузкой входного каскада в нашем примере является вход предоконечного каскада бестрансформаторного усилителя низкой частоты, поэтому справедливы следующие соотношения:

;

;

.

Задавшись значением коэффициента передачи входной цепи

,

определяют величину необходимого коэффициента усиления

входного каскада по напряжению в предположении отсутствия промежуточного каскада в усилителе

34

.

Анализируют величину требуемого коэффициента усиления входного каскада по напряжению. Если , то недостающее усиление сигнала необходимо будет получить во втором усилительном каскаде – промежуточном. Коэффициент усиления же входного каскада в этом случае вычисляют как

,

то есть выбирают коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада , равный коэффициенту усиления входного каскада.

Из компьютерной электронной базы кафедры и из справочной литературы [8] подбирают тип операционного усилителя.

Критерием пригодности операционного усилителя является следующая система неравенств

где  – максимальный выходной ток операционного усилителя; – максимальное и минимальное значение напряжения на

выходе операционного усилителя;  – верхняя граничная частота операционного усилителя.

Рассчитывают номиналы резисторов и емкостей.Схемы на операционных усилителях допускают широкий

выбор номиналов резисторов цепи обратной связи , поэтому разработчики могут выбирать их номиналы в довольно широких пределах. Однако нежелательно применять в цепи обратной связи резистор .

Для расчета схемы инвертирующего входного каскада на операционном усилителе (рис. 2) сначала задаются величиной резистора

.

35

Уточняют значение коэффициента передачи входной цепи в области средних частот

и вносят коррективы в величину коэффициента усиления входного каскада по напряжению.

После этого рассчитывают

Если величина резистора получается более 2 МОм, то уменьшают величину резистора и повторяют расчет и .

Величину переменного резистора не рассчитывают, поскольку обычно применяют типовые схемы коррекции смещения нуля операционных усилителей, рекомендованные их изготовителями. Для операционных усилителей общего применения и прецизионных обычно величина резистора берется в пределах от 10 кОм до 100 кОм.

Величину резисторов и находят, исходя из тока потребления входного каскада от каждого источника питания и 

где – напряжение стабилизации стабилитронов .Напряжение стабилизации должно быть равно требуемому

напряжению питания операционного усилителя (при котором получается необходимый размах его выходного сигнала).

Напряжения источников питания выбирают как

В схеме инвертирующего усилителя (рис. 2) конденсатор влияет на амплитудно- и фазочастотную характеристики входного каскада.

36

.

Конденсаторы С2 и С3 служат для высокочастотной развязки по цепям питания. Теоретический расчет их номиналов очень сложен, поэтому обычно ограничиваются опытными величинами

.

Расчет схемы неинвертирующего входного каскада (рис. 2) отличается тем, что сначала задаются величиной резисторов

Величины сопротивлений не рекомендуется брать более 51 МОм.

После этого рассчитывают коэффициент передачи в области средних частот и вносят коррективы в величину требуемого коэффициента усиления входного каскада по напряжению.

Определяют

.

В схеме неинвертирующего усилителя (рис. 2) на амплитудно- и фазочастотную характеристики входного каскада влияет не только конденсатор , но и . Величины указанных емкостей рассчитывают по следующим формулам

7.4. Расчет элементов связи

Целью данного расчета является определение величин емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов.

37

Наличие указанных реактивных элементов приводит к завалу амлитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот и, соответственно, к возникновению сдвига фаз между входным и выходным сигналом. В то же время, согласно заданию на проект, величина фазового сдвига не должна превышать . Обеспечить это требование можно, правильно распределив допустимые значения фазовых сдвигов, а именно:

– для выходного каскада; – для предоконечного каскада

где  – заданное допустимое значение фазового сдвига на весь усилитель.

Допустимый фазовый сдвиг вносимый одним реактивным сопротивлением в i-м каскаде определяется соотношением:

где  – число реактивных элементов в i-м каскаде; – допусти-мый фазовый сдвиг в каскаде.

С учетом выбранного распределения фазового сдвига емкости разделительных конденсаторов рассчитывают по формулам:

,

где – выходное сопротивление предыдущего каскада; – входное

сопротивление последующего каскада (либо нагрузки);  – нижняя граничная частота усилителя.

Величина емкости блокировочного конденсатора в цепи эмиттера транзисторов ( на рис. 4, а, на рис. 6 и 7) рассчитывают по формуле:

,

38

где – соответствующее сопротивление в цепи эмиттера ( на рис. 4, а, на рис. 6, 7);

Допустимые рабочие напряжения на разделительных конденсаторах выбирают из условия:

.

Полученное значение округляется в сторону большего стандартного значения для типовых значений напряжений.

П р и л о ж е н и е 1

Министерство образования Российской ФедерацииСанкт-Петербургский государственный университет

низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра электротехники и электроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАк курсовой работе

«РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯНИЗКОЙ ЧАСТОТЫ»

по курсу “Электротехника и электроника»

Руководитель работы Дорошков А. В.

Выполнил студент Сидоров Ю. В.

39

группы 231

Санкт-Петербург 2003 П р и л о ж е н и е 2

Статические характеристики транзисторов

а б

Рис. 1. Статические характеристики транзисторов

КТ3102А,В и КТ3107А,В:а – входные; б – выходные

40

Рис. 2. Входные статические характеристикитранзисторов КТ502А-Е

Рис. 3. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ502Б-Г

41

Рис. 4. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ502А, В, Д, Е

Рис. 5. Входные статические характеристикитранзисторов КТ503А-Е

42

Рис. 6. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ503А, В, Д, Е

а б

Рис. 7. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов:а – КТ503Б, Г; б – КТ503А, В, Д, Е

43

а б

Рис. 8. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов:

а – КТ502Б, Г; б – КТ502А, В, Д, Е

Рис. 9. Входные статические характеристики транзисторов КТ814А-Г и КТ815А-Г

44

а б

Рис. 10. Выходные статические характеристики транзисторов:

а – КТ814А-Г; б – КТ815А-Г а б

Рис. 11. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов: а – КТ814А-Г; б – КТ815А-Г

а б

45

Рис. 12. Входные статические характеристики транзисторов:

а – КТ816А-Г; б – КТ817А-Г (б)

Рис. 13 Выходные статические характеристикитранзисторов КТ816А-Г

46

Рис. 14. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ817А-Г

а б

Рис. 15. Начальные участки выходных статических характеристиктранзисторов:

а – КТ816А-Г; б – КТ817А-Г

47

а б

Рис. 16. Входные статические характеристики транзисторов:а – КТ818А-Г; б – КТ818АМ-ГМ

а б

Рис. 17. Входные статические характеристики транзисторов:а – КТ819А-Г; б – КТ819АМ-ГМ

48

Рис. 18. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ818АМ-ГМ, КТ818А-Г

Рис. 19. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов КТ818АМ-ГМ, КТ818А-Г

49

Рис. 20. Выходные статические характеристикитранзисторов КТ819А-Г, КТ819АМ-ГМ

Рис. 21. Начальные участки выходных статическиххарактеристик транзисторов КТ819АМ-ГМ, КТ819А-Г

50

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Изд-во стандартов, 1989.

2. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.: Высш. шк., 1980

3. Гершунский Г.В. Справочник по расчету электронных схем. – Киев: Изд-во Киевского ун-та, 1983.

4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных интегральных схем / Пер. с анг. – М.: Мир, 1985.

5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Радио и связь, 1991.

6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1982.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы / Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985г.

8. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. – М.: Радио и связь, 1990.

51

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА......................................................................................................................................... 3

2. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ..................................................................................................................................... 5

3. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ............................................................................................................................................................................................................ 6

4. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ............................................................................................................................................. 6

5. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ................................................................................................................................................................ 7

6. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.................................................................................................................................................... 10

7. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ........................................................................................................................................................................... 15

7.1. Расчет выходного каскада................................................................................................................................................................. 15

52

7.1.1. Выбор выходных транзисторов......................................................................................................................................... 16

7.1.2. Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки............................................................................................................................................ 18

7.1.3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки............................................................................................................................................................................... 20

7.1.4. Определение основных параметров выходного каскада................................................................................................................................................................................. 22

7.2. Расчет предоконечного каскада........................................................................................................................................................ 25

7.3. Расчет входного и промежуточного каскадов.............................................................................................................................. 30

7.4. Расчет элементов связи....................................................................................................................................................................... 35

П р и л о ж е н и е 1............................................................................................................................................................................................ 37

П р и л о ж е н и е 2. Статические характеристики транзисторов................................................................................................................ 38

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................................................................................................. 49

53

Дорошков Александр Валентинович

РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Методические указанияк выполнению курсовой работы

по курсу «Электротехника и электроника»для студентов специальности 210200

специализации 210206всех форм обучения

РедакторЛ.Г. Лебедева

КорректорН.И. Михайлова

_________________________________________________________________________

Подписано в печать 27.10.2003. Формат 6084 1/16.Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,26. Печ. л. 3,5. Уч.-изд. л. 3,19

Тираж 150 экз. Заказ № C 71_____________________________________________________________________

___

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

54