Характеристика резистора R7. Знакомство со способами проектирования усилителя напряжения. Анализ этапов расчета входного каскада. Рассмотрение схемы эммиторного повторителя. Знакомство с особенностями моделирования электрических схем в программе Multisim.
Аннотация к работе
Прежде чем начать рассчитывать усилитель, выберем некоторые его элементы и условия моделирования. Для получения высокого входного сопротивления входной каскад построим по схеме с общим коллектором (эммиторный повторитель): Рис. Входное сопротивление подсчитывается по формуле: Rвх=?(R2 Re) где ? - коэффициент усиления тока транзистора в схеме с общим эммитором; Re - объемное сопротивление эммиторного перехода; R2 - нагрузочное сопротивление эммитора. Определим ток коллектора Ico (ток покоя в статическом режиме), при котором падение напряжения на эммиторной нагрузке R2 во-первых, равное падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эммитор), и во-вторых, было бы меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Особенности этой схемы - низкое входное сопротивление, высокое выходное сопротивление, усиление по току и напряжению, входной и выходной сигналы находятся в противофазе.В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет всех элементов усилителя, выявлены некоторые особенности его работы.
Введение
Прежде чем начать рассчитывать усилитель, выберем некоторые его элементы и условия моделирования.
В качестве транзисторов будем использовать нашедшие широкое применение в практике КТ3102 и КТ3107.
Напряжение питания - 12 В
Напряжение источника сигнала - 0,1 МВ
1.Исходные данные. Усилитель мощности
Ку = 10000
Rн = 10 Ом
Uвых = 2 В
Rвх = 10 КОМ
2.Расчетная часть. Расчет входного каскада
Для получения высокого входного сопротивления входной каскад построим по схеме с общим коллектором (эммиторный повторитель):
Рис. 1. Схема эммиторного повторителя
Особенностью этого каскада является высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, выходной и входное сигналы синфазны, усиление только по току.
Входное сопротивление подсчитывается по формуле: Rвх=?(R2 Re) где ? - коэффициент усиления тока транзистора в схеме с общим эммитором; Re - объемное сопротивление эммиторного перехода; R2 - нагрузочное сопротивление эммитора.
Для выбранного транзистора ? = 175; Re в справочных данных не указаны, по этому входное сопротивление каскада определить не удается, но оно будет оценено ниже.
Определим ток коллектора Ico (ток покоя в статическом режиме), при котором падение напряжения на эммиторной нагрузке R2 во-первых, равное падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эммитор), и во-вторых, было бы меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Первое условие запишется в таком виде: I2*R2 Uce=Uпит
I2=?ICO/(?-1)
При условии, что ?>>1, ток коллектора можно принять равным току эммитора. Ток покоя в таком случае вычисляется по формуле: Ico=Uпит/R2
Возьмем ток покоя равным 6 МА, тогда R2 будет равен
R2=U/I=2000 Ом
Сопротивления R1 и R3 легко подбираются путем моделирования схемы. Варьируя значения этих резисторов, добьемся максимального не искаженного напряжения на выходе усилителя: R1= 90 КОМ; R2= 19 КОМ.
Разделительный конденсатор C1 выберем равным 10 мкф. Т.к. в задании не указана рабочая частота усилителя, будем полагать, что он работает в звуковом диапазоне. Т.е. полоса пропускания должна быть как минимум от 20 Гц до 20 КГЦ [2].
3.Расчет вторичного каскада
Задача вторичного каскада - обеспечение усиления по напряжению и согласование первичного и оконечного каскадов. Для вторичного каскада выберем схему с общим эммитором:
Рис. 2. Схема с общим эмиттером
Особенности этой схемы - низкое входное сопротивление, высокое выходное сопротивление, усиление по току и напряжению, входной и выходной сигналы находятся в противофазе.
База транзистора VT2 будет подключена непосредственно к эммитору VT1, тем самым ток смещения VT2 будет задаваться током рабочей точки VT1. Блокировочный конденсатор C2 выберем равным 1000 мкф (из условия, что проектируемый усилитель работает в звуковом диапазоне). R4 и R5 подбираются с помощью программы моделирования, исходя из амплитуды и искажения сигнала: R4 = 6 КОМ; R5 = 500 Ом.
Коэффициент усиления по напряжению в этом случае составляет 45. Коэффициент усиления следующего каскада должен составлять: 10000/45=222
4.Расчет выходного каскада
Выходной каскад будет построен по двухтактной схеме с обратной связью [3]. Для увеличения коэффициента усиления используем составные транзисторы. Для того чтобы их «раскачать» понадобится еще один усилитель напряжения, выполненного на транзисторе VT3:
Рис. 3. Схема усилителя мощности
Основная отличительная особенность этой схемы - низкое выходное сопротивление, что позволяет ей работать на низкоомную нагрузку.
Резистор R7 определяет режим работы транзистора, R6 служит для компенсации напряжения открытия p-n перехода, т.е. предотвращения искажения типа «ступенька» (или «пятка»):
Рис. 4. Искажение типа «ступенька» при замыкании R6
График смещен по оси Y на 1 вольт вверх. В действительности, эта «ступенька» находится на оси X.
R8 определяет глубину обратной связи, т.е. усиление по напряжению. С приведенными элементами коэффициент усиления по напряжению этого каскада составляет 250.
5.Исследование характеристик усилителя
Полностью рассчитанный усилитель с номиналами элементов приведен на рис. 5.
Рис. 5. Усилитель
Схема состоит из одного не инвертирующего усилителя и двух инвертирующих, тем самым мы получаем не инвертирующий усилитель.
Ток, текущий через конденсатор C1 равен 5 НА, напряжение источника сигнала - 0,1 МВ. По формуле Ома легко найти входное сопротивление усилителя: R=U/I=(0,1*10-3)/(5*10-12)=20 КОМ
Изменяя частоту сигнала, можно определить рабочий диапазон частот усилителя. Возьмем максимально допустимое затухание сигнала равным 1,5 ДБ (±10%) полоса пропускания в этом случае составляет 20 Гц - 50 КГЦ.
Рис. 6. Зависимости входного и выходного сигнала от времени (входной сигнал измеряется в 1 МВ на деление, а выходной 500 МВ на деление)
Величина гармонических искажений, измеренная с помощью инструмента «Distortion Analyzer», на частоте 1 КГЦ, составила 1,972% (-34,101 ДБ). Такие параметры усилителя позволяют использовать его в звуковоспроизводящей технике высокого класса [2]. Общий коэффициент усиления по напряжению составил 11033, который регулируется в широких пределах резистором обратной связи выходного каскада R8.
Вывод
В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет всех элементов усилителя, выявлены некоторые особенности его работы.
Также был получен навык моделирования электрических схем в программе Multisim.
Графическая часть представлена электрическими схемами и эпюрами напряжений.
Список литературы
1.Транзисторы / А. А. Чернышев, В. И. Иванов, В. Д. Галахов и др.; Под общ. ред. А. А. Чернышева. - 2-е изд., переад. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 144 с., ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып. 1002).
2.Функциональные узлы усилителей Hi-Fi / Д. И. Атаев, В. А. Болотников. - М.: Издательство МЭИ, ТОО «Позитив», 1994. - 224 с.: ил.
3.Лучшие конструкции 25-й выставки творчества радиолюбителей. Сборник. М., ДОСААФ, 1975. - 184 с., ил.