Выбор структурной схемы многокаскадного усилителя низкой частоты. Расчет показателей выходного, предокочечного и входного каскадов электронного устройства. Оценка параметров частотного искажения, фазовых сдвигов и усиления по напряжению, мощности и току.
Расчет выходного каскада Выбор структурной схемы усилителяМожно оценить требующееся число каскадов предварительного усиления, которые должны обеспечить коэффициент усиления по напряжению: . Таким образом, предварительный усилитель будет содержать 2 каскада, построенные по схеме с общим эмиттером.Выбираем тип транзистора с учетом заданного частотного диапазона работы каскада, а также параметров по току, напряжению и мощности. 4), имеющий следующие параметры: Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 40 - 120. (5.4) где - напряжение коллектор - эмиттер, соответствующее режиму покоя. Выбираем по [5] резисторы С2-33 R5=750 Ом, номинальная мощность 0,25 Вт и R6=270 Ом, номинальная мощность 0,125 Вт. Для определения коэффициента усиления каскада по току определим эквивалентное сопротивление цепи коллектора по переменному токуВходной каскад будем строить по схеме с общим эмиттером. Выберем транзистор согласно формулам 6), имеющий следующие параметры: Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 15 - 60. Определяем режим покоя транзистора по формулам (5.2) и (5.3): . Сопротивления резисторов R3, R4 определяем по формулам, аналогичным (5.5): Выбираем по [5] резисторы С2-33 с номиналами R3=150 Ом и R4=51 Ом и номинальной мощностью 1 Вт и 0,5 Вт соответственно.Определим основные параметры нашего усилителя в соответствии с формулами (2.1): коэффициент усиления по напряжению Определим отклонение полученных параметров усилителя от заданных Найдем коэффициент частотных искажений по формулам (2.5) и (2.6).Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить.
План
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение
Вывод
Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно технического прогресса. Без электроники немыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие атомной энергетики и вычислительной технике, ни автоматизация производства, ни радиовещание и телевидение, ни изучение живых организмов. Электронные устройства широко применяются также в сельском хозяйстве для автоматизации и связи. Микроэлектроника как очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач во всех перечисленных областях.
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Целью курсовой работы является углубление и закрепление знаний, полученных в ходе изучения первой части курса "Аналоговая и цифровая электроника", и приобретение навыков расчета электронных устройств. Выполнение курсовой работы предусматривает выбор структурной схемы, обоснование и расчет параметров и характеристик электронного устройства - многокаскадного усилителя низкой частоты, изложение методики и результатов расчета в пояснительной записке и выполнение графической части.
Многокаскадные усилители используют для получения нужных коэффициентов усиления в том случае, если одного усилительного каскада оказывается недостаточно.
Многокаскадный усилитель получают путем последовательного соединения отдельных каскадов. В этом случае выходной сигнал первого каскада является входным сигналом второго каскада и т. д. входное и выходное сопротивления всего усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.
Учитывая соотношение , справедливое для коэффициентов, исчисляемых в о. е., получим соотношения для коэффициентов, исчисляемых в ДБ: , (2.2) откуда получим
, (2.3) где - коэффициент усиления по току (о. е.).
Подставляя исходные данные в выражение (2.3), получим: .
Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществляться с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В нашем УНЧ в качестве элемента связи будем использовать конденсатор.
Сначала производят расчет оконечного выходного каскада, который обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке. В результате расчета определяют коэффициент усиления оконечного каскада, определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада, и т. д. вплоть до входного каскада. В данной работе для упрощения расчет проведем для средней частоты ( ), что позволит пренебречь влиянием сопротивлений конденсаторов и не учитывать зависимость параметров транзисторов от частоты.
Наличие в схеме конденсаторов приводит к тому, что по мере снижения частоты уменьшается проводимость межкаскадных конденсаторов связи, при этом увеличивается падение напряжения на них и соответственно уменьшается напряжение сигнала. Это проявляется снижением коэффициента усиления в области низких частот.
Уменьшение модуля коэффициента усиления в области низких частот учитывается коэффициентом частотных искажений : , (2.4) где , - соответственно коэффициенты усиления напряжения на средней и низкой частотах.
В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений: . (2.5)
Коэффициент частотных искажений для одного каскада: , (2.6) где 1, 2, ..., J - номера конденсаторов в рассматриваемом каскаде.
Коэффициент частотных искажений, обусловленный влиянием одного конденсатора, рассчитывают по формуле
, (2.7) где - низкая частота полосы пропускания; - постоянная времени, определяемая как произведение , где - емкость конденсатора; - определяется в зависимости от схемы: - для входного каскада, где - внутреннее сопротивление источника входного сигнала, - для промежуточных каскадов, где , - соответственно входное сопротивление последующего каскада и выходное сопротивление предыдущего каскада.
Таким образом задача обеспечения полосы пропускания в области низких частот сводится к выбору таких значений емкостей в усилителе, чтобы общий коэффициент частотных искажений не превысил заданное значение .
Изза наличия конденсаторов в схемах каскадов в многокаскадном усилителе будут появляться фазо-частотные искажения. С понижением частоты входного сигнала появляется фазовый сдвиг, обусловленный отставанием по фазе напряжения от тока в цепях с конденсаторами. Угол фазового сдвига равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме: . (2.8)
Фазовый сдвиг, создаваемый действием одного конденсатора определяется по выражению
. (2.9)
РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА
Будем использовать выходной бестрансформаторный каскад (приложение А, ЭП). Он представляет собой соединение двух эмитерных повторителей, работающих на общую нагрузку . Каскад используется в режимах нагрузки АВ и В. Режим по постоянному току обеспечивается делителем, состоящим из последовательно соединенных резисторов , и диодами и . Схема предусматривает использование двух транзисторов разной проводимости с близкими по значению параметрами (комплиментарная пара транзисторов). Методика расчета выходного каскада основана на использовании графоаналитических способов расчета параметров по входным и выходным характеристикам транзисторов.
Амплитуду напряжения на нагрузке определяем по заданным параметрам нагрузки: ; (3.1)
.
Ориентировочное напряжение питания оконечного каскада определяем по условию: . (3.2) где - начальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора - это напряжение, при котором на выходных характеристиках транзистора наблюдается заметное увеличение угла наклона. Примем , тогда . Принимаем , т. к. при напряжении питания 20 значение напряжения , уточненное по выходной характеристике, окажется больше .
Рассчитываем допустимую мощность рассеивания на коллекторе транзистора: ; (3.3)
.
Максимальную амплитуду входного тока определяем из соотношения: , (3.4)
где - амплитуда тока в сопротивлении нагрузки.
Максимально допустимая амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером транзистора должна быть не менее половины напряжения питания: . (3.5)
Имея значения , , , по справочнику [3] подбираем комплиментарную пару транзисторов КТ814А и КТ815А (рис. 1,2), имеющих следующие параметры: Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером при Т=298 К не менее 40, при Т=233 К - не менее 30;
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером не менее 3 МГЦ;
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер 25 В;
Постоянный ток коллектора 1.5 А;
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода 1 Вт.
Для дальнейших расчетов строим семейство выходных и входную характеристику транзистора. На графике выходных характеристик строим нагрузочную линию согласно уравнению баланса напряжений: , (3.6) где - ток коллектора транзистора; - напряжение на коллекторе.
Уравнение баланса напряжений справедливо для цепи транзистора, если пренебречь сопротивлением разделительного конденсатора С6.
Далее на оси коллекторного тока откладываем значение и находим точку пересечения линии нагрузки с горизонтальной линией, проведенной на уровне (точка а). Через эту точку проходит выходная характеристика с максимальным током базы, обеспечивающим достижение амплитуды тока нагрузки . По положению точки а уточняем значение ( ) и проверяем выполнение условия (именно невыполнение этого условия при заставило нас принять напряжение питания равным ).
По точкам пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками определяем значения тока базы и тока коллектора, соответствующие этим точкам (точки а, b, c, d, e). Используя входную характеристику выбранного транзистора, по значениям тока базы определяем соответствующие значения входного напряжения . Полученные данные заносим в таблицу 1.
По полученным данным строим сквозную характеристику транзистора
.
Таблица 1
Выходной каскад должен работать в режиме АВ или В для получения высокого коэффициента полезного действия. Это значит, что исходную рабочую точку надо выбирать при минимальном токе покоя коллектора и минимальном токе базы. На входной характеристике исходная рабочая точка характеризуется параметрами , . По построенной сквозной характеристике, откладывая значение , определяем
, а по нему (по входной характеристике) - значение тока базы , соответствующее амплитуде тока в нагрузке.
Определяем усредненное значение крутизны сквозной характеристики
; (3.7)
.
Поскольку в схеме эмиттерного повторителя существует внутренняя обратная связь, определим ее глубину
; (3.8)
.
Входная проводимость транзистора
; (3.9)
.
Тогда входное сопротивление каскада с учетом отрицательной обратной связи определяем по выражению: , (3.10) где - эквивалентное сопротивление делителя, составленного из резисторов R9 и R10.
Примем ток делителя .
По принятому току делителя из справочника [4] выбираем диод КД104А (при он создает падение напряжения 0,9В). Два таких диода обеспечат падение напряжения . Находим сопротивления резисторов делителя по условию: ; (3.11)
.
Принимая в соответствии с рядом номинальных значений R9=R10=510Ом, выбираем по [5] металлодиэлектрический резистор С2-33 с номинальной мощностью Вт. Проверим выбранный резистор по допустимой мощности рассеяния:
, (3.12)
Где по второму закону Кирхгофа.
.
Найдем эквивалентное сопротивление делителя
.
Тогда входное сопротивление каскада по формуле (3.10)
.
Определяем емкости входного и выходного разделительных конденсаторов: , (3.13)
; (3.14)
Принимая согласно ряду номинальных значений С6=2200 МКФ и С4=100МКФ, выбираем оксидно-электролитические конденсаторы: К50-24 и К50-31 соответственно. Учитывая, что номинальное напряжение конденсаторов должно быть выбрано из соотношения , принимаем его равным 25 В.
Коэффициент усиления по напряжению
.
Амплитуда напряжения входного сигнала
Амплитуда входного тока
.
Коэффициент усиления по току
.
Коэффициент усиления по мощности
.
Определим нелинейные искажения входного каскада.
Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике с учетом отрицательной обратной связи
, (3.15) где и - токи коллектора, определенные по графику сквозной характеристики для двух значений соответственно и =0,768В.
