Расчет многокаскадного резисторного усилителя напряжения с RC-связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет многокаскадного резисторного усилителя напряжения с RC-связью

Задание

Рассчитать параметры усилителя, построенного по схеме рис. 1, на вход которого подается сигнал амплитудой U_c от источника с внутренним сопротивлением R_с. Усилитель должен обеспечить в нагрузке R_н требуемую амплитуду выходного напряжения U_вых.А с коэффициентом гармоник, не превышающим К_г.

Рис. 1

Для снижения уровня нелинейных искажений усилитель охвачен цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению (R_осС_ос) глубиной F. Рабочий диапазон частот усилителя от f_н до f_в при допустимых частотных искажениях сигнала М_в, М_н. Обеспечить температурную стабилизацию рабочей точки каждого каскада с коэффициентом нестабильности S. Определить также к.п.д. усилителя и полный ток, потребляемый им от источника питания.

Исходные данные варианта представлены в таблице 1.

Таблица 1

№ вар.	UC	RC	RH	UвыхА	КГ	fH	fB	MB	MH	F	S
	B	кОм	кОм	В	-	Гц	кГц	-	-	-	-
4	0,4	3	2,5	3	4,5	35	350	1,09	1,25	1,4	5

1. Порядок расчета

1. Составим эквивалентную схему усилителя для области средних частот, учитывая при этом структуру транзисторов, и отмечая на ней все напряжения и токи. Сопротивлением R_ф можно пренебречь.

Рис. 2

Учитывая, что расчет основных параметров каскадов проводится в области средних частот, где коэффициенты усиления по току и напряжению не зависят от частоты, то всеми реактивными элементами в схеме замещения можно пренебречь.

2. Определяем требуемый коэффициент усиления К_u.ос усилителя, охваченного цепью ОС, по исходным данным задачи (см. таб. 1):

где U_{вых А} - амплитуда напряжения в нагрузке;

U_c - амплитуда сигнала источника.

3. Находим коэффициент усиления К_u усилителя с разомкнутой цепью ОС по формуле:

Далее расчет будем вести для разомкнутой цепи ООС.

4. Находим коэффициенты усиления отдельных каскадов, полагая, что они равны между собой, т.е. К_u1 = К_u2:

Из данного условия следует, что коэффициенты усиления каскадов будут равны

5. Выбираем режим усиления класса А, характеризующийся минимальными нелинейными искажениями и рассчитываем напряжение источника питания Е:

где К_з.н = 4…6 - коэффициент запаса по напряжению.

Из ряда 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 36, 42, 50 выбираем ближайшее к расчет-ному значению напряжение Е=24 В.

6. Зададим сопротивление резистора R7 = (3…5) R_н и вычислим эквивалентное сопротивление коллекторной цепи R_к~2:

Номинальное сопротивление резистора R7 выбираем из стандартного ряда сопротивлений. Оно равно 10 кОм.

7. Рассчитаем выходную мощность Р_вых каскада для синусоидального напряжения по формуле:

8. Найдем мощность Р_К.р, рассеиваемую коллектором VТ2 используя выражение:

= 0.036*2.9 = 0.1

Рассеиваемая коллектором транзистора VT2 мощность P_К.р=0.1 Вт

9. Выбираем транзистор VТ2 по величине Р_{К макс}, U_КЭмакс, I_Kмакс и f_гр, учитывая данные рекомендации:

где = 3/2000 = 0.0015

Справочные данные выбранного транзистора VT2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Транзистор	Тип	Uкэ, В	fгр, МГц	h21э	Предельный режим (максимальный)
					Uкэ, В	Iк, мА	Pк, Вт
КТ3102Б	n-p-n	5	100	316	50	100	0.25

10. Рассчитаем режим покоя транзистора VТ2:

а) принимаем напряжение коллектора покоя транзистора VТ2 равным половине напряжения источника питания U_кп2=E/2=24/2=12 В;

б) составим уравнение для коллекторной цепи VТ2 и вычислим ток коллектора покоя I_кп2:



Принимая во внимание, что I_э?I_к, то подставив данные в уравнение найдем R8:

Номинальное сопротивление резистора R8 выбираем из стандартного ряда сопротивлений. Оно равно 8.2 кОм.

Определим ток коллектора покоя I_кп2:

в) на семействе выходных ВАХ транзистора отметим точку «А», с координатами (I_кп2=0.0014 А, U_кп2=12 В) и графически определим ток базы I_бп2=44 мкА.

Рис. 3

Полученную точку переносим на входную характеристику транзистора и находим U_бп2 =1.1 В.

Рис. 4

11. Находим величины h_21э и h_11э в точке покоя. Для этого, на семействе входных и выходных ВАХ транзистора определим ДI_к2, ДU_кэ2, ДI_б2, ДU_бэ2.

Определим выходную проводимость транзистора h_22э:

Определим коэффициент передачи тока h_12э:

Определим входное сопротивление транзистора h_11э:

Величину коэффициента обратной связи по напряжению h_21э можно определить из выражения:

12. Оцениваем реальный коэффициент усиления каскада по формуле:

Знак «-» свидетельствует об изменении фазы выходного напряжения на 180° по отношению к входному.

13. Рассчитаем мощность, рассеиваемую резистором R7 по току I_кп2:

Выбираем резистор R7 типа МЛТ-0.125 - 10 кОм ± 5%

14. Построим динамическую линию нагрузки (ЛН^~) на семействе выходных характеристик (рис. 7).

15. Определим динамический режим работы транзистора. Для этого откладывают на оси абсцисс амплитуду выходного напряжения U_вых.А (рис. 7) и делаем вывод о правильности выбора напряжения источника питания. Затем находим амплитудные значения тока коллектора I_кА и тока базы I_бА:

I_кАmin=0.018 А, I_кАmax=0.033 А, I_бАmin=0.0006 А, I_бАmax=0.00094 А.

Переносим значение тока I_бА на семейство входных характеристик и находим напряжение U_бэА.

U_бэАmin=2.42 В, U_бэАmax=2.92 В.

16. Рассчитаем сопротивление резистора R8:



Определим мощность, рассеиваемую резистором R8 по току, считая, что:

Выбираем резистор R8 типа МЛТ-0.125 - 1.3 кОм ± 5%

17. Вычислим эквивалентное сопротивление базового делителя R_Б2 с учетом требований температурной стабилизации режима:

значение коэффициента нестабильности для кремниевых транзисторов принимают S = (4…10).

Сопротивления резисторов R5 и R6, составляющих R_Б, находят из следующих рассуждений. Для создания требуемого тока I_бп в режиме покоя на базу транзистора надо подать напряжение смещения U_см = U_бэп + U_эп. С другой стороны U_см есть падение напряжения на резисторе R6 от тока делителя I_д= E/(R5+R6), тогда

Выберем коэффициент нестабильности S=7.9, тогда зная сопротивление резистора R8, определим R_б:

18. Рассчитаем сопротивления резисторов R5 и R6:

19. Определим ток делителя I_д2, а затем рассчитываем мощность рассеивания резисторов R5 и R6 и выбираем их тип и номинал.

Определим ток делителя:

Рассчитаем мощность рассеивания резисторов R5 и R6:

Выбираем резистор R5 типа МЛТ-0.25 - 11 кОм ± 5%

Выбираем резистор R6 типа МЛТ-0.125 - 3.9 кОм ± 5%

20. Вычислим входное сопротивление оконечного каскада R_вх2:

21. Определим мощность, потребляемую базовой цепью транзистора VТ2 от предыдущего каскада:

22. Вычислим выходную мощность предоконечного каскада:

где К_з.м = (1,1…1,2) - коэффициент запаса, учитывающий потери мощности в цепи смещения оконечного каскада.

23. Найдем мощность Р_К.р, рассеиваемую коллектором VТ1используя выражение:

Рассеиваемая коллектором транзистора VT1 мощность P_К.р=0.00115 Вт

24. Принимая, с учетом падения напряжения на резисторе фильтра R_ф, напряжение питания предоконечного каскада равным Е_к1 = 0,9·Е=0,9·50=45В, выбираем транзистор VТ1 по условиям выбора транзистора VT2. Справочные данные выбранного транзистора VT1 приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Транзистор	Тип	Uкэ, В	fгр, МГц	h21э	Предельный режим (максимальный)
					Uкэ, В	Iк, мА	Pк, мВт
КТ315И	n-p-n	10	250	?30	60	50	100

25. Выбираем сопротивление резистора R3 таким, чтобы обеспечить возбуждение транзистора оконечного каскада в режиме генератора:

Номинальное сопротивление резистора R3 выбираем из стандартного ряда сопротивлений. Оно равно 5,6 кОм.

26. Рассчитываем мощность, рассеиваемую резистором R3, и окончательно выбираем его тип и номинал:

Выбираем резистор R3 типа МЛТ-0.5 - 5.6 кОм ± 5%

27. Зная сопротивление резистора R3 = 5600 Ом, вычислим эквивалентное сопротивление коллекторной цепи R_к~1 в точке покоя:

28. Рассчитаем режим покоя транзистора VТ1:

а) принимаем напряжение коллектора покоя транзистора VТ1 равным половине напряжения источника питания U_кп1 = 0,5 Е_к1=0,5·45=22,5В;

б) составим уравнение для коллекторной цепи VТ1 и найдем ток коллектора покоя I_кп1:

Принимая во внимание, что I_э?I_к, то подставив данные в уравнение найдем R4:

Номинальное сопротивление резистора R4 выбираем из стандартного ряда сопротивлений. Оно равно 8.2 кОм. Определим ток коллектора покоя I_кп1:



в) графически вычислим ток базы покоя I_бп1. на семействе выходных ВАХ транзистора отметим точку «Б», с координатами (I_кп12=0.0212 А, U_кп1=22.5 В).

29. Оцениваем коэффициент усиления предоконечного каскада:

где: выходная проводимость транзистора h_22э:

коэффициент передачи тока h_12э:

входное сопротивление транзистора h_11э:

Величину коэффициента обратной связи по напряжению h_21э можно определить из выражения:

30. Определим амплитуду коллекторного тока транзистора VТ1. Из эквивалент-ной схемы усилителя очевидно, что для согласования последовательно соединенных каскадов должно выполняться равенство U_кА1 = U_бА2, тогда

Проверим выполнение условия I_кА1 < I_кп1 или 0.0027<0.0212

31. Находят амплитудные значения тока базы и напряжения база-эмиттер транзистора VТ1:

32. Вычислим сопротивление резистора R4:

где U_эп1=(0,1…0,3)·Е=0,2·45=9 В

Выбираем его номинальное значение из стандартного ряда равное 3.3 кОм. Рассчитываем мощность, рассеиваемую резистором R4, и окончательно выбираем его тип и номинал:

Выбираем резистор R4 типа МЛТ-0.125 - 3.3 кОм ±5%

33. Находим эквивалентное сопротивление R_Б1. Выберем коэффициент нестабильности S=7.9, тогда зная сопротивление резистора R4, определим R_б:

34. Рассчитаем сопротивления резисторов R1 и R2:

Определим ток делителя:

Рассчитаем мощность рассеивания резисторов R5 и R6:

Выбираем резистор R1 типа МЛТ-0.125 - 16 кОм ± 5%

Выбираем резистор R2 типа МЛТ-0.125 - 4.3 кОм ± 5%

35. Вычислим входное сопротивление предоконечного каскада R_вх1 в точке покоя:

36. Рассчитываем фактические коэффициенты усиления по напряжению оконечного К_u2 и предоконечного К_u1 каскадов, учитывая влияние всех элементов схемы:

37. Определим общий коэффициент усиления усилителя с разомкнутой цепью ООС К_u:

сравним его с величиной, полученной в п. 3 (17.22<17.92) и делаем вывод о правильности расчетов.

38. Находим коэффициент передачи г цепи ООС, обеспечивающий заданную глубину обратной связи:

39. Рассчитываем сопротивление резистора обратной связи R_ос, используя выражение:

откуда



40. Проверим выполнение условия R4 + R_ос >> R_вых2, для того, чтобы цепь ООС не шунтировала выходной каскад усилителя: .

41. Вычислим фактический коэффициент усиления усилителя К_u.ос с замкнутой цепью ООС:

42. Построим сквозную динамическую характеристику оконечного каскада и вычислим коэффициент нелинейных искажений К_г, полагая разомкнутой цепь ОС (см. рис. 7, рис. 8). В полученных точках определяем значения токов коллектора (I_к.min=0.018A, I_к1=0.02A, I_кп=0.025A, I_к2=0.031A, I_к.max=0.033A) и соответствующие им значения тока базы (I_б.min=0.0006A, I_б1=0.00066A, I_бп=0.00077A, I_б2=0.00089A, I_б.max=0.00094A). Затем переносят значения тока базы на семейство входных характеристик и определим соответствующие напряжения (U_бэ.min=2.42В, U_бэ1=2.52В, U_бэп=2.62В, U_бэ2=2.72В, U_бэ.max=2.92В). Величина U_вх.к для однотактной схемы ОЭ определяется выражением:

с помощью которого вычислим недостающие координаты U_вх.min=6.62В, U_вх1=7.14В, U_вхп=8.01В U_вх2=8.95В, U_вх.max=9.5В и построим график.

43. Вычислим коэффициент нелинейных искажений К_г.ос усилителя, охваченного цепью ООС:

44. Рассчитаем емкости разделительных и эмиттерных конденсаторов.

а) определим влияние отдельного конденсатора на общий коэффициент частотных искажений.

Обычно считают, что частотные искажения сигнала распределяются поровну между всеми конденсаторами, тогда:

где n - число конденсаторов.

б) находим постоянные времени перезаряда для каждого конденсатора.

При этом коэффициент частотных искажений, обусловленный каждым отдельным конденсатором зависит от его постоянной времени перезаряда (ф_н.сN) и частоты щ_н.

в) вычислим емкости конденсаторов.

Определим емкость конденсатора C1:

где R_с - сопротивление источника сигнала;

R_вх.1 - входное сопротивление первого каскада.

Определим емкость конденсатора С2:

Определим емкость конденсатора С4:

Определим емкость конденсатора С5:

Определим емкость конденсатора С_ос:

Окончательно выбираем их номинальные значения. Рабочее напряжение конденсаторов следует выбрать из условия U_н > Е.

Конденсатор С1 - К50-6 - 1 - 50В - 5пкФ;

Конденсатор С2 - К50-6 - 1 - 50В - 10пкФ;

Конденсатор С_ос - К50-6 - 1 - 100В - 2мкФ;

Конденсатор С4 - К50-6 - 1 - 100В - 5пкФ;

Конденсатор С5 - К50-6 - 1 - 100В - 2мкФ;

45. Определим значения С_ф и R_ф.

При расчетах элементов фильтра обычно задаются падением напряжения на резисторе R_ф на уровне ДU_ф = 0.1Е=0.1·50=5В

Затем вычисляем ток, протекающий через R_ф. Для многокаскадного усилителя это ток, потребляемый предыдущим каскадом:

усилитель каскад резисторный напряжение

где I_к.ср - средний ток коллектора, протекающий через фильтр;

I_б.ср - средний ток базы того же транзистора;

I_д - ток делителя в цепи смещения транзистора VT1.

Определим значения R_ф:

Рассчитываем мощность, рассеиваемую резистором R_ф:

Выбираем резистор Rф типа МЛТ-0.125 - 220 Ом ± 5%

Емкость фильтрующего конденсатора C_ф вычисляем по формуле:

где К_U - общий коэффициент усиления усилителя.

Выбираем конденсатор Сф - К50-6 - 1 - 50В - 20мкФ

46. Вычислим полный ток I₀, потребляемый усилителем от источника питания:



где I_к.ср, I_б.ср - средние значения токов, потребляемых коллекторными и базовыми цепями в каждом каскаде;

I_д - ток делителя в базовых цепях каждого каскада.

47. Рассчитаем к.п.д. усилителя:

где P_н=U_кп2²/2·R_н=25²/2·2.5=0,125 Вт.

Размещено на Allbest.ru

...