Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Выбор структурной схемы устройства

2. Выбор принципиальной схемы устройства

2.1 Выбор входного усилительного каскада

2.2 Выбор оконечного усилительного каскада

3. Расчет принципиальной схемы

4. Расчет КПД устройства

Заключение

Использованная литература

Введение

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов.

Усилителями постоянного тока называют устройства, предназначенные для усиления по напряжению и по мощности сигналов постоянного или медленно меняющегося по величине тока.

Они широко используются в электронных вычислительных устройствах, измерительной технике, управляющих и следящих системах и в ряде других областей.

1. Выбор структурной схемы устройства

Для уменьшения самопроизвольного изменения «нулевого» уровня выходного напряжения воспользуемся схемой дифференциального усилителя. Найдем входное сопротивление усилителя:

(1)

Такое значение входного сопротивления обусловило выбор входного усилительного каскада на полевых транзисторах. Для получения большего коэффициента усиления построим усилительный каскад по схеме с ОИ.

Найдем требуемый коэффициент усиления устройства:

(2)

Для получения требуемого коэффициента усиления невозможно ограничиться одним каскадом усиления, поэтому введем еще один усилительный каскад. Дальнейший расчет принципиальной схемы подтвердит достаточность выбора двух дифференциальных каскадов.

Таким образом, усилитель состоит из двух каскадов, содержит источник питания и сопротивление нагрузки.

Структурная схема устройства имеет вид, приведенный на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Схема электрическая структурная

2. Выбор принципиальной схемы устройства

Каждый каскад представляет собой, по существу, мост, плечами которого являются резисторы R2=R5 (для входного каскада) - нагрузочные сопротивления в цепи коллектора транзисторов VT1 и VT2) и R7=R10 (для оконечного каскада) и внутренние сопротивления транзисторов (вместе с соответствующей частью резистора R3 и R4) (см. схему 5093.059000.000 Э3). Для нормальной работы схемы она должна быть строго симметричной. В этом случае в исходном состоянии (до поступления входного сигнала) мост окажется сбалансированным, а напряжение на его выходе будет равно нулю.

При полной симметрии плеч токи покоя обоих транзисторов, а также их отклонения в случае изменения режима ( например, при изменении напряжения U_пит или температуры) имеют равную величину. Потенциалы коллекторов при этом также равны или получают одинаковые приращения напряжений. Поэтому при одинаковом воздействии дестабилизирующих факторов на оба транзистора одновременно баланс моста не нарушается и выходное напряжение не появляется, т. е. напряжение дрейфа равно нулю. Воздействие входного напряжения любой полярности приводит к разбалансировке моста, так как на базы транзисторов подаются напряжения разных знаков. При этом потенциалы коллекторов получают одинаковые по абсолютной величине, но противоположные по знаку приращения, создающий на нагрузке напряжение U_вых , величина и полярность которого зависят только от величины и полярности входного напряжения.

В реальных балансных схемах всегда имеется некоторая асимметрия. Поэтому напряжение дрейфа на выходе полностью не исчезает. Однако дрейф нуля в балансных схемах определяется разностью токов обоих транзисторов и поэтому значительно меньше, чем в обычных схемах.

Для соединения балансных каскадов друг с другом используется непосредственная связь, при которой стоки транзисторов предыдущего каскада соединены с базами транзисторов последующего. Напряжение смещения на затворы транзисторов подается с помощью резистора R4, сопротивление которого практически не влияет на усиление каскада.

2.1 Выбор входного усилительного каскада

В разделе 1 оговаривались необходимость выбора входного каскада на полевых транзисторах. Полевой транзистор (ПТ) является униполярным прибором, в котором количество носителей в токе через проводящую область определяется электрическим полем, приложенным к p-n-переходу полупроводника. К достоинствам полевых транзисторов следует отнести высокую устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий, малый уровень собственных шумов.

Схему дифференциального каскада с ОИ построим по схеме, приведенной на рисунке 2.

Рисунок2 - Дифференциальный каскад по схеме с ОИ

Данная схема включения согласованных пар полевых транзисторов является наилучшим способом компенсации дрейфа.

Особенностью дифференциальных усилителей постоянного тока (ДУПТ) на ПТ является то, что для получения минимального дрейфа приходится использовать режим микротоков. Это в свою очередь обусловливает трудность получения высокого коэффициента усиления и широкой полосы пропускания дифференциальных каскадов.

2.2 Выбор оконечного усилительного каскада

Оконечный каскад построим на биполярных транзисторах, включенных по схеме с ОЭ. Схема дифференциального каскада на биполярных транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, будет иметь вид, приведенный на рисунке 3.

Рисунок3 - Дифференциальный каскад по схеме с ОЭ

Данная схема позволяет значительно увеличить коэффициент усиления за счет характеристик биполярных транзисторов.

К недостаткам можно отнести относительно большой уровень шумов по сравнению со схемой, приведенной на рисунке 2.

3. Расчет принципиальной схемы

Расчет электрической принципиальной схемы усилителя обычно производят в последовательности, обратной прохождению сигнала. Такая последовательность расчета обусловлена ориентацией всех расчетных операций на выполнение конечной задачи - обеспечение на выходе усилителя заданной выходной мощности при допустимых значениях нелинейных и частотных искажений сигналов.

Естественно поэтому, что каждый последующий каскад усилителя предъявляет вполне определенные требования к предыдущему. Поэтому помимо получения данных, необходимых для оптимального построения именно этого каскада, должны быть обоснованы исходные данные для расчета режима работы и элементов схемы предшествующего каскада.

В качестве элементов оконечного каскада выберем транзисторы КТ3107К (VT3, VT4) с параметрами приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры транзистора КТ3107К

	380-900, типовое значение 790
iкmax, мА	100
Uкэmax, В	25
Uкэн, В	0,5
fм, МГц	200
rвх, Ом	20…40

Оконечный каскад построен на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером.

Входной каскад построим на полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком.

В качестве элементов входного каскада выберем транзисторы КП302Г (VT1, VT2) с параметрами приведенными в таблице.

Таблица 2 - Параметры транзистора КП302Г

Uзи, В	2…7
S, мА/В	7…14
iсmax, мА	43
Uсиmax, В	20
Uзсmax, В	20
Uзиmax, В	10
Pmax, мВт	300

Правильность выбора данных типов транзисторов будет подтверждена расчетами, произведенными ниже.

Зададим U_пит1=15В, а U_пит2=0 В. Следовательно, U_пит=15 В.

Для транзисторов VT3 и VT4 в режиме покоя зададим:

(3)

(4)

Мощность, выделяемая на транзисторе, определяется по формуле:

(5)

Определим ток базы в режиме покоя:

(6)

Из выходных характеристик определим напряжение на базе-эмиттере: U_бэ=0.65 В.

Коэффициент усиления выходного каскада найдем по формуле:

(7)

Резисторы R7 и R10 должны быть равны и находятся по следующей формуле:

(8)

В формуле (8) неизвестной величиной является только U_э. Этот потенциал найдем через напряжения на других электродах транзистора:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где U_c - напряжение на стоке транзистора VT1 (VT3);

Ic - ток стока того же транзистора.

В семействе стоковых характеристик для транзисторов VT1, VT2 строим нагрузочную прямую и находим ток стока I_C и напряжение U_СИ в режиме покоя:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мощность, рассеиваемая на транзисторе:

(14)

Коэффициент усиления входного каскада определяется формулой:

(15)

где S - крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора;

R_i - динамическое сопротивление;

R_н1 - нагрузочное сопротивление входного каскада.

Сопротивление R_i определяется следующим образом:

(16)

где R_и - сопротивление истока, которое находится по формуле:

. (17)

R3 и R4 находятся в следующей зависимости:

. (18)

Сопротивление R_и можно найти, используя параметры транзистора:

расчет линейный усилитель каскад

 (19)

где I_со - ток стока отсечки.

Из выходных характеристик транзистора определим ток I_со и сопротивление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Решая совместно (12), (18), (19) и (21), получаем:

(23)

Решая систему уравнений (16), (17) и (22), найдем значения сопротивлений R3 и R4:

(24)

Из ряда номиналов E24 выбираем ближайшее значение 510 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4:

(25)

В качестве R4 выбираем резистор типа МЛТ-0,125-510 ± 5%.

 (26)

Из ряда E₁₂ выбираем номинал 27 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R3:

(27)

В качестве R3 выбираем резистор типа МЛТ-0,125-27 ± 5%.

Резисторы R2 и R5 должны быть равны и находятся по следующей формуле:

(28)

Из ряда номиналов выбираем значение 1кОм. Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе R2 (R5):

(29)

Выбираем резистор типа МЛТ-0,125-1к ± 5%.

Сопротивление R_н1 найдем по формуле:

(30)

Совместно решая (15), (20) и (22), найдем сопротивление R_i:

(31)

С учетом (29) и (30) найдем значение выражения в формуле (14):

(32)

Рассчитаем коэффициент усиления обратной связи:

(33)

где ч - коэффициент передачи отрицательной обратной связи (ООС).

(34)

Решая систему уравнений (32) и (33), найдем значение K_Uос:

. (35)

Таким образом, получаем общий коэффициент усиления:

(36)

Возвращаясь к формуле (11), определим потенциал базы U_c :

. (37)

Зная значение U_Б, найдем значение U_Э:

(38)

Подставляя найденное значение в формулу (8), найдем значение сопротивлений R7, R10:

(39)

Выбираем номинал 27 Ом. Мощность, рассеиваемая на резисторе R7(R10):

(40)

В качестве R7, R10 выбираем резистор типа МЛТ-0,125-27 ± 5%.

Пренебрегая током I_Б, определим сопротивление резистора R9:

(41)

Из ряда номиналов выбираем значение сопротивления 100 Ом. Найдем мощность, рассеиваемую на R9:

(42)

В качестве резистора R9 возьмем резистор МЛТ-1-100 ± 5%.

Рассчитаем коэффициент гармоник K_г устройства.

Коэффициент гармоник первого каскада определяется по формуле:

(43)

Для расчета коэффициента гармоник второго каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику. Для этого надо задаться внутренним сопротивлением источника питания: R_и =150 Ом.

Для нескольких точек нагрузочной прямой отмечаем значения тока I_к: I_кА=100 мА; I_кВ=3 мА; I_кP=50 мА.

На графике входной характеристики отмечаем несколько точек, соответствующих выбранным точкам нагрузочной прямой и определяем в них величины I_Б и U_БЭ:

Рассчитаем значения ЭДС эквивалентного генератора входного сигнала для различных значений U_БЭ и I_Б по формуле:

(44)

По полученным значениям рассчитываем амплитуды гармоник тока. Т.о. амплитуда первой гармоники I_Кm1= 49.5мА; амплитуда второй гармоники I_Кm2= 0.75мА; амплитуда третьей гармоники I_Кm3= -1мА.

Коэффициент нелинейных искажений определяем по формуле:

(45)

Общий коэффициент нелинейных искажений К_Г устройства в процентах найдем по формуле:

4. Расчет КПД устройства

КПД устройства определяется по формуле:

(47)

где Р_пол - мощность, выделяющаяся на нагрузке;

P_зат - мощность, выделяющаяся на всех элементах данного устройства.

Определим P_зат. Для этого возьмем суммарную мощность, выделяемую на всех резисторах и транзисторах.

(48)

Определим мощность, рассеиваемую на транзисторах. Для этого воспользуемся формулами (5) и (14):

(49)

Затраченная мощность будет определяться следующим образом:

(50)

Таким образом КПД разработанного устройства:

(51)

Заключение

Спроектированное и рассчитанное выше устройство имеет КПД около 70%, что является достаточно хорошим показателем. Устройство обеспечивает усиление электрического сигнала примерно в 5000 раз; а также обладает невысоким уровнем искажений. Оценим отклонение параметров устройства от заданных в техническом задании, в результате выбора не расчетных значений характеристик элементов, а номинальных.

Согласно формуле (2) K_U=5000. В формуле (36) было найдено значение K_U=5002.7. Отклонение составляет:

0.054%.

Таким образом, расчетное значение коэффициента усиления незначительно превышает заданное.

Использованная литература

Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.- Киев: Вища школа, 1983.- 240 с.

Резисторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова.- М.: Радио и связь, 1991.- 527 с.

Справочник. Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой мощности/ под ред. А.В. Голомедова.- М.: “КубК-а”,

1996.- 640 с.

Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 316 с.

5 Милехин А.Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. - М.: “Энергия”, 1976 - 144 с.

Размещено на Allbest.ru

...