Усилитель мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усилитель мощности

Введение

Усилитель мощности предназначен для создания требуемой мощности сигнала в нагрузке. Усилитель колебаний низкой частоты - составная часть каждого современного радиоприемника, телевизора или магнитофона. Усилитель является основой радиовещания по проводам, аппаратуры телеуправления, многих измерительных приборов, электронной автоматики и вычислительной техники, кибернетических устройств.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на:

- Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

- Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

- Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике

- Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота до нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

По полосе частот усилители делятся на:

- Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, который усиливает сигнал, не искажая его, в широком диапазоне частот.

- Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот

- Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Межкаскадная связь подразделяется на следующие виды:

- Емкостная межкаскадная связь.

- Трансформаторная связь.

- Резистивная.

- Непосредственная.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ h-ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА

В общем случае транзистор представляет собой активный нелинейный четырехполюсник. Он характеризуется семействами статических характеристик, связывающих постоянные напряжения (UВХ, UВЫХ) и токи (IВХ, IВЫХ). Из характеристик следует, что величины UВХ, UВЫХ и IВХ, IВЫХ являются взаимозависимыми. Достаточно задать две из них, для того чтобы однозначно определить по характеристикам две другие величины.

Рисунок 1.1 - Представление транзистора как четырехполюсника

Для определения параметров транзистора используют три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника: системы z-параметров, y-параметров и h-параметров.

В системе h-параметров токи и напряжения четырехполюсника связаны следующими линейными уравнениями (1.1).

, (1.1)

где

h11 - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи; усилитель радиоприемник транзистор

h12 - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи;

h21 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи;

h22 - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи.

В таблице 1.1 приведены сведения об h-параметрах, взятые из технической документации для транзистора ВС 108

Таблица 1.1 - h-параметры транзистора ВС 108

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНЫМИ МЕЖКАСКАДНЫМИ СВЯЗЯМИ.

Рассчитаем усилитель низкой частоты с резистивно-емкостными межкаскадными связями. В качестве усилительных каскадов используем транзисторные схемы, включенные по схеме с общим эмиттером.

Общий коэффициент усиления по напряжению вычисляется по (2.1)

(2.1)

По (2.2) вычисляем общий коэффициент усиления по току, выразив его из (2.1) и подставив данные заданные в ТЗ.

(2.2)

Один каскад усиления на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером может обеспечить максимальный коэффициент усиления по переменному току на низкой частоте приблизительно .

Чтобы усилитель обеспечивал требуемый коэффициент усиления без предварительного отбора транзисторов по величине параметра (в), при расчете следует исходить из приводимой в справочниках минимальной величины параметра . Для транзистора типа ВС 108 .

Зная коэффициент усиления по току всего усилителя и коэффициент усиления по току одного каскада , определяем число каскадов усилителя по (2.3)

(2.3)

Поскольку количество каскадов усиления не может быть дробным, округляем до большего целого значения. Избыток усиления можно будет при необходимости компенсировать введением отрицательной обратной связи, что увеличит стабильность усилителя и сделает схему менее чувствительной к разбросу коэффициентов усиления транзисторов. Заданный в ТЗ коэффициент усиления по напряжению можно получить с помощью двух каскадов усиления .

Расчет усилителя по постоянному току.

Определяем величины резисторов в первом каскаде усилителя, при которых будет обеспечена выбранная рабочая точка и коэффициент температурной нестабильности тока коллектора . Задаем ток коллектора первого транзистора исходя из обеспечения минимального коэффициента шума. На рисунку 2.1 приведена зависимость коэффициента шума от тока коллектора. Определяем величину тока коллектора по характеристике, соответствующей заданному сопротивлению источника сигнала. Согласно ТЗ , что соответствует току коллектора .

Рисунок 2.1 - Зависимость коэффициента шума транзистора от тока коллектора

Вычисляем величину резистора нагрузки коллектора. Исходя из линейного режима работы транзистора (класс А) необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было примерно равно половине напряжения питания , задаем напряжение на коллекторе . Применяя закон Ома, вычисляем величину коллекторного резистора по (2.4).

(2.4)

Падение напряжения на эмиттерном резисторе должно составлять 5 - 10% от напряжения питания . Для этой схемы задаем 0,45 В, которое соответствует приблизительно 5%.

Тогда величину резистора RЭ определяем по формуле (2.5)

(2.5)

Поскольку ток базы в (2.5) на h21 раз меньше чем ток коллектора, то им можно пренебречь.

Для расчета величины резисторов базового делителя, задаем коэффициент температурной нестабильности каскада

.

Рассчитываем вспомогательный параметр - эквивалентное стабилизирующее сопротивление по формуле (2.6)

(2.6)

С учетом (2.6) вычисляем сопротивления резисторов базового делителя по формулам (2.7) и (2.8)

(2.7)

(2.8)

Задаем ток коллектора второго транзистора исходя из обеспечения максимального усиления. На рисунку 2.2 для коэффициента усиления определяем величину тока коллектора по характеристике , принимая во внимание характеристику зависимости верхней граничной частоты от тока коллектора . Поскольку максимум характеристик практически совпадает, выбираем ток коллектора второго каскада равным .

Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициента усиления и граничной частоты от тока коллектора для транзистора ВС 108.

Вычисляем величину резистора нагрузки коллектора. Исходя из линейного режима работы транзистора (класс А) необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было примерно равно половине напряжения питания , задаем напряжение на коллекторе

.

Тогда по формуле (2.9) вычисляем сопротивление резистора .

(2.9)

Так как падение напряжения на эмиттерном резисторе должно составлять 5 - 10 процентов от напряжения питания . Для этой схемы задаем 0,45 вольт, который соответствует приблизительно 5 процентам.

Рассчитываем величину резистора по формуле (2.10). Расчет производим без учета тока базы, поскольку он меньше тока коллектора минимум в 240 раз.

(2.10)

Задаем коэффициент температурной нестабильности каскада

.

По формуле (2.11) рассчитываем вспомогательный параметр - эквивалентное стабилизирующее сопротивление

(2.11)

Подставив значение из (2.11) в (2.12) и (2.13) рассчитываем сопротивление резисторов базового делителя второго каскада усилителя.

 (2.12)

(2.13)

Расчет усилителя по переменной составляющей.

По эквивалентной схеме усилителя, рисунок 2.3 видно, что нагрузка второго транзистора образована параллельным соединением резисторов и .

Рисунок 2.3 - Эквивалентная схема усилителя.

Соответственно результирующую проводимость нагрузки вычисляем по формуле (2.14)

(2.14)

Подставив результат из (2.14) в (2.15) рассчитаем коэффициент усиления по току второго транзистора

(2.15)

Входное сопротивление второго транзистора вычисляем по (2.16)

 (2.16)

Нагрузка первого транзистора (четырехполюсника) представляет собой параллельное соединение резисторов .

С учетом выше сказанного определяем проводимость нагрузки первого транзистора по (2.17)

(2.17)

Коэффициент усиления первого транзистора по току вычисляем по (2.18)

(2.18)

Входное сопротивление первого транзистора определяем по (2.19)

(2.19)

При определении коэффициента усиления по току всего усилителя следует учесть, что вследствие шунтирующего действия резисторов и входной ток первого транзистора (четырехполюсника) не равен входному току усилителя . Соотношение токов выражено в формуле (2.20)

, (2.20)

где - входная проводимость усилителя, которую рассчитываем по формуле (2.21)

(2.21)

В свою очередь выходной ток первого четырехполюсника разветвляется между четырьмя резисторами и входной ток второго транзистора (четырехполюсника) связан с выходным током первого транзистора соотношением (2.22)

(2.22)

В сопротивление нагрузки ответвляется только часть выходного тока второго четырехполюсника, что выражено в соотношении (2.23)

(2.23)

Учитывая вышеизложенное, общий коэффициент усиления по току всего усилителя вычисляем по (2.24)

(2.24)

Подставляя (2.24) в (2.25) определяем коэффициент усиления по напряжению.

(2.25)

Полученная в результате точного расчета величина .

Номиналы конденсаторов выбираем так, чтобы на рабочих частотах их сопротивления были на несколько порядков меньше входного сопротивления последующего каскада или эмиттерных резисторов для блокировочных конденсаторов, включенных параллельно эмиттерным резисторам.

Номиналы конденсаторов приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Номиналы конденсаторов

В таблице 2.2 приведены сведенные результаты расчетов

Таблица 2.2 - Результаты расчетов

Выводы

В данном курсовом проекте мною были произведены расчет усилителя низкой частоты с резистивно-емкостными межкаскадными связями. H-параметры для транзистора ВС 108 я определил по технической документации(datasheet). Обосновал выбор двух усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером. Рассчитал сопротивления резисторов для первого и второго каскадов усиления. Расчетный коэффициент усиления по напряжению составил Кн=207>200, избыток усиления можно будет при необходимости компенсировать введением отрицательной обратной связи, что увеличит стабильность усилителя и сделает схему менее чувствительной к разбросу коэффициентов усиления транзисторов. Все результаты расчетов занесены в таблицу 2.2.

Литература

1. Хиленко В.И. Основы радиоэлектроники: Учебник.- 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1983.

2. Буланов Ю.А., Усов С.А. Усилители и радиоприемные устройства. - М.:. Высшая школа, 1980.

3. Арестов К.А., Яковенко Б.С. Основы электроники: Учебное пособие для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988.

4. Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители. - М.: Высшая школа, 1990.

5. Вайсбурд Ф.И., Панаев, Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители.- М.: Радио и связь, 1987.

Приложение

Размещено на Allbest.ru