Остаточний розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ, виконаного за схемою з СЕ

45

Міністерство освіти та науки України

Херсонський національний університет

Кафедра енергетики та електротехніки

Курсовий проект по дисципліні:

«Промислова електроніка та електронне устаткування енергетичних установок»

Пояснювальна записка

Остаточний розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ, виконаного за схемою з СЕ

План:

Вступ

Розділ 1 Підсилювачі електричних сигналів

1.1 Основні параметри і характеристики підсилювачів

1.2 Принципи побудови підсилювачів

Розділ 2 Каскади попереднього підсилення

2.1 Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ

2.2 Підсилюючий каскад з СК (емітерний повторювач)

2.3 Підсилюючий каскад з СБ

2.4 Підсилюючий каскад з СВ

2.5 Підсилюючий каскад з СС

2.6 Багатокаскадні підсилювачі

2.7 Багатокаскадні підсилювачі з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв'язками

2.8 Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторним зв'язком

2.9 Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення

Розділ 3 Остаточний розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ, виконаного за схемою з СЕ

Каскад підсилення з СЕ. Схема електрична принципова

Висновок

Додаток

Вступ

Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для посилення потужності електричного сигналу без спотворення його форми і частоти (для лінійного підсилювача).

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі, послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє джерело живлення і підсилюючий елемент ПЕ. Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід ПЕ і, змінюючи провідність останнього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. В результаті у навантаженні виділяється необхідна величина потужності за рахунок енергії джерела живлення.

В якості ПЕ в сучасних підсилювачах зазвичай використовують транзистори (біполярні або польові), рідше - електронні лампи.

Підсилювачі класифікуються за такими ознаками:

1) призначення;

2) частота сигналу, що підсилюється;

3) форма сигналу;

4) характер зміни з часом сигналу, що підсилюється.

За призначенням підсилювачі поділяються на підсилювачі напруги, струму та потужності. Тобто вони забезпечують на виході необхідний рівень напруги, струму або потужності (хоча за своєю суттю всі вони є підсилювачами потужності).

За частотою підсилювачі поділяються на підсилювачі низької частоти (від одного герца до десятків кілогерц), середньої частоти (від десятків кілогерц до мегагерца) та високої частоти (більш за мегагерц).

За формою сигналу, що підсилюється, вони поділяються на підсилювачі гармонічних та імпульсних сигналів.

За характером зміни вхідного сигналу з часом бувають підсилювачі постійного та змінного струму.

Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричного сигналу, називається підсилювальним каскадом.

За видом зв'язку між джерелом сигналу та каскадами підсилювачі поділяються на підсилювачі з безпосереднім, резистивним, оптрон ним, резистивно-ємнісним, трансформаторним або резонансно-трансформаторним зв'язком.

Перші три види зв'язку можуть використовуватися у підсилювачах як постійного, так і змінного струму, решта - тільки у підсилювачах змінного струму.

Надалі ми будемо розглядати лінійні підсилювачі, у яких пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного.

Розділ 1 Підсилювачі електричних сигналів

1.1 Основні параметри і характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими характеристиками:

1) коефіцієнт підсилення - для лінійного підсилювача це:

- за напругою ;

- за струмом ;

- за потужністю .

У загальному випадку величини та є комплексними. Тому

(1.1.1)

де - фази вихідного та вхідного сигналів;

- зсув фаз між вхідним та вихідним сигналами.

Величина - завжди дійсне число.

У багатьох випадках коефіцієнт підсилення представляють у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ):

;

2) вхідний опір за постійним або змінним (залежно від виду підсилювача ) струмом ;

3) вихідний опір підсилювача (опір між вихідними клемами підсилювача за вимкненого опору навантаження);

4) коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) , де - загальна потужність, що відбирається від джерела живлення.

Найважливішими характеристиками підсилювачів є амплітудна та амплітудно-частотна, наведені на рис. 3.2. та рис. 3.3. відповідно.

Амплітудна характеристика являє собою залежність вихідної напруги від вхідної .

На рисунку позначено:

аб - робоча ділянка, на якій пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного;

бв - режим насичення (тут з ростом вхідного сигналу ріст вихідного припиняється - підсилювач виходить з лінійного режиму).

Величина (1.1.2) називається динамічним діапазоном підсилювача.

- робочий діапазон вхідної напруги.

Нелінійність характеристики при вхідних напругах, менших за , пояснюється наявністю шумових сигналів.



Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) - це залежність коефіцієнта підсилення від кругової частоти (; - частота сигналу, що підсилюється.

На рисунку позначено:

- найбільший коефіцієнт підсилення;

- таке зниження підсилення звукового сигналу не фіксується чітко вухом людини.

З АЧХ визначають робочий діапазон частот підсинюваного сигналу - від до .

1.2 Принципи побудови підсилювачів

Як правило, підсилювачі складаються із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу. При цьому загальне підсилення становить:

(1.2.1)

Вхідні каскади попереднього підсилення виконуються, як правило, у вигляді підсилювачів напруги.

Вихідні каскади - кінцеві - зазвичай є підсилювачами потужності або струму.

Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, режимом роботи. Але усім їм притаманні загальні принципи побудови. Розглянемо їх на прикладі підсилювача сигналів змінного струму, показаного на рис. 3.4.

Основним елементом підсилювача є ПЕ (біполярний або польовий транзистор), який разом з резистором R та джерелом живлення постійного струму Е утворюють головне вихідне коло підсилювача.

Принцип підсилення полягає у перетворенні енергії джерела постійної напруги Е в енергію змінного вихідного сигналу шляхом зміни провідності ПЕ за законом, зумовленим формою вхідного сигналу.

Оскільки вихідне коло підсилювача живиться постійною напругою, у ньому може протікати струму лише однієї полярності. Для забезпечення отримання підсиленого сигналу змінного струму необхідно задати його на фоні постійного сигналу , як це показано на рис 3.4, в. при цьому для нормальної роботи підсилювача амплітудні значення вихідних напруги та струму повинні бути меншими за постійні рівні напруги та струму .

Постійний рівень струму та напруги у вихідному колі задається подачею постійного рівня вхідної напруги .

Режим роботи підсилювача за постійним струмом називається режимом спокою. Він характеризується струмом спокою та напругою спокою вихідного кола. Щоб задати режим спокою, використовують спеціальні схеми зміщення напруги.

Вихідна напруга подається на навантаження, яким зазвичай є наступний каскад підсилення. Зверніть увагу: за такої побудови підсилювача його навантаженням (корисним) є не резистор R, а вхідний опір наступного (наприклад, такого ж) каскаду підсилення.

Розділ 2 Каскади попереднього підсилення

2.1 Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ

Найбільш розповсюджена схема каскаду попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ наведена на рис. 3.13.

Розглянемо склад схеми та призначення елементів.

- біполярний транзистор - підсилюючий елемент.

- навантаження, на якому виділяється підсилений сигнал.

- колекторне навантаження транзистора за постійним струмом.

- джерело живлення.

Зазначимо: разом із і утворюють головне коло підсилювача, в якому здійснюється підсилення сигналу. Решта елементів схеми виконують допоміжну роль.

Так, дільник напруги , задає режим спокою класу А, подаючи вхід каскаду постійну напругу .

, - забезпечують температурну стабілізацію режиму спокою.

, - розділяючи конденсатори: виключає потрапляння постійної напруги на джерело вхідного сигналу; виключає потрапляння постійної напруги на колекторі на навантаження (конденсатори розділяють ланцюги за постійним струмом).

Вхідний сигнал, що підлягає підсиленню, подається на клеми (1)-(2): - джерело вхідного сигналу; - його внутрішній опір.

Для цієї схеми необхідно дотримуватись таких співвідношень:

;

;

,

де - нижня границя діапазону робочих частот підсинюваного сигналу.

Навантаження каскаду за змінним струмом:

(2.1.1)

Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.14.



Можна бачити, що, наприклад, при додатній півхвилі вхідної напруги із зростанням базового струму зростає і колекторний струм , який у разів більший за . При цьому колекторна напруга , яка дорівнює різниці між і спадом напруги на , знижується: у даній схемі поряд з підсиленням сигналу має місце зміна його фази на 180 ел. град. (інверсія).

Такий підсилювач можна розрахувати аналітично за допомогою h- параметрів або на підставі фізичної моделі транзистора. Такий метод прийнятий за невеликих змін вхідного сигналу, тобто коли транзистор працює на лінійних ділянках ВАХ.

Більш універсальним є графоаналітичний метод розрахунку, який проводиться по вихідній динамічній характеристиці транзистора за постійним струмом. Крім того, використовуються вихідні статичні характеристики транзистора.

На рис. 3.15, а зображено вхідну характеристику транзистора, на рис. 3.15, б - вихідні статичні характеристики, на яких будується лінія навантаження за постійним струмом. Вона є вихідною динамічною характеристикою за постійним струмом:

(2.1.2)

Будується лінія навантаження за двома точками, що відповідають:

режиму Х.Х. транзистора - при ,

режиму Х.Х. транзистора - при .

аб - лінія навантаження за постійним струмом. За її допомогою знаходять положення точки спокою Р, яка для режиму класу А має лежати посередині відрізка аб. Із вхідної характеристики знаходимо значення . Тобто за допомогою лінії навантаження за постійним струмом, вхідної та вихідної характеристик транзистора знаходимо параметри, що характеризують транзистор за постійним струмом при . Знаючи , можна розрахувати параметри дільника напруги , .

Щоб знайти параметри каскаду, необхідно використати лінію навантаження зі змінним струмом.

Виходячи з того, що

(2.1.3)

(2.1.4)

(2.1.5)

з виразу (2.1.3) знаходимо

(2.1.6)

У вираз (2.1.4) підставимо (2.1.5) і (2.1.6). одержимо

(2.1.7)

Це є вихідна динамічна характеристика транзистора за змінним струмом.

За умови: маємо .

Для режиму Х.Х.: , .

За цими точками будуємо лінію вг, яка й характеризує роботу каскаду за змінним струмом.

Визначимо основні параметри каскаду.

1. Коефіцієнт підсилення за струмом.

 (2.1.8)

2. Коефіцієнт підсилення за напругою.

(2.1.9)

3. Вхідний опір.

(2.1.10)

Якщо вважати (без врахування дільника , ), то

.

Наявність дільника , знижує вхідний опір. Зверніть увагу: відносно вхідного сигналу змінного струму резистори , виявляються увімкненими паралельно: від струм тече не тільки через (що очевидно), а й через і далі через (з опором, що дорівнює нулю - джерело напруги).

4. Вихідний опір каскаду , оскільки опір транзистора з боку колектора нескінчений (реально - сотні кілоом), як у джерела струму.

Обмеження, яких необхідно дотримуватись при розрахунку каскаду:

1) ;

2) (максимально допустимого струму транзистора);

3) ;

4) (максимально допустимої робочої напруги);

5) (допустимої потужності).

Із розглянутого випливає, що для каскаду з СЕ: його використовують, коли необхідно отримати якнайбільший коефіцієнт підсилення за потужністю.

Каскади з СЕ зручно сполучаються один з одним, оскільки їх вхідний і вихідний опори досить близькі.

2.2 Підсилюючий каскад з СК (емітерний повторювач)

Схема емітерного повторювача зображена на рис. 3.16.

Тут - навантаження підсилювача за постійним струмом, яке одночасно забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою. Призначення решти елементів таке ж, як і у схеми з СЕ.

Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.17.

Зверніть увагу на те, що вихідна напруга співпадає за фазою з вхідною.

Оскільки у емітерного повторювача приблизно дорівнює , графоаналітичний розрахунок його параметрів можна вести, використовуючи побудови, наведені у попередньому розділи.



Розглянемо параметри повторювача, аналогічні параметрам каскаду з СЕ.

1. .

2. , , тому .

3. ,

де - опір бази;

- опір у колі емітера;

- опір емітерного переходу.

4. - має мале значення.

Каскади з СК застосовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має великий , а навантаження (наприклад, каскад підсилення з СЕ) має малий .

Оскільки каскад не змінює фази і не підсилює напруги вхідного сигналу (), то його й називають повторювачем.

2.3 Підсилюючий каскад з СБ

Схема підсилюючого каскаду за схемою з СБ зображена на рис. 3.18.

Конденсатор забезпечує підмикання бази до спільної точки схеми за змінним струмом. Призначення решти елементів те ж саме, що і у попередніх схемах. Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.19.



Основні параметри каскаду:

1. ;

2. ,

тобто

3. - малий.

Такі каскади використовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має малий , а навантаження - великий .

2.4 Підсилюючий каскад з СВ

Схема підсилюючого каскаду з СВ наведена на рис. 3.20.



Склад схеми та призначення елементів:

- польовий транзистор з керуючим p-n переходом і каналом n-типу.

- навантаження за постійним струмом.

- джерело живлення каскаду.

Ці елементи утворюють вихідне коло каскаду, де власне відбувається підсилення сигналу.

Так, дільник напруги , задає режим спокою класу А, подаючи вхід каскаду постійну напругу .

, - утворюють коло автоматичного зміщення, яке задає режим спокою класу А шляхом подачі напруги зміщення до затвору через резистор . Одночасно коло автоматичного зміщення забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою.

, - розділяючі конденсатори.

- виключає від'ємний зворотний зв'язок за струмом для змінного вхідного сигналу.

Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.21.

Графоаналітичний розрахунок схеми проводиться наступним чином. На стоковій характеристиці польового транзистора будуємо лінію навантаження за постійним струмом, як це показано на рис. 3.22,

.

Знаючи , знайдемо . Оскільки навантаження транзистора є, наприклад, наступний підсилюючий каскад на польовому транзисторі з дуже великим східним опором, то , і всі побудови за змінним струмом можна виконати за допомогою лінії навантаження за струмом.

Коефіцієнт підсилення за напругою

, (2.4.1)

де - крутизна;

- внутрішній опір польового транзистора.

Розглянутий каскад набув широкого розповсюдження у вхідних колах інтегральних підсилювачах.

2.5 Підсилюючий каскад з СС

Схема каскаду наведена на рис. 3.23.

Тут:

- польовий транзистор з керуючим p-n переходом і каналом n-типу;

- навантаження каскаду за постійним струмом (водночас створює напругу зміщення );

- дільник напруги (створює. напругу ).

та задають режим спокою підсилюючого каскаду: .

Призначення решти елементів аналогічне попереднім схемам.

Навантаження каскаду за змінним струмом .

Роботу підсилювача ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.24.

Ця схема має назву ви токового повторювача, оскільки практично повторює вхідну напругу.

Для каскаду можна записати такі співвідношення:

;

, тому ;

; .

Каскад має великий і малий , тому використовується як узгоджувальний підсилювач у разі необхідності узгодження джерела сигналу з великим з навантаженням, що має малий , наприклад, підсилювачів на польових та біполярних транзисторах.

Каскади на польових МДН-транзисторах схематично будують так, як і каскади на біполярних транзисторах.

2.6 Багато каскадні підсилювачі

Якщо один підсилюючий каскад не забезпечує потрібного рівня підсилення, то застосовують багато каскадні підсилювачі. Структурна схема такого підсилювача зображена на рис. 3.28.



Загальний коефіцієнт підсилення при цьому становить

(2.6.1)

2.7 Багатокаскадні підсилювачі з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв'язками

Найбільш широкого вжитку набули підсилювачі змінного струму з резистивно-ємнісними міжкаскадними зв'язками (з RC-зв'язками). Вони мають добрі частотні властивості, невеликі габарити, високу надійність і тому широко викорис-товуються як при створенні підсилювачів на дискретних елементах, так і в інтегральному виконанні.

На рис. 3.29 наведена схема такого підсилювача.

Підсилювач складається з двох каскадів підсилення, виконаних на транзисторах і за схемою з СЕ.

Вхідний сигнал після підсилення першим каскадом через конденсатор надходить на вхід другого каскаду, з виходу якого підсилений вдруге через конденсатор подається на навантаження .

Розрахунок багато каскадного підсилювача починають з вихідного (останнього) каскаду. Потім, знаючи його вхідну напругу, яка є вихідною напругою попереднього каскаду, приступають до розрахунку попереднього каскаду і т.д. Виходячи з умови забезпечення однотипності, каскади попереднього підсилення виконують однаковими (зазвичай з найбільш можливим коефіцієнтом підсилення). Тому розрахунок завжди зводиться фактично до розрахунку одного каскаду.

,

де ;

- внутрішній опір за змінним струмом другого каскаду;

Амплітудна характеристика такого підсилювача має вигляд, наведений на рис. 3.30.

На ній позначено:

1-2 - робоча ділянка підсилювача;

2-3 - режим насичення.

- динамічний діапазон підсилювача.

На ділянці 1-2 маємо незначне спотворення форми вихідного сигналу, зумовлене не лінійністю характеристик транзистора. Ступінь спотворень визначається коефіцієнтом нелінійних спотворень

(2.6.2)

де - ефективне значення напруги першої (основної) гармоніки вихідного сигналу;

- ефективні значення напруги другої, третьої і т.д. гармонік вихідного сигналу.

Наявність сигналу на виході підсилювача при і навіть при , визначається власними шумами елементів підсилювача. Це шумовий сигнал, що зумовлений, наприклад, не стаціонарністю процесу інжекції носіїв із емітера в базу біполярного транзистора (до речі, польові транзистори позбавлені цього недоліку, в зв'язку з чим їх часто використовують у першому каскаді підсилювачів малих сигналів); виникають шуми також за рахунок флуктуації струму при його протіканні через метало композиційні, вугільні та інші резистори і т.п. Крім того, причиною вихідних шумів є сигнали, наведені на елементах і з'єднаннях підсилювача зовнішніми електромагнітними полями, завади, що проникають на його вхід з кіл живлення при наявності в них пульсацій напруги.

Для зниження вихідних шумів використовують елементи з малими власними шумами, застосовують екранування, додаткові фільтри, вибирають схеми джерел живлення з мінімальними пульсаціями.

Другою важливою характеристикою двокаскадного підсилювача з RC-зв'язками є амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), зображена на рис. 3.31.

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на низьких частотах є наявність розділяючи конденсаторів С1, С2, С3 і СЕ, оскільки опір конденсатора

У результаті на розділяючи конденсаторах падає частина напруги сигналу, що повинен передаватися в наступний каскад або навантаження, а з ростом опору СЕ, виникає суттєвий ВЗЗ за підсинюваним сигналом змінної напруги.

Причиною зниження коефіцієнта підсилення на високих частотах є:

1) зниження коефіцієнта передачі транзистора за струмом при ;

2) наявність у схемі паразитних конденсаторів та індуктивностей, оскільки

,

то зі збільшенням частоти сигналу (або для його вищих складових гармонік) розосереджена ємність ліній зв'язку в межах каскаду шунтує частинну енергії сигналу, що підсилюється, а індуктивність провідників веде до падіння на них напруги. В результаті коефіцієнт підсилення знижується.

2.8 Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторним зв'язком

В таких підсилювачах зв'язок між каскадами здійснюється за допомогою трансформаторів. Зазвичай, первинна обмотка вмикається у вихідне струмове коло транзистора попереднього каскаду, а вторинна обмотка - до входу наступного каскаду або безпосередньо до навантаження. У першому випадку маємо справу з підсилювачем напруги, у другому - з підсилювачем потужності.

Структурна схема підсилювача зображена на рис. 3.32.

У цій схемі перший каскад - підсилювач напруги, другий - підсилювач потужності.

Використання трансформатора надає такі переваги:

1) підвищується загальний коефіцієнт підсилення як за напругою, так і га напругою;

2) забезпечуються умови максимальної передачі потужності за рахунок узгодження вихідного опору каскаду з опором його навантаження ().

Але використання трансформатора має і свої недоліки, а саме: підвищуються маса і габарити схеми, погіршуються частотні властивості підсилювача. Крім того, в наш час трансформатор є нетехнологічним виробом: технологія виробництва трансформаторів кардинально відрізняється від технології виготовлення інших вузлів підсилювача.

Найширшого розповсюдження трансформаторні підсилювачі знаходили до недавнього часу як підсилювачі потужності. Будуються вони за однотактною або двотактною схемами.

Схема однотактного трансформаторного підсилювача потужності наведена на рис. 3.33.

У колекторне коло транзистора увімкнено первинну обмотку трансформатора , вторинна обмотка якого відімкнена до навантаження .

Коефіцієнт трансформації , де - кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно.

Призначення решти елементів те ж саме, що і в попередніх схемах.

Працює підсилювач у режимі класу А.

Величина опору навантаження, зведена до первинної обмотки, становить

(2.7.1)

Оскільки , то, і коефіцієнт трансформації

(2.7.2)

Недоліками наведеної схеми є низький к.к.д.: =0,250,3; наявність сталого підмагнічування осердя трансформатора внаслідок протікання постійного струму по його первинній обмотці, що призводить до збільшення габаритів трансформатора.

Вказаних недоліків позбавлений двотактний підсилювач потужності, принципова схема якого зображена на рис. 3.34.

Підсилювач складається з двох однотактних каскадів, виконаних на транзисторах і . Параметри транзисторів повинні бути практично однаковими. Трансформатор призначений для подачі на вхід підсилювача двох напруг та , рівних за величинами, але зсунутих за фазою на 180 ел. град. Трансформатор узгоджує вихід підсилювача з навантаженням, тобто забезпечує виконання умови передачі максимальної потужності. Резистори призначені для створення режиму спокою (в режимі АВ) для обох транзисторів.

Цей підсилювач може працювати у класі В або АВ. У трансформатора стале підмагнічування відсутнє, оскільки по одній його напівобмотці постійний струм тече в одному напрямку, а по другій - у протилежному, причому .

Розглянемо роботу підсилювача за наявності .

Якщо полярність відповідає вказаній на схемі без дужок, транзистор закритий, а працює в режимі підсилення. При цьому в колекторному колі з'являється підсилена на півхвиля струму, яка через верхню первинну напіобмотку трансформатора передається до навантаження.

При полярності , вказаній у дужках, транзистор закритий, а знаходиться у режимі підсилення під дією . Напівхвиля струму, що протікає у колекторному колі , має протилежний напрямок і через нижню первинну напівобмотку трансформатора передається до навантаження. Таким чином, транзистори і працюють по черзі, створюючи підсилену змінну напругу на навантаженні за два такти.

На рис. 3.35 зображено вихідні характеристики транзистора та побудову часової діаграми імпульсу колекторного струму.

Повна та вихідна потужності відповідно становлять

(2.7.3)

2.9 Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення

Без трансформаторні вихідні каскади підсилення якнайширше використовують як у складі ІМС, так і в дискретному виконанні. Схему такого каскаду, виконану на однотипних транзисторах п-р-п типу, наведено на рис. 3.36.

Транзистор і навантаження утворюють каскад з СК, а і - каскад з СЕ. Сигнали що підсилюються, надходять на входи транзисторів , із зміщенням за фазою на 180 ел. град.: одержання двох протифазних напруг забезпечує фазоінверсний каскад на транзисторі . Транзистори і поперемінно відкриваються позитивними півперіодами, зумовлюючи протікання в навантаженні змінного струму.

Живлення такого каскаду можливе і від одно полярного джерела. У такого випадку навантаження підмикається через конденсатор великої області.

Останнім часом широко використовують каскади підсилення, побудовані на транзисторах різного типу провідності - на комплементарних парах транзисторів. Схема найпростішого такого каскаду наведена на рис. 3.37. Кожен з транзисторів разом з навантаженням тут утворює схему з СК.

Працює каскад у режимі класу В, який відзначається значними нелінійними викривленнями при підсиленні гармонійних сигналів.

Характерна особливість такої схеми: для неї не потрібен фазоінверсний каскад.

Для забезпечення роботи в режимі класу АВ використовують невеликі зміщення (0,6-0,7)В, як це показано на рис. 3.38 (дільник ).

При цьому за відсутності вхідного сигналу через обидва транзистори протікає невеликий струм спокою (наскрізний струм), а через навантаження не протікає.

Оскільки ви цих схемах обидва транзистори увімкнені відносно навантаження як емітерні повторювачі, то вони досить просто узгоджуються з низькоомним опором навантаження і к.к.д. при цьому досить високий. Вихідна напруга дорівнює вхідній, а підсилення потужності відбувається за рахунок підсилення струму.

Розділ 3 Остаточний розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ, виконаного за схемою з СЕ

Мета розрахунку

Набуття навиків розрахунку транзисторних каскадів попереднього підсилення низькочастотних сигналів змінного струму, у даному разі звукових частот (ПНЧ).

Вихідні дані (табл.4.1):

1)напруга на виході каскаду Uвих m = 3,5 В

2)опір навантаження Rн = 240 Ом

3)напруга джерела живлення ЕК = 14 В;

4)нижня межа частот fн = 75 Гц

5)допустиме значення коефіцієнта викривлень в області нижчих частот Мн = 2,1.

Як і для попереднього розрахунку, вважаємо, що ПНЧ працює у стаціонарних умовах.

Необхідно визначити:

1) тип транзистора (уточнити правильність попереднього вибору);

2) режими роботи транзистора;

3) опори резисторів дільника R1, R2;

4) опір резистора колекторного навантаження R3;

5) опір резистора в ланцюгу емітера R4;

6) ємність розділяючого конденсатора С2;

7) ємність конденсатора в ланцюгу емітера С3;

8) гарантовані значення коефіцієнтів підсилення каскаду за струмом КІ, напругою КU та потужністю КP.

При побудові схеми каскаду будемо використовувати елементи з допустимим відхиленням від номінальної величини 5% (виходячи з цього, в результатах розрахунку можна залишати не більше трьох значущих цифр).

Порядок розрахунку

3.4.1. Перевіримо правильність попереднього вибору транзистора:

1) допустима напруга між колектором та емітером повинна перевищувати напругу джерела живлення

UКmах > ЕК; (3.4.1)

2) величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора

ІКmах > ІОК + ІКm, (3.4.2)

де ІОК - струм спокою у колі колектора;

ІКm - амплітуда змінної складової струму у колі колектора;

(3.4.3)

де - еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом. При цьому R3 є навантаженням за постійним струмом.

Виходячи з того, що даний каскад є підсилювачем потужності, для забезпечення максимальної передачі потужності задаємо:

(3.4.4)

тобто R3 = 240 Ом,

(до речі, за умови підсилення напруги задають R3 << Rн, а при підсиленні струму R3 >> Rн), тоді:

;

.

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають

ІОК = (1,05…1,1)ІКm = 1,1 · 29,2 = 32,1 мА.

На підставі (3.4.1) та (3.4.2) необхідно вибрати транзистор, який би забезпечував:

UКmах > 14 В;

ІКmах > 32,1 + 29,2 = 61,3 мА.

За результатами попереднього розрахунку було обрано у якості підсилюючого елемента транзистор КТ315. За даними табл..11.2.2 знаходимо, що заданим вимогам відповідає транзистор КТ3107Е, у якого UКmах = 20В, ІКmах = 100 мА, h2ІЕ = 120…220, РКmах = 300 мВт.

3.4.2. Знаходимо напругу між колектором та емітером транзистора у режимі спокою

(3.4.5)

де - напруга між колектором та емітером, нижче якої при роботі каскаду виникають значні нелінійні викривлення через те, що у робочу зону потрапляють ділянки характеристик транзистора зі значною кривизною.

Для малопотужних транзисторів як правило задають Uост = 1 В. Тоді

U0К = 3,5 + 1 = 4,5 В.

3.4.3. Знаходимо потужність, що виділяється на колекторі транзистора:

РК = І0КU0К. (3.4.6)

При цьому необхідно забезпечувати виконання умови:

РК < РКmах; (3.4.7)

РК = 32,1 · 4,5 = 144 < 300 мВт.

Таким чином, вибраний тип транзистора відповідає вимогам за потужністю.

3.4.4. Знаходимо опір навантаження у колі колектора. Виходячи з (3.4.4), маємо R3 = 240 Ом.

Потужність, що розсіюється в резисторі:

Р = І2R. (3.4.8)

Отже

РR3 = І20КR3 = (32,1 · 10-3)2 · 240 = 0,247 Вт.

За табл..4.2 - 4.4 вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,25 Вт з опором 240 Ом.

3.4.5. Знаходимо опір резистора R4 у ланцюгу термостабілізації:

(3.4.9)

При цьому необхідно виконувати співвідношення:

(3.4.10)

Що забезпечує незначне зниження динамічного діапазону каскаду і падіння напруги на R4, яке перевищує значення контактного потенціалу p-n переходу транзистора (для забезпечення умов температурної стабілізації режиму спокою каскаду). Отже:

;

.

Останнє відповідає умові (3.4.10).

Потужність, що розсіюється в R4

За табл. 4.2 - 4.4 вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,25 Вт з опором 60 Ом.

3.4.6. Знаходимо ємність конденсатора С3, що шунтує R4 за умови, що його опір на частоті повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора R4:

(3.4.11)

де множник 106 дозволяє отримувати значення ємності у мікрофарадах.

.

Робоча напруга на С3

UС3 = І0КR4 = 32,1 · 10-3 · 60 = 1,93 В.

За табл. 4.2, 4.3, та 4.5 вибираємо конденсатор типу К50-35 ємністю 500 мкФ на напругу 6,3В.

3.4.7. Знаходимо величину струму спокою бази транзистора

(3.4.12)

І0Б = 32,1/120 = 0,268 мА.

3.4.8. Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази

U0Б = 0,6 В (3.4.13)

і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора

 (3.4.14)

3.4.9. Знаходимо величини опорів резисторів дільника R1, R2.

Дільник підімкнемо до напруги.

UД = ЕК = 14 В. (3.4.15)

Величина струму в дільнику вибираємо в межах

ІД = (2…..5)І0Б, (3.4.16)

що забезпечує незалежність задання режиму спокою транзистора при зміні його параметрів під впливом температури, при заміні на інший і т.п.

ІД = 5 · 0,268 = 1,34 мА.

Падіння напруги на резисторі R4 складає

UR4 = (І0К + І0Б)R4, (3.4.17)

UR4 = (32,1 + 0,268)· 60 = 1,94 В.

Тоді

(3.4.18)

(3.4.19)

Отже,

;

.

За табл. 4.2 - 4.4 вибираємо R1=7,5 кОм; R2 = 2,2 кОм.

Знаходимо потужність, що виділяється в резисторах R1 і R2:

РR1 = (І0Б + ІД)2R1; (3.4.20)

(3.4.21)

РR1 = [(0,268 + 1,34) · 10-3]2 · 7,5 · 103 = 0,019 Вт;

РR2 = (1,34 · 10-3)2 ·2,2 ·103 = 0,004 Вт.

З табл..4.2 - 4.4 вибираємо резистори типу С2-33 потужністю 0,125 Вт.

3.4.10. Знаходимо ємність конденсатора С2 за умови забезпечення допустимого значення коефіцієнта частотних викривлень Мн:

(3.4.22)

значення якої отримується в мікрофарадах.

Робочу напругу С2 приймаємо рівною

UС2 = 1,5ЕК. (3.4.23)

Тоді

UС2 = 1,5 · 14 = 21 В.

За табл..4.2, 4.3, та 4.5 вибираємо конденсатор типу К73-17 ємністю 3,3 мкФ на напругу 250 В.

3.4.11. Знаходимо амплітудні значення струму й напруги на вході каскаду:

(3.4.24)

де - мінімальне значення коефіцієнта передачі струму в схемі з СЕ для обраного транзистора.

.

(3.4.25)

Необхідна потужність вхідного сигналу

(3.4.26)

3.4.12. Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою та потужністю:

(3.4.27)

(3.4.28)

(3.4.29)

Раніше було прийнято значення коефіцієнта підсилення за потужністю 20 дБ, отже каскад розраховано вірно.

Більш того, навіть за мінімального значення коефіцієнта підсилення транзистора маємо запис за підсиленням. Діапазон можливих значень коефіцієнта підсилення у транзисторів досить широкий: для КТ315Г він складає . Отже основний параметр може перевищувати своє мінімальне значення у сім разів!

3.4.13. Електричну принципову схему розрахункового каскаду підсилення з СЕ наведено на рис.11.3.1.

	біполярний транзистор - підсилюючий елемент
	опір навантаження	240 Ом
	напруга джерела живлення	14 В
	ємність розділяючого конденсатора	3,3 мкФ
	ємність розділяючого конденсатора	3,3 мкФ
	ємність конденсатора в ланцюгу емітера	500 мкФ
	опір резистора дільника	7,5 кОм
	опір резистора дільника	2,2 кОм
	опір резистора колекторного навантаження	240 Ом
	опір резистора в ланцюгу емітера	56 Ом

Додаток

Таблиця 4.1 - Вихідні дані для остаточного розрахунку каскаду попереднього підсилення

Цифри номера залікової книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
десятки	одиниці
	Uвих m, В	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,75	6,5	7,25	8
	Rн, Ом	130	180	240	330	430	510	620	820	1000	1300
	EK, В	10	12	14	16	18	20	23	26	29	32
fн, Гц		50	75	100	125	150	175	200	225	250	275
Мн		2,2	2,1	2	1,9	1,8	1,7	1,6	1,5	1,4	1,3

Таблиця 4.2 - Ряди номінальних значень

Індекс ряду	Позиції ряду	Допустиме відхилення від номінальної величини, %
Е 6	1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8	20
Е 12	1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2	10
Е 24	1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1	5

Числу в індексі знаменника ряду відповідає кількість позицій ряду: так для Е24 має 24 номінальних значення у проміжку від 1 до 10 (більша кількість при допустимому відхиленні 5% не потрібна).

Будь-яке номінальне значення ряду може бути помножене на множник 10m. Множники та їх позначення наведені в табл..4.3 (може бути, наприклад. 6,8 Ом; 680 Ом; 6,8 кОм; 68 кОм; 6,8 мкФ; 0,68 нФ; 6800 пФ).

Таблиця 4.3 - Множники для утворення десяткових часткових та кратних одиниць

Множник 10m	Приставка	Параметр елемента
		Опір	Ємність
		Назва	Позначення	Назва	позначення
109 106 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12	гіга мега кіло мілі мікро нано піко	гігаом мегаом кілоом ом міліом	ГОм МОм кОм Ом мОм	фарада мікрофарада нанофарада пікофарада	Ф мкФ нФ пФ

Таблиця 4.4 - Постійні резистори

Тип резистора	Діапазон опорів	Номінальна потужність, Вт
МЛТ	1 Ом - 3,01 МОм 1 Ом - 5,1 МОм 1 Ом - 10 МОм	0,125 0,25; 0,5 1; 2
С2 - 33	1 Ом - 3 МОм 1 Ом - 5,1 МОм 0,1 Ом - 5,1 МОм 1 Ом - 10 МОм 1 Ом - 22 МОм	0,125 0,25 0,5 1 2

Таблиця 4.5 - Конденсатори постійної ємності

Номінальна напруга, В	Номінальна ємність, мкФ
	К 50-7	К 50-35	К 50-18	К 10-17	К 73-17
6,3		20; 30; 50; 100; 200; 500	220000
10		10; 20; 30; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000; 5000	100000
16		5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 1000; 2000; 5000	22000 68000 100000
25		2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000; 5000	15000 33000 100000
50		2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000	4700 10000 15000 22000	0,001; 0,01; 0,022; 0,056
63					0,22; 0,33; 0,47; 0,68; 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7
100		0,5; 1; 2,5; 10; 20; 30; 50	2200 4700 10000
160	2; 50; 100; 200; 500	1,2; 5; 10; 20			1,5; 2,2
250	10; 20; 50; 100; 200		1000 4700		0,047; 0,068; 0,1; 0,15; 0,22; 0,33; 0,47; 0,68; 1
300	5; 10; 20; 50; 100; 200
350	10; 20; 50; 100
450	10; 20; 50; 100

Таблиця 4.6 - Основні параметри ІМС КР538УНЗА

Електричні параметри
Коефіцієнт підсилення за напругою Струм, споживаний за відсутності вхідного сигналу, мА, не більш як Максимальна вихідна напруга, В, не менш як Номінальна напруга живлення, В Максимальна частота вхідного сигналу, МГц	200…300 5 0,5 6 10
Гранично допустимі режими експлуатації
Діапазон напруг джерела живлення, В Вхідна напруга, мА, не більш як Струм навантаження, мА, не більш як	5,0…7,5 0,2 2

Таблиця 4.7 - Основні параметри ІМС К174УН9А

Електричні параметри
Струм, споживаний за відсутності вхідного сигналу, мА, не більш як Чутливість за вихідної потужності 5 Вт, мВ Діапазон робочих частот, Гц Вхідний опір, ком, не менш як Номінальна напруга живлення, В Номінальний опір навантаження, Ом	30 50…120 40…20000 100 18 4
Гранично допустимі режими експлуатації
Діапазон напруг джерела живлення, В Опір навантаження, Ом, не менш як Статичний потенціал на входах ІМС, не більш як	5,4…19,8 4 30

За вихідної потужності, більшої за 300 мВт ІМС необхідно встановлювати з тепловідводом площею не менш як 30 см2.