Широкополосный усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Содержание

Введение

Выбор функциональной и принципиальной схемы

Расчет величин элементов оконечного каскада

Расчёт величин элементов промежуточного каскада

Расчёт величин элементов входного каскада

Расчёт шумовых свойств транзистора

Расчет нелинейных искажений

Расчёт частотных искажений

Расчёт регулировки усиления

Литература

Приложение

Введение

Во многих областях современной науки и техники часто требуется необходимость усиления электрических колебаний различных видов с сохранением их формы. Устройства, предназначенные для этой цели, называют усилителями.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных приборов - усилительных элементов, которые получают энергию от источника питания и преобразуют её в энергию усиливаемых сигналов, т. е. обладают управляющими свойствами.

Управляющий источник энергии от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя в которой эти сигналы входят - входной цепью или входом усилителя. Устройства являющиеся потребителем усиливаемых сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь, к которой подключают нагрузку - входной цепью или выходом усилителя

Рис. 1

Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых колебаний, называют источником питания усилителя или основным источником питания т. е. усилитель как - бы черпает энергию из источника питания и преобразует её в полезную колебательную мощность на нагрузке.

Для обеспечения заданной мощности в нагрузке применяется оконечный каскад, входной каскад и n - промежуточных каскадов, совокупность каскадов - блок - схема усилителя

Рис. 2:

источник сигнала;

согласующее устройство;

предварительный каскад усиления;

n-промежуточных каскадов;

оконечный каскад;

согласующее устройство;

нагрузка.

Согласующее устройство предназначено для передачи сигнала от источника сигнала на вход предварительного каскада усилителя и с оконечного каскада на нагрузку усилителя. В качестве согласующего устройства используют разделительные конденсаторы, которые позволяют отделить постоянную составляющую тока и напряжения от переменных составляющих, они же используются для межкаскадной связи.

Входной и промежуточный каскады обеспечивают усиление сигнала до уровня необходимого для работы оконечного каскада усилителя, который обеспечивает заданную мощность в нагрузке.

Усилительное устройство характеризуется рядом технических показателей. В зависимости от того какие показатели являются основными формируется требование к проектированию усилителей, выбираются способы их технической реализации.

коэффициент усиления усилителя:

 n

К_n = К_i - если усилитель содержит n каскадов.

i=1

при усилении прямоугольных импульсов качество работы усилителя оценивают его переходной характеристикой.

нелинейные искажения представляют собой искажения выходного сигнала, вызванные наличием в усилителе нелинейных элементов (транзистор, лампа, диод и т. д.). Особенность нелинейных искажений - появление в спектре выходного сигнала новых дополнительных частотных компонент (гармоник), отсутствующих во входном сигнале. Мерой нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений

К_г= U₂² + U₃² + … /U₁

где U₂, U₃, … амплитуды высших гармоник, U₁ - амплитуда или действующее значение 1-ой (основной) гармоники.

в выходном сигнале присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой определённой доли выходного сигнала. Основные помехи возникающие в усилителе это фон и шумы.

Фон - добавочное напряжение на выходе, вызванное питанием усилителя от сети переменного тока, или наводкой от внешних полей. Уменьшение фона достигается за счет:

сглаживания пульсаций питающего напряжения (фильтры);

использование ООС;

рационализация конструкции и монтажа устройства.

Шумы представляют собой помехи флюктационного характера.

Усилители высокой чувствительности усиливают сигналы малой интенсивности. Основная задача, которую необходимо решить при их проектировании, - обеспечение заданного отношения сигнал/шум, приведённого к определённому участку цепи. Поэтому большое внимание уделяется расчету общего уровня шумов на выходе устройства.

Выбор функциональной и принципиальной схемы

Выберем схему стабилизации с отрицательной обратной связью по постоянному току, последовательного типа. Это приведёт к наилучшему показателю стабильности коэффициента усиления. Тип транзистора (p-n-p), так как к усилителю не предъявляется особых требований, то I_ok=(0.5…5)mA.

Малые величины (U_ok) - нежелательны т. к. при этом транзистор теряет усилительные свойства, а его выходная, входная и проходная проводимости становятся большими, следовательно U_ok > (2…4)В.

Для проверки правильности выбора I_ok и U_ok:

P_к = I_ok U_ok< Р_кmax

P_к = 0.001*3 = 0.003 Вт<0.15 Вт (КТ 361 Б)

f_пред = 250 МГц ; h_21э = 50 … 350

учтём условие: f_пред = h_21эF_в, где F_в = 18 КГц

250*10⁶ > 350*18*10³

(250 > 6.3) МГц

К₀ = (0.3 … 0.4) h_21min = 0.35*50 = 17.5

К₀ = 20lg17.5 = 25 дб

К_общ = 20lg3500 = 70 дб

N= lg К_общ / lg К₀

N= 70/25 = 2.8

N=3, где N - число каскадов.

Проверим, обеспечит ли транзистор (КТ 361 Б) в трёхкаскадном усилителе заданную верхнюю граничную частоту полосы пропускания: f_в= 18 КГц

f_пред

F_в = 18 КГц < M²_{в общ} - 1 = (*)

h_21max

М_в = М_н = 3 дб

3дб = 20 lg x

lg x = 3/20 = 0.15

x = 10^0.15 =1.41 раз

250*10⁶

(*) = 1.41² - 1 362.4 КГц

350

Вывод: транзистор КТ 361 Б можно использовать в усилителе. Выберем режим работы транзисторов:

I_ok = 1 мА

U_ok = 3 В

Находим значения параметров транзистора:

S₀ = (q I_ok) / (K T) = (1.69*10^-19 * 10^-3) / (1.38*10^-23 300К) = 40^mA/_B

g₀ = S₀ / h₂₁ = 40^mA/_B / (50 … 350) = (0.1 … 0.8) mCM

Распределим частотные искажения в области нижних частот по каскадам

М_н = М_н = 1.41 = 1.09 1.1

Считая что частотные искажения каскада М_н обусловлены разделительным конденсатором С и блокировочным конденсатором находим:

М_н1 = М_н2 = М_н = 1.1 = 1.05

Принципиальная схема усилителя (Рис 3)

Расчет величин элементов оконечного каскада

усилитель каскад стабилизация транзистор

Выберем напряжение питание:

E = 10P_н R_н

P_н = U²_{m вых} / 2 R_н = 35mВт

E = 10*35*10^-3*180 = 7.82

E_п = Е + U₀ = 11В

I_km = I_rn + U_вых /R_кор = I_rn + (1.5*I_rn* U_вых) / (0.4* E_к)

I_rn = U_вых / R_н = 9.5mA

I_km = 9.5*10^-3 + (1.5 * 9.5*10^-3 * 3.5) / (0.4*11) = 10.3mA

I_к0 = (1.05 … 1.2) I_km = 1.1*10.3 * 10^-3 =11.4mA

Минимальный ток покоя коллектора транзистора

Найдём R_k и R_э взяв падение напряжения на них равных 0.4*E_к и 0.2*E_к соответственно: (R_k = R₁₁ ; R_э = R₁₂)

R₁₁ = 0.4* E_к / I_к0 = 0.4*11 / 11.4*10^-3 = 285 Ом

R₁₂ = 0.2* E_к / I_к0 = 0.2*11 / 11.4*10^-3 = 196 Ом

При этом U_кэ0 = Е_к - I_к0* R_к - I_к0* R_э

U_кэ0 = 11 - 0.0114*285 - 0.0114*196 = 8.5

По характеристикам транзистора КТ 361 Б (Рис. 4, 5) находим U_бэ0 ; R_{вх оэ} ; при U_кэ = 8.5 В. Построим нагрузочную прямую рис. 4

E_к / R_k = 11/285 = 38 mA

E_к = 11 В

По графикам определим:

I_б0 = 0.085 mA

U_бэ0 = 0.55 В

R_вх = U_бэ / I_б = 6470 Ом 6.5 кОм

R_{вх оэ} = 6.5 кОм

Падение напряжения на R_ф принимаем U_rф = (0.1 … 0.2)E_к

?U_rф = (1.1 … 2.2) В 1.5 В

Напряжение, подводимое к делителю:

Е'_к = 11 - 1.5 = 9.5 = U_д

Рассчитаем R₉ и R₁₀ (делитель)

I_д = (2…5)I_б = 3.1*0.085mA = 0.26 mA

R₉ = (U_д - ?U_rэ - U_бэ0) / (I_б0 + I_д) = (*)

?U_rэ = 0.1*E_к

(*)= (9.5 - 1.1 - 0.55)/(0.085*10^-3 + 0.00026) = 22753 Ом = 22.8 кОм

R₁₀ = (?U_rэ + U_бэ0) / I_д = (1.1 + 0.55)/0.00026 = 6.346 кОм

R_ф = ?U_rф / (I_д + I_к0) = 1.5 / (0.00026 + 11.4*10^-3) = 95.8 Ом

С_ф = (10 … 50) / f_н R_ф = 10/50*95.8 = 2040 мкФ

Ёмкость разделительного конденсатора:

С₇ = 0.159 / (f_н (R_вых + R_{вх. сл.}) M²_н - 1)

R_вых + R_{вх. сл.} = R_к + R_н = 285 + 180 = 465 Ом

С₇ = 0.159 / (50*465 1.41²-1 = 6.8 мкФ

С_э = 10⁶ / (2 ??f_н 0.1 R_э) = 10⁶ / (2*3.14*50*0.1*196) = 162 пкФ

С₆ = С_э

I_{м вх 3к} = I_б = I_км / ?_min = 0.08 мА

К_т3 = I_km / I_бм = 20

U_вх = I_бм * R_{вх оэ} = 0.08*10^-3*6.5*10³ = 0.54 В

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

Элемент каскада	Численное значение
R9	22.8 Ком
R10	6.346 кОм
R11	285 Ом
R12	196 Ом
Rф	95.8 Ом
Rн	180 Ом (задано)
Сф	2040 мкФ
С6	162 пкФ
С7	6.8 мкФ

Расчёт величин элементов промежуточного каскада

I_км = I_{вх м сл}+ (U_{вх м сл} / R2_сл) + (U_{вх м сл} / R1_сл) + (U_{вх м сл} / R_кор)

R_кор = 0.4* Е'_к / I_к0 = 0.4*9.5 / 1.5*0.08*10^-3 = 31.6 кОм

U_{вх м сл} = 0.52 В; R2_сл = R₁₀; R1_сл = R₉

I_км = 0.08*10^-3 + 0.52 / 6346 + 0.52 / 22800 + 0.52 / 31600 = 0.2 мА

Рассчитаем ток покоя цепи коллектора:

I_к0 = (1.05 … 1.2)I_км = 1.2*0.2 = 0.24 мА

Примем ток покоя равным 1мА тогда:

R_к = R₇ = 0.4* Е'_к / I_к0 = 0.4*9.5 / 10^-3 = 3.8 кОм

R_э = R₈ = 0.2* Е'_к / I_к0 = 0.2*9.5 / 10^-3 = 1.9 кОм

U_кэ0 = Е_к' - I_к0* R_к - I_к0* R_э = 9.5 - 3.8 - 1.9 = 3.8 В

Построим нагрузочную прямую II:

I_к = Е'_к / R_к = 9.5 / 3800 = 0.0025 A = 2.5 mA

U_б0 = 0.5 В I_б = 0.03*10^-3 А; R_{вх оэ} = U_бэ / I_б = 15 кОм

?U_rф = 1.5 В; Е”_к = 9.5 - 1.5 = 8 В

R₅=(U_д - ?U_rэ - U_бэ0) / (I_б0 + I_д) = (*)

I_д = (2…5)I_б0 = 5*0.03mA = 0.15 mA

?U_rэ = 0.1*E”_к = 0.1*8 = 0.8 В

(*)= (8 - 0.8 - 0.5)/(0.03*10^-3 + 0.15*10^-3) = 37.2 кОм

R₆ = (?U_rэ + U_бэ0) / I_д = (0.8 + 0.5)/0.00015 = 8.6 кОм

С_э = С₄ = 10⁶ / (2 ??f_н 0.1 R_э) = 10⁶ / (2*3.14*50*0.1*1900) = 20.9 мкФ

С₅ = 0.159/(f_н (R_вых + R_{вх. сл.}) M²_н - 1) = 0.159 / (50*4300 1.41²-1) = 1 мкФ

R_ф = ?U_rф / (I_д + I_к0) = 1.5 / (0.00015 + 10^-3) = 1304 Ом

С_ф = (10 … 50) / f_н R_ф = 10/50*1304 = 153 мкФ

I_{м вх} = I_б = I_км / ?_min = 0.19/50 = 3.8 мкА; К_т3 = I_km / I_бм = 19;

U_{м вх сл} = I_бм * R_{вх оэ} = 0.063 В

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

Элемент каскада	Численное значение
R5	37.2 кОм
R6	8.6 кОм
R7	3.8 кОм
R8	1.9 кОм
Rф	1.3 кОм
Сф	153 мкФ
С4	20.9 мкФ
С5	1 мкФ

Расчёт величин элементов входного каскада

I_км = I_{вх м сл}+ (U_{вх м сл} / R5) + (U_{вх м сл} / R6) + (U_{вх м сл} / R_кор)

R_кор = 0.4* Е'_к /(1.5*I_{м вх сл}) = 0.4*9.5 / 1.5*3.8*10^-6 = 56.1 кОм

I_км = 3.8*10^-6 + 0.063/37200 + 0.063/8600 + 0.063/56100 = 1.33*10^-5 мА

I_к0 = 1 мА

R₃ = 0.4*Е”_к / I_к0 = 0.4*8 / 10^-3 = 3200 Ом

R₄ = 0.2*Е”_к / I_к0 = 0.2*8 / 10^-3 = 1600 Ом

Uкм = Е”_к - I_к0* R₃ - I_к0* R₄ = 3 В

Построим нагрузочную прямую III:

I_б0 = 0.02*10^-3 А; U_бэ0 = 0.45 В; R_{вх оэ} = 12.5 кОм

Е”'_к = 8 В I_д = (2…5)I_б0

R₁ = (U_д - ?U_rэ - U_бэ0) / (I_б0 + I_д) = (*)

?U_rэ = 0.1*E”_к = 0.1*8 = 0.8 В

(*) = 65.3 кОм

R₂ = (?U_rэ + U_бэ0) / I_д = 12.5 кОм

С_э = С₂ = 10⁶ / (2 ??f_н 0.1 R_э) = 10⁶ / (2*3.14*50*0.1*1600) = 23.9 мкФ

С₃ = 0.159/(f_н (R_вых + R_{вх. сл.}) M²_н - 1) = 0.159 / (50*4500 1.41²-1) = 1 мкФ

I_{м вх} = I_бм = I_км / ?_min = 0.133/50 =0.26 мкА

К_т3 = I_km / I_бм = 3.8 мкА / 0.26 мкА = 19

U_{м вх сл} = I_бм * R_{вх оэ} = 0.96 В

С₁ = 10⁶ / (f_н (R_вых + R_{вх. сл.}) M²_н - 1) = 1.38 мкФ

С₁ =1 мкФ

Элементы рассчитанного каскада запишем в таблицу:

Элемент каскада	Численное значение
R1	65.3 кОм
R2	12.5 кОм
R3	3.2 кОм
R4	1.6 кОм
С1	1 мкФ
С2	23.9 мкФ
С3	1 мкФ

Расчёт шумовых свойств транзистора

Расчёт ведём для входного каскада:

? = Е_с/ (F_ш - 1)4КТ?fRг

Ес = 2*10^-3 B; F_ш =6 дб = 1.99; ?f = f_н - f_в = 17950 Гц

К = 1.38*10^-23 ; Т = 300 К; R_г = 1500 Ом

? = 0.002 / (1.99 - 1)*4*1.38*10^-23*300*17950*1500 = 3010

?_дб = 20lg3010 = 69.5 дб

Расчет нелинейных искажений

Нелинейные искажения возникают из-за получения требуемой Р_н для достижения которой используется вся область статической характеристики транзистора включая нелинейные участки.

Для количественной оценки коэффициента гармоник (К_г) строится сквозная динамическая характеристика по току: Iк = f(E_г) для построения требуется входная и выходная статические характеристики транзистора.

Количественно под нелинейными искажениями понимают отличие форм выходного сигнала относительно входного. Положение сквозной динамической характеристики определяется величиной нагрузки и сопротивлением генератора (построения и расчёт для оконечного каскада).

Построим сквозную динамическую характеристику:

R_дел = (R₉*R₁₀)/(R₉+R₁₀) = 22.8*6.3/(22.8+6.3) = 5 кОм

R_ист = (R'_к*R_д)/(R'_к+R_д) = 3.8*5/(3.8+5) = 2.2 кОм

На нагрузочной прямой берём точку пересечения. Для неё:

I_вых = I_к = 33 мА; I_вх = I_б = 0.3 мА

По выходной характеристике найдём для этой же точки:

U_вх = U_бэ = 0.62 В

Значит для этой точки:

U_ист = U_вх + I_вх*R_ист = 0.62+0.3*10^-3*2200 = 1.28 В

Для удобства запишем полученные значения в виде таблицы:

Iвых = Iк мА	33	27	20	15	10	4
Iвх = Iб мА	0.3	0.25	0.2	0.15	0.1	0.05
Uвх = Uбэ В	0.62	0.61	0.59	0.56	0.54	0.51
Uист=Uвх + Iвх*Rист В	1.28	1.16	1.03	0.89	0.76	0.62

По результатам таблицы строим график (рис. 6) I_к = f(U_ист):

I₀ = 17.5 мА Imin = 4 мА

I₁ = 24.5 мА Imax = 33 мА

I₂ = 10.5 мА

Расчёт гармоник (1,2,3,4) выходного тока:

I_1m = (I_max - I_min + I₁ - I₂)/3 = (33-4+24.5-10.5)/3 = 14.3 mA

I_2m = (I_max + I_min - 2I₀)/4 = (33+4-2*17.5)/4 = 0.5 mA

I_3m = (I_max - I_min - 2(I₁ - I₂))/6 = (33-4-2*(24.5-10.5))/6 = 0.16 mA

I_4m=(I_max+I_min-4(I₁+I₂)+6*I₀)/12=(33+4-4*(24.5+10.5)+6*17.5)/12=0.16 mA

I_ср = (I_max + I_min +2(I₁ + I₂))/6 = (33+4+2*(24.5+10.5))/6 = 17.8 mA

I_1m+I_2m+I_3m+I_4m+I_ср = 32.92 33 = I_max

K_г = I_2m²+I_3m²+I_4m² / I_1m = (0.5 ²+0.16 ² 0.16 ²)*10^-6 / (14.3*10^-3) = 1.83%

Полученное значение удовлетворяет заданному:

Кг<2%

Второй способ: По рис. 6 а = б; а+б-2с = 0 тогда:

К_г2=(3*(а-б))/(4*(а+б+с)); К_г3= 0.5(а+б-2с)/(а+б+с)

К_г = К_г2 + К_г3 + … = (8.6*10^-3)²+(5.75*10^-3)² = 1.63%

Расчёт частотных искажений

М_в= 1+(2*?*f_в*С₀*R_экв)²

С₀ = С_дел = 2.6 10^-6 Ф

R_экв = 11.3 Ом

М_в= 1+(2*3.14*18000*2.6*10^-6*11.3)² = 1.1

М_в=[дб] = 0.84 дб на один каскад.

Так как усилитель состоит из 3-х каскадов то

М_{в общ} = 0.84+0.84+0.84 = 2.52 дб

Полученное значение не противоречит заданному

Расчёт регулировки усиления

По условию задана плавная (16 дб) регулировка усиления.

R_р > ?_р (R_вых+ R_{вх сл})

R_{вх сл} = R_{вх оэ} R_{2 сл} R_{1 сл}

R_вых = R_{вых тр} R_к

R_{вых тр} = U_{м вых} / I_{м вых} = 0.06 / 3.8*10^-6 = 15789 Ом

R_вых = 15789*3200/ (15789+3200) = 2661 Ом

R_{вх оэ} * R_{2 сл} / (R_{вх оэ} + R_{2 сл}) = 15800*8600/(15800+8600) = 5.67 кОм

R_{вх сл} = 5670*36/(5670+36) = 4900 Ом

R_р > 16 дб (2661 + 4900) > 6.31*7561 > 47710 Ом

R_р > 47.710 кОм

Литература

Проектирование усилительных устройств / Под редакцией Н.В. Терпугова. - М.: Высшая школа, 1982.

Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. - Изд. “Связь”, 1968.

Цыкина А.В. Электронные усилители. - М.: Радио и связь, 1982.

Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. - М.: Энергия, 1979.

Приложение

Обозначение	Название	Кол-во	Примечание
	Элементы схемы
R1	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R2	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R3	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R4	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R5	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R6	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R7	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R8	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R9	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R10	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R11	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
R12	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
Rф1	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1
Rф	Резистор МЛТ - 0.125 - кОм +/- 5% ГОСТ 7113-77	1

Размещено на Allbest.ru