1

27

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Содержание

Введение

1. Расчет оконечного каскада

1.1 Расчет оконечного каскада по выходной и входной цепям

1.2 Расчет коэффициента гармоник оконечного каскада

2. Расчет предоконечного каскада

3. Расчет каскада предварительного усиления

4. Расчет цепи общей отрицательной обратной связи

5. Расчет входной цепи

6. Проверка усилителя на заданную чувствительность

7. Требования к источнику питания

Литература

Введение

Усилитель - это устройство, предназначенное для увеличения интенсивности электрических колебаний входного сигнала за счет энергии вспомогательного источника.

Проектируемый усилитель низкочастотной части радиовещательного приемника, т.е. транзисторный радиовещательный приемник второго класса предназначен для приема сигналов отдаленных радиостанций и получать громкоговорящий прием. Они требуют для своей работы источники энергии в виде гальванических элементов. Номинальное входное напряжение и внутреннее сопротивление источника сигналов определяются данными детекторного каскада приемника. Без детектора приемник работать не может. Каскады усиления высокой частоты улучшают чувствительность и избирательность приемника, а усиление низкой частоты необходимо для увеличения громкости приема.

Исходные данные для проектирования:

Р2	Rн	fн	fв	Тmax	Тmin	Кr'	Yн'	Yв'	Rист	Eист
32 Вт	14 Ом	80Гц	7000 Гц	+35С°	0 С°	2,5 %	-2,5дБ	-2дБ	250Ом	25мВ

Для того, чтобы получить заданную мощность в нагрузке, необходимо применить двухтактный оконечный каскад (ОК), являющийся усилителем мощности. Для возбуждения оконечного каскада необходим предоконечный каскад (ПОК), который обеспечит на своем выходе сигнал требуемой мощности, который далее будет подан на ОК. Так как от источника сигнала поступает очень слабый сигнал, то необходимо применить каскад предварительного усиления (КПУ), который усилит данный сигнал по напряжению до необходимого уровня. Для обеспечения указанного в техническом задании коэффициента гармоник усилителя, все его каскады требуется охватить петлей общей отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению последовательного типа. Согласование сопротивления источника сигнала с входом усилителя осуществляется с помощью входной цепи.

Таким образом, структурная схема рассчитываемого усилителя будет иметь вид:

Рис.1. Структурная схема усилителя низкочастотной части радиовещательного приемника

1. Расчет оконечного каскада

В оконечном каскаде применим современную схему - бестрансформаторный двухтактный каскад на составных транзисторах. Применение составных транзисторов обусловлено тем, что такое включение транзисторов имеет ряд преимуществ по сравнению с одиночными транзисторами в плечах оконечного каскада:

повышается коэффициент усиления по току плеча в в раз, поэтому благодаря огромному усилению по току, коэффициент усиления по мощности имеет значительную величину;

увеличивается входное сопротивление плеча (Rвх ? в1в2 • Rн), благодаря чему улучшаются условия согласования;

допускает бестрансформаторное включение нагрузки и позволяет применить простейший предоконечный каскад

Для работы ОК используем режим класса АВ, который обеспечивает значительный КПД и в то же время, намного меньший коэффициент гармоник, чем в режиме В. Расчет будем вести на одно плечо, так как транзисторы в указанном режиме (глубокий режим АВ) работают поочередно, а мощность в нагрузке выделяется непрерывно.

Таким образом схема рассчитываемого ОК имеет вид:

Расчет двухтактного бестрансформаторного ОК на составных транзисторах сводится к определению параметров выходной и входной цепей, а также одного из основных качественных показателей ОК - коэффициента гармоник.

1

27

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Рис.2. Бестрансформаторный оконечный каскад на составных транзисторах

1.1 Расчет ОК по выходной и входной цепям

В качестве мощных транзисторов используются КТ816 и КТ817.

В качестве маломощных транзисторов используются КТ502 и КТ503.

Расчет по выходной цепи:

1. Определение амплитуды коллекторного напряжения

U_{2 m} = U_{2к m} = =30 В

1. Определение напряжения коллекторного питания одного плеча

E_к = (1,11,2)U_{2к m} + U_ост

U_ост ? (0,8... 1,5) В

E_к = 1,2 * В

При этом напряжение источника питания E=2E_к = 2 * = В

3. Расчет максимального импульса коллекторного тока

I_{к2 max} = = = А

4. Определение исходного коллекторного тока с расчетом, что транзисторы работают не в режиме класса <B>, когда I_к0 = 0, а в режиме класса <AB>, близком к <B>, т.е.

I_к02 = (0,030,05) I_{к2 max}

I_к02 = А

При расчете входной цепи определяются амплитуда напряжения на входе составного транзистора, коэффициент передачи по напряжению и входное сопротивление составного транзистора VT1-VT2.

5. Определение амплитуды напряжения на входе составного транзистора VT1-VT2

U_{вх сост} = U_{вх m} = U_{вх m1} = U_{б m1} + U_{б m2} + U_{2к m}

Амплитуду напряжения на входе мощного транзистора VT2 находится по входной характеристике для VT2 (см. приложение). Амплитуда напряжения на входе маломощного транзистора VT1- U_{б m1} определяется в результате необходимых построений с использованием выходной и входной характеристик VT1 (см. приложение). При этом следует иметь в виду характеристики мощного транзистора VT2 и помнить, что ток эмиттера транзистора VT1 i_э1 i_к1 1,2i_б2, а напряжение между коллектором и эмиттером VT1 u_кэ1 = u_кэ2 - u_бэ2. Таким образом, по точкам на семействе выходных статических характеристик маломощного транзистора VT1 строится его выходная динамическая характеристика.

Входная характеристика транзистора VT2:

Iк2 max = А iк2 (2) = А iк3 (3) = А iк02 = А	Uост = В U2rm = В Uкэ2(2) = В Uкэ2(3) = В Uкэ02 = Uост + U2кm = В

Выходная характеристика транзистора VT2

Iбmax2 = 7,5 mА Iб2 (2) = 6,2 mА Iб2 (3) = 5 mА Iб02 = 2 mА	Uбэmax2 = 0,85 В Uбэ2 (2) = 0,825 В Uбэ2 (3) = 0,8 В Uбэ02 = 0,7 В

U_бm2 = U_бэmax2 - U_бэ02 = 0,85 - 0,7 = 0,15 В

I_бm2 = I_бmax2 - I_б02 = 7,5 - 2 = 5,5 mА

Входная характеристика транзистора VT1:

U_кэ1 (0) = U_кэ02 - U_бэ02 = 8,2 - 0,7 = 7,5 В

I_к1 (0) = 1,2 I_б02 = 1,2 * 2 = 2,4 mА

U_кэ1 (1) = U_ост - U_бэmax2 = 1,5 - 0,85 = 0,65 В

I_к1 (1) = 1,2 I_бmax2 = 1,2 * 7,5 = 9 mА

U_кэ1 (2) = U_кэ2 (2) - U_бэ2 (2) = 3,8 - 0,825 = 2,975 В

I_к1 (2) = 1,2 I_б2 (2) = 1,2 * 6,2 = 7,44 mА

U_кэ1 (3) = U_кэ2 (3) - U_бэ2 (3) = 7 - 0,8 = 6,2 В

I_к1 (3) = 1,2 I_б2 (3) = 1,2 * 5 = 6 mА

Выходная характеристика транзистора VT1:

Iбmax1 = 0,4 mА Iб1 (2) = 0,36 mА Iб1 (3) = 0,3 mА Iб01 = 0,18 mА	Uбэmax1 = 0,71 В Uбэ1 (2) = 0,7 В Uбэ1 (3) = 0,68 В Uбэ01 = 0,66 В

U_бm1 = U_бэmax1 - U_бэ01 = 0,71 - 0,66 = 0,05 В

I_бm1 = I_бmax1 - I_б01 = 0,4 - 0,18 = 0,22 mА

U_{вх сост} = U_{вх m} = U_{вх m1} = U_{б m1} + U_{б m2} + U_{2к m} = 0,05 + 0,15 + 6,7 = 6,9 В

6. Определим коэффициент передачи по напряжению

Кu = 6,7 / 6,9 = 0,97

7. Найдем входное сопротивление составного транзистора VT1-VT2

R _{вх сост} = = = 31,3 кОм

8. Входная мощность, необходимая для возбуждения оконечного каскада на составных транзисторах, определяется как:

P_вх = Ѕ U_{вх m} I_бm1 = 0,5 * 6,9 * 0,00022 = 0,00076Вm

9. Расчет коэффициента усиления по мощности

К_р = = = 1973

10. Энергетические показатели оконечного каскада (потребляемая мощность и коэффициент полезного действия) рассчитываются как

P₀ = 2I_{к ср} E_к

где I_{к ср} ? I_{к2 max} / р;

I_{к ср} = 0,45 / 3,14 = 0,1 А

P₀ = 2 * 0,1 * 9,5 = 1,9 Вm

= (P₂ / P₀₎100 %

= (1,5 / 1,9)100 % = 0,79 = 79 %

11. Определим сопротивление резисторов R_б в цепях базы мощных транзисторов VT2 и VT4:

R_б = (5…10) R_{вх VT2};

где R_{вх VT2} = U_бm2 / I_бm2 определяется по входной характеристике для VT2.

R_{вх VT2} = 0,15/0,0055 = 27,3 Ом

R_б = 5 * 27,3 = 136,5 Ом

12. Сопротивление резистора положительной обратной связи вычисляется по формуле:

R_пос = (10…15) R_н = 15 * 15 = 225 Ом

13. Величина емкости конденсатора положительной обратной связи рассчитывается в соответствии с выражением:

С_пос = [мкФ]

где: а Y_{c пос} ? 0,96 ... 0,975.

С_пос = = 32,8 (мкФ)

14. Требуемое количество диодов определяется как:

n = U_{д n} / U_{д 0} где:

U_{д n} = 2U_бэ01 + U_бэ02

U_{д 0} = (0,3…0,5) В - прямое напряжение на одном диоде.

U_{д n} = 2*0,66+0,7= 2,02 В

n = 2,02/0,4=5

1.2 Расчет коэффициента гармоник ОК

каскад оконечный усилитель

Коэффициент гармоник оконечного каскада рассчитывается по сквозной динамической характеристике i_к2 = F(e_ист), которая строится на основе выходных и входных характеристик для транзисторов VТ2 и VТ1.

где R_{к пок} - сопротивление в цепи коллектора предоконечного каскада, рассчитываемое как:

I_{к0 пок} 1,2 I_бm1 - ток покоя транзистора предоконечного каскада. Следует иметь в виду, что I_{к0 пок} не должен быть меньше 1 мА.

I_{к0 пок} 1,2 I_бm1 = 1,2*0,00022=0,00026 А

т.к. I_{к0 пок} не может быть меньше 1мА, то принимаем I_{к0 пок} = 1 мА

= кОм

Iк2, А	0,45	0,25	0,12	0,02
Iк2 Rн, В	6,75	3,75	1,8	0,3
Uбэ1, В	0,71	0,7	0,68	0,66
Uбэ2, В	0,85	0,825	0,8	0,7
Iб1 Rкпок, В	3,04	2,7	2,3	1,4
eист	11,35	8,0	5,6	3,0

Сквозная характеристика будет иметь вид:

Для расчета коэффициента гармоник используется метод пяти ординат.

Пять значений коллекторного тока определяются, исходя из токов транзистора VT2 на основе следующих выражений:

Коэффициент асимметрии b = 0,1 и характеризует степень различия токов транзистора в плечах оконечного каскада.

I_{к max} = I_{к2 max} (1+b)= 0,45 * 1,1 = 0,495 А;

I_к1 = I_к2 (1+b) = 0,2 * 1,1 = 0,22 А;

I_к0 = 2bI_к02 = 2 * 0,1 * 0,02 = 0,004 А;

I_к2 = -I_к2 (1-b) = -0,2 (1-0,1) = - 0,18 А;

I_{к min} = -I_{к2 max} (1-b) = -0,45 * (1-0,1) = - 0,405 А.

Далее рассчитываются гармонические составляющие токов по выражению:

I_1т = ¹/₃ (I_{к max} - I_{к min} + I_к1 - I_к2) = ¹/₃ (0,495+0,405+0,22+0,18) = 0,43 А;

I_2т = ¹/₄ (I_{к max} + I_{к min} - 2I_к0) = ј (0,495-0,405-2 * 0,004) = 0,0205 А;

I_3т=¹/₆[I_{к max} - I_{к min} - 2(I_к1 - I_к2)]= ¹/₆ [ 0,495+0,405-2(0,22+0,18) ]= 0,017 А;

I_4т = ¹/₁₂ [I_{к max} + I_{к min} + 4(I_к1 + I_к2) +6I_к0]= ¹/₁₂[ 0,495-0,405+(0,22-0,18)+6 * 0,004]= 0,02 А;

I_{к ср} = ¹/₆ [I_{к max} + I_{к min} + 2(I_к1 + I_к2)] = ¹/₆ [0,495-0,405+2(0,22-0,18) ]= 0,028 А;

делается проверка по выражению:

I_1т + I_2т + I_3т + I_4т + I_{к ср} I_{к max};

0,43+0,0205+0,017+0,02+0,028= 0,5 А

I_{к max} = 0,495 ? 0,5 А,

а коэффициент гармоник рассчитывается по выражению:

= 7,74 %

2. Расчет предоконечного каскада (ПОК)

В качестве предоконечного каскада применим резистивный каскад с общим эмиттером (ОЭ), представляющий собой универсальную схему каскада такого назначения. Используем транзистор КТ503.

1. Определим коэффициент усиления по напряжению ПОК:

где R_к~ - сопротивление коллекторной нагрузки по переменному току:

= (кОм)

R_{к пок} - сопротивление в цепи коллектора транзистора ПОК;

R_{вх сост} - входное сопротивление оконечного каскада на составных транзисторах, найденное при расчете оконечного каскада;

R_{вх пок} - входное сопротивление предоконечного каскада:

R_{вх тр пок} = r_б + r_э(+1)

R_{вх тр пок} - входное сопротивление транзистора ПОК:

где =- коэффициент усиления по току при включении транзистора с ОЭ. = 30...70

 = 668,2 (Ом)

a = - коэффициент усиления по току при включении транзистора с общей базой

= = 0,98

Сопротивление эмиттера r_э рассчитывается как:

= = 26 (Ом)

R_{вх тр пок} = r_б + r_э (+1)= 668,2 + 26 * (60+1) = 2,25 (кОм)

R_делпок = R_э - r_б = 3816-668,2= 15 (кОм),

где S=4...7 - коэффициент нестабильности, а

R_э = =3,8 (кОм)

= = 1,9 (кОм)

= = 193,3

2) Амплитуду напряжения на входе ПОК находим с помощью выражения:

U_{вх пок} = U_{вх m} / К_{u пок,}

где U_{вх m} - амплитуда напряжения на входе составного транзистора, рассчитанная в разделе 2.1.2.

U_{вх пок} = 6,9/193,3 = 0,036 (В)

3. Расчет каскада предварительного усиления (КПУ)

Предварительное усиление осуществляют резисторные каскады, представляющие собой простейшие каскады с широкой полосой равномерно усиливаемых частот. В качестве каскада предварительного усиления низкочастотной части радиовещательного приемника для получения высокого входного сопротивления целесообразно использовать каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (ОИ). Полевой транзистор применяется в усилителях звуковых частот в основном для реализации каскада с весьма высоким входным сопротивлением. В усилителях, выполненных на полевых транзисторах, каскады предварительного усиления обычно являются усилителями напряжения. В целях снижения шумов следует выбирать полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, как имеющий малый коэффициент шума Fш.

Выбираем транзистор КП302А.

Его параметры:

Pmax=300 мВт	Uзи0=0,6 В	Uси0=5В	S=5 мА/В	Iс0=(0,5...1) мА

1. Сопротивление в цепи истока:

= = 1200 Ом = 1,2 кОм

2. Сопротивление в цепи стока:

где E_{к0 пр} - общее напряжение питания каскада. E_{к0 пр} = (8...12)В

== 6800 Ом=6,8 кОм

3. Коэффициент усиления каскада по напряжению в пределах рабочего диапазона частот:

К_u SR_c = 5*1,5=7,5

где S - статическая крутизна транзистора по току, указанная в справочнике для выбранного типа транзистора, а

где R_{вх сл} - входное сопротивление каскада, следующего за каскадом на полевом транзисторе. В указанных частотных пределах входное сопротивление каскада R_вх = R_з, а его выходное сопротивление R_вых = R_с. При этом частотные искажения можно считать практически отсутствующими.

= = 1.5 кОм

4. Напряжение на входе каскада:

мВ

Схема этого каскада будет выглядеть так:



Рис. 3. Каскад с ОИ на полевом транзисторе

4. Расчет цепи общей отрицательной обратной связи

Для стабильной и неискаженной работы усилителя необходимо наличие общих отрицательных обратных связей по переменному и постоянному токам Назначением ООС по переменному току является стабилизация усиления и снижение искажений. Назначением общей ООС по постоянному току является стабилизация исходных режимов работы транзисторов.

Поскольку в усилителях звуковых частот рассматриваемых видов существенными являются стабильность и не искаженность выходного напряжения, общая ООС по переменному току должна быть связью по напряжению. Эту обратную связь желательно вводить последовательно, так как внутренние сопротивления источников сигналов в таких усилителях невелики, и целесообразно стабилизировать входное напряжение (а не входной ток) усилителя, другими словами, стабилизировать коэффициент передачи его входной цепи по напряжению.

Указанной обратной связью охватываются все каскады.

Найдем суммарный коэффициент гармоник:

,

где К_{г ок} = К_г

2. Определим требуемую глубину обратной связи:

= 7,6

где К_г - коэффициент гармоник усилителя без обратной связи (в долях единицы);

К_г - допустимый коэффициент гармоник, который должен быть обеспечен применением обратной связи рассчитываемой глубины А.

3. Расчет цепи общей ООС выполняется следующим образом. Так как глубина ООС на средних частотах А = 1 + КВ, то требуемый коэффициент передачи цепи обратной связи

=

где К - общий коэффициент усиления по напряжению всех каскадов, охваченных обратной связи:

К = К_{u ок} К_{u пок} К_{u пр}

К = 1125

При выборе общего сопротивления делителя

R_{дел ос} = R_ос1 + R_ос2

следует учитывать необходимость сведения к минимуму потерь в нем, для чего нужно иметь:

R_{дел ос} (20...50)R_н = 20*15=300 Ом

R_ос2 = BR_{дел ос} = 0.78**300= 0.235 Ом

R_ос1 = R_{дел ос} - R_ос2 = 300 - 0.285 = 299.72 Ом



Рис.4. Схема ООС

5. Расчет входной цепи усилителя

В качестве входной цепи применим простейшую несимметричную входную цепь, представляющую собой конденсатор, связывающий источник сигналов с входным каскадом усилителя по переменному току и разделяющий их цепи по постоянному

1. Определим коэффициент передачи по напряжению:

где Rвх = Rз = (2...5) МОм - входное сопротивление первого каскада усилителя.

= 0.93

6. Проверка усилителя на заданную чувствительность

Целью проверки чувствительности усилителя является установление справедливости неравенства U_ист > U_{вх т ос} где U_ист - амплитуда напряжения, выделяемого источником сигналов на входном сопротивлении усилителя R_{вх ус}; U_{вх т ос} - амплитуда напряжения, которое необходимо подать на вход транзистора первого каскада усилителя с учетом действия общей обратной связи, чтобы получить на его выходе номинальную (расчетную) мощность.

Указанные напряжения рассчитываются по формулам:

U_ист = 1,41 К_{u вх} E_ист = 1.41*0.96*40*0,001= 54 мВ

где E_ист - предусмотренное заданием эффективное значение ЭДС источника сигналов; К_{u вх} - коэффициент передачи по напряжению входной цепи.

U_{вх т ос} = АU_{вх т} = 9.1*4,8*0,001= 44 мВ

где U_{вх т} - требуемое входное напряжение первого каскада усилителя, определенное без учета общей обратной связи; А - глубина общей обратной связи для средних частот диапазона.

Таким образом неравенство U_ист > U_{вх т ос} выполняется.

7. Требования к источникам питания

Питание усилителя радиовещательного приемника осуществляется от гальванических элементов.

1. Величина питающего напряжения E определяется требуемым напряжением питания оконечного каскада E_{к ок}. Для двухтактного оконечного каскада с последовательным питанием при работе транзисторов в режиме <В>:

E_к = E_{к ок} 2U_{кэ0 ок} = 2*8.2= 16.4 В

2. Для дополнительного сглаживания пульсаций применяются RC - фильтры, включаемые в цепи питания каскадов. Эти фильтры выполняют одновременно и функцию подавления паразитных обратных связей образующихся в многокаскадном усилителе за счет общего источника питания. Так как эти фильтры ослабляют связи между каскадами за счет цепей питания, их часто называют развязывающими.

Сопротивление фильтра (R_ф) определяется по допустимому падению на нем питающего напряжения по формулам

где E_{к пок} и E_{к пр} - напряжения питания предоконечного и предварительного каскадов

=0.0016 А=1.6 мА

= 312,5 Ом

Для ориентировочного определения емкостей фильтров цепей питания С_ф [мкФ] может быть использовано соотношение:

С_ф = (_ф / R_ф)10⁶

где постоянная времени фильтра _ф = (0,003...0,10) с.

С_ф = (0.01/312,5)10⁶ = 32 мкФ

Литература

В.Ф.Баркан, В.К.Жданов «Радиоприемные устройства», изд. «Советское радио», 1978 г.

Хрестоматия радиолюбителя, Москва, изд. «Энергия», 1971 г.

Справочник. Транзисторы., изд. «Радио и связь», Москва, 1990 г.

Методические указания к курсовому проектированию «Схемотехника аналоговых электронных устройств», Санкт-Петербург, 2000 г.

Л.В. Бессчетнова, Ю.И. Кузьмин, С.И. Малинин «Схемотехника аналоговых электронных устройств», письменные лекции, 2001 г.

Размещено на allbest.ru