125415 (690532), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Достоинством этого метода является более высокое входное сопротивление, меньшее количество используемых деталей. Недостатками является меньшая стабильность положения рабочей точки, но для каскадов с малым входным напряжением это не принципиально.

При изменении температуры окружающей среды положение рабочей точки транзистора изменяется, что приводит к его запиранию. Для ликвидации этого паразитного явления используются схемы стабилизации положения рабочей точки:

• эмиттерная стабилизация;

• коллекторная стабилизация.

Эмиттерная стабилизация заключается в установке в эмиттерной цепи транзистора сопротивления Rэ и емкости Сэ .

Рисунок 2. Подача смещения постоянным током базы

+ E_k

R_б R_k

C_p2

C_p1

VT

R_вх

U_вх

Rэ Сэ

Коллекторная стабилизация выполняется по следующей схеме:

Рисунок 3. Коллекторная стабилизация

+ E_k

R_б1 R_б2 R_k С_р2

С_р1 U_вых

U_вх VT

C_б

Коллекторная стабилизация проще, чем эмиттерная, однако имеет меньший диапазон стабилизации тока, поэтому применяется реже.

Схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель) (рис.4) часто применяется в качестве входного каскада усилителей. У этой схемы коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания практически присоединен к корпусу, т.е на “землю”. Напряжение на базе U_бо=U_вх-U_вых следовательно у этого каскада имеется глубокая ООС, поэтому коэффициент усиления по току очень большой. Фаза выходного напряжения строго совпадает с фазой входного напряжения.

К достоинствам этой схемы можно отнести:

- высокий коэффициент усиления по току;

- высокое входное сопротивление (из-за влияния глубокой обратной связи);

- низкое выходное сопротивление;

Рисунок 4. Эмиттерный повторитель

+ Е_к

R_б

С_р1

VT

C_р2

U_вх

Rэ U_вых

В тех случаях, когда заданный коэффициент усиления или другие параметры невозможно получить на одном каскаде применяется многокаскадные схемы. Число каскадов усилителя выбирается в зависимости от величины входного сигнала, выходного и необходимого коэффициента усиления.

Общий коэффициент усиления распределяется по каскадам по следующей формуле K_uj = К₁ · К₂ ·…· Кn, где n – число каскадов, Кn – примерный коэффициент одного каскада.

Распределение коэффициентов усиления по каскадам представляет собой итерационную процедуру.

На основе проведенного анализа выбираем трехкаскадный апериодический усилитель рис.5.

Первый каскад этого усилителя выполнен по схеме эмиттерного повторителя, второй и третий - однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, что позволяет достичь необходимого коэффициента усиления, необходимой стабилизации рабочей точки транзистора, используя при этом возможное наименьшее количество радиоэлементов, что снизит стоимость изделия и уменьшит вероятность выхода его из строя.

Рисунок 5. Трехкаскадный апериодический усилитель

+ Eк

R1 R3 R6 R7 R10

С6

С1 VT1 C2 VT2 C4 VT3 R_н

U_вых

U_вх

R2 R4 R5 C3 R8 R9 C5

2. РАСЧЕТ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ ЧАСТОТ

Необходимо разработать усилитель низкой частоты со следующими параметрами:

• напряжение входного сигнала U_вх = 25 мВ;

• входное сопротивление усилителя R_вх > 2000 Ом;

• коэффициент усиления по напряжению К_U>130;

• сопротивление нагрузки усилителя R_н = 800 Ом;

• нижняя частота полосы пропускания f_H = 20 Гц;

• верхняя частота полосы пропускания f_B = 16 кГц;

• коэффициент нелинейных искажений М_н = 1,1

Предварительный расчет

Рассчитаем мощность сигнала на входе усилителя:

Р_вх = U²_вх/ 4 R_г , (2.1)

где U_вх – действующее значение напряжения источника сигнала

R_г – внутреннее сопротивление источника сигнала

Р_вх = (25·10^-3)² /4·800 = 0,000000195 Вт

Рассчитаем мощность сигнала на выходе усилителя:

Р_вых = U²_{вых .m} / 2 R_н , (2.2)

Выходное напряжение можно рассчитать по формуле:

U_вых.m = U_вх √2·K_U (2.3)

U_вых.m = √2· 25·10^-3·130 = 4,59 В

Подставим в формулу 2.2 найдем мощность на выходе

Р_вых = 4,59²/ 2·800 = 0,013 Вт = 13 мВт.

Коэффициент усиления по мощности рассчитаем по формуле:

К_{Р общ} = Р_вых / Р_вх (2.4)

К_{Р общ} = 0,013 /0,000000195 = 66666,6

К_{Р общ дБ} = 10lg К_{Р общ} (2.5)

К_{Р общ дБ} = 10lg66666,6 = 48,24 дБ

Определяем ориентировочно число каскадов и составляем структурную схему усилителя:

m = К_{Р общ дБ} / 20 (2.6)

m = 48,24 /20 = 2,4

полученное значение округляем до ближайшего целого числа в сторону увеличения, и принимаем количество каскадов равное 3.

Предварительно выбираем схему выходного каскада, тип усилительных приборов и ориентировочную величину коэффициента усиления.

Рассчитаем выходное напряжение усилителя:

U_вых = U_вх ·K_U (2.7)

U_вых = 130 ·25·10^-3 = 3,25 В

Рассчитаем напряжение коллекторного питания усилителя:

Е_к = U_бэр + 2·U_вых+0,1 Е_к (2.8)

Е_к = (0,45+2·3,25) / 0,9 = 7,72 В

Принимаем стандартное ближайшее напряжение – 9 В

Так, как 3 каскада то распределяем общий коэффициент усиления по каскадам:

К_U = K_U1·K_U2·K_U3 = 1·20·6,5 = 130 (2.9)

Принимаем K_U1<1, K_U2 ≥ 20, K_U3 ≥ 6,5.

1. Расчет выходного каскада

В качестве выходного каскада выбираем каскад с общим эмиттером и смещением постоянным напряжением базы. Схема каскада представлена на рис. 6

+ E_k

R 7 R10 C 6

C 4

V T3

R 8 R9 C5 U_вых

Рисунок 6 Выходной каскад усилителя

Используем в этом усилителе транзистор КТ315 А, так как его характеристики (таблица 2.1) удовлетворяют предъявленным требованиям.

Таблица 2.1 Параметры биполярного транзистора КТ 315 А.

Проведем динамическую характеристику транзистора КТ 315 А на его выходной характеристике

I_КР = 5 мА, I_бр = 0,1 мА, U_кэр = 5 В, U_бр = 0,45 В

Е_к = 9 В.

• Рассчитаем сопротивление нагрузки коллектора : R10

R10 = (Е_к - U_кэр ) / I_КР = (9-5) / 5·10^-3 = 800 Ом (2.10)

Выберем ближайшее стандартное сопротивление : R10 = 820 Ом

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R10:

Р _R10 = R10· I_КР² = 820·(5·10^-3)² = 0,0205 Вт (2.11)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R10 = 0,125 Вт

Выберем тип резистора – МЛТ.

• Рассчитаем сопротивление R9, включенное в цепь эмиттера для температурной стабилизации:

R9 = 0,1 Е_к / I_КР = 0,1·9 / 5·10^-3 = 180 Ом (2.12)

Принимаем R9 = 180 Ом

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R9:

Р _R9 = R9· I_КР² = 180·(5·10^-3)² = 0,0045 Вт (2.13)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R9 = 0,125 Вт

• Определим напряжение смещения и ток на базе по графику

• Рассчитаем сопротивление делителя:

R7 = (Е_к - U_бэр - U _R9)/ (I_д+I_б),

где (2.14)

U _R9 = I_КР· R9 = 5·10^-3·180 = 0,9 В (2.15)

I_д = (2…5) I_б = 5·0,1·10^-3 = 0,5 мА (2.16)

Тогда из 2.14 R7 :

R7 = (9-0,45-0,9) / (0,5+0,1)·10^-3 = 12750 Ом

Принимаем ближайшее значение R7 = 13000 Ом или 13 кОм

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R7:

Р _R7 = R7· I_д² = 13·10³·(0,5·10^-3)² = 0,003 Вт (2.17)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R7 = 0,125 Вт

• Рассчитаем R8:

R8 = (U_бэр + U _R9)/ I_д = (0,45+0,9)/0,5·10^-3 = 2700 Ом (2.18)

Принимаем ближайшее значение R8 = 2,7 кОм

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R8:

Р _R8 = R8· I_д² = 2,7·10³·(0,5·10^-3)² = 0,000675 Вт (2.19)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R8 = 0,125 Вт

• Выражение для расчета емкости контура выводится из следующих предпосылок:

Х_Ср1≤ R_вх; (2.20)

1/ (ώ_н·С_р) = R_вх /10 (2.21)

С6 = 10/2πf_н R_н√m²_H – 1 (2.22)

С6 = 10/2·3,14·20·800·√1,05²-1 = 0,00031 Ф = 310 мкФ

Округлим до ближайшего стандартного значения С6= 300 мкФ

• Рассчитаем С5:

С5 = 10/2πf_н R9 (2.23)

С5 = 10/2·3,14·20·180 = 0,000442 Ф = 442 мкФ.

Принимаем ближайшее значение С5 = 430 мкФ

• Для каждого конденсатора С5 и С6 найдем напряжение:

U_С5 = 1,5..2 U_ср (2.24)

U_ср = R9·I_кр = 180·5·10^-3 = 0,9 В (2.25)

U_С5 = 2 U_ср = 2·0,9 = 1,8 В

U_С6 = 1,5..2 Е_к (2.26)

U_С6 = 2·9 = 18 В

Принимаем U_С5 = 3 В , U_С6 = 25 В.

• Найдем входное сопротивление выходного каскада:

R_вх.п = R_вхR _7/8 / (R_вх + R _7/8) (2.27)

R_вх = h_11э+ R_10/Н(1+h_21э) (2.28)

R_10/Н = R_Н R10/ (R_Н+ R10) (2.29)

R_10/Н = 404,94 Ом

R _7/8 = 2,2·10³ Ом

R_вх = 15053,14 Ом

R_вх.п = 1,9 кОм

• Вычислим значение емкости конденсатора С4:

С4 = 10/1,9·10³·2·3,14·20·√1,03²-1 = 0,000169 Ф = 169 мкФ

Принимаем С4 = 160 мкФ, напряжение питания такое же как и С6

• Рассчитаем коэффициент усиления этого каскада:

К_U3 = h_{21э min}R_вых3 / R_вх3 = 30·800/ 1,9·10³ = 12,63 (2.30)

1. Расчет предусилительного каскада

I_КР = 5 мА, I_бр = 0,1 мА, U_кэр = 5 В, U_бр = 0,45 В

Е_к = 9 В.

• Рассчитаем сопротивление нагрузки коллектора : R6

R6 = (Е_к - U_кэр ) / I_КР = (9-5) / 5·10^-3 = 800 Ом (2.31)

Выберем ближайшее стандартное сопротивление : R6 = 820 Ом

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R6:

Р _R6 = R6· I_КР² = 820·(5·10^-3)² = 0,0205 Вт (2.32)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R6 = 0,125 Вт

Выберем тип резистора – МЛТ.

• Рассчитаем сопротивление R5, включенное в цепь эмиттера для температурной стабилизации:

R5 = 0,1 Е_к / I_КР = 0,1·9 / 5·10^-3 = 180 Ом (2.33)

Принимаем R5 = 180 Ом

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R9:

Р _R5 = R5· I_КР² = 180·(5·10^-3)² = 0,0045 Вт (2.34)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R5 = 0,125 Вт

• Определим напряжение смещения и ток на базе по графику

• Рассчитаем сопротивление делителя:

R3 = (Е_к - U_бэр - U _R5)/ (I_д+I_б), где (2.35)

U _R5 = I_КР· R5 = 5·10^-3·180 = 0,9 В (2.36)

I_д = (2…5) I_б = 5·0,1·10^-3 = 0,5 мА (2.37)

Тогда из 2.35 R3 :

R3 = (9-0,45-0,9) / (0,5+0,1)·10^-3 = 12750 Ом

Принимаем ближайшее значение R3 = 13000 Ом или 13 кОм

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R3:

Р _R3 = R3· I_д² = 13·10³·(0,5·10^-3)² = 0,003 Вт (2.38)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R3 = 0,125 Вт

• Рассчитаем R4:

R4 = (U_бэр + U _R5)/ I_д = (0,45+0,9)/0,5·10^-3 = 2700 Ом (2.39)

Принимаем ближайшее значение R4= 2,7 кОм

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R4:

Р _R4 = R4· I_д² = 2,7·10³·(0,5·10^-3)² = 0,000675 Вт (2. 40)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R4 = 0,125 Вт

• Выражение для расчета емкости контура выводится из следующих предпосылок:

Х_Ср1≤ R_вх; (2.41)

1/ (ώ_н·С_р) = R_вх /10 (2.42)

С2 = 10/2πf_н R_н√m²₂ – 1 (2.43)

С2 = 10/2·3,14·20·1,9·10³·√1,03²-1 = 0,000169 Ф = 169 мкФ

Округлим до ближайшего стандартного значения С2= 160мкФ

• Рассчитаем С3:

С3 = 10/2πf_н R5 (2.44)

С3 = 10/2·3,14·20·180 = 0,000442 Ф = 442 мкФ.

Принимаем ближайшее значение С3 = 430 мкФ

• Для каждого конденсатора С5 и С6 найдем напряжение:

U_С3 = 1,5..2 U_ср (2.45)

U_ср = R5·I_кр = 180·5·10^-3 = 0,9 В (2.46)

U_С3 = 2 U_ср = 2·0,9 = 1,8 В

U_С2 = 1,5..2 Е_к (2.47)

U_С2 = 2·9 = 18 В

Принимаем U_С3 = 3 В , U_С2 = 25 В.

• Рассчитаем коэффициент усиления этого каскада:

К_U2 = h_{21э min}R_вых2 / R_вх2 = 30·1,9·10³ / 1,9·10³ = 30 (2.48)

1. Расчет входного каскада

Входной каскад выполним по схеме эмиттерного повторителя, транзистор возьмем такой же.

• Рассчитаем сопротивление R2

R2= (Е_к – U_кр )/ I_кр = (9-5) /5·10^-3 = 800 Ом (2.50)

Принимаем R2 = 820 Ом

• Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе R6:

Р _R2 = R2· I_КР² = 820·(5·10^-3)² = 0,0205 Вт (2.51)

Округляем найденную мощность до ближайшего стандартного значения Р _R2 = 0,125 Вт

• Рассчитаем сопротивление R1:

R1= (Е_к- IэRэ – U_бэр )/ I_б = (9-51·10³·10^-3-0,45) / 0,1·10^-3 = 34500 Ом (2.52)

• Rэ = U_кэр/ I_КР = 5/5·10^-3 = 1·10³ (2.53)

• Iэ = I_КР+ I_б = 5·10^-3+0,1·10^-3 = 5,1·10^-3

• Принимаем R1= 36 кОм

• Рассчитаем мощность на R1:

Р _R1 = R1· I_б² = 36000·(0,1·10^-3)² = 0,00036 Вт (2.54)

• Входное сопротивление ЭП:

R_вх = h_11э+ R_2/вх2(1+h_21э) (2.55)

R_2/вх2 = R2R_вх2/ R2+R_вх2 = 572,79 Ом

h_11э = ΔU_бэ/Δ I_б (2.56)

h_11э = 2500

R_вх =2500+572,79(30+1) = 20256,5 Ом

• Рассчитаем значение емкости С1:

С1 = 10/20256,5·2·3,14·20·√1,02²-1 = 0,0000195 Ф = 19,5 мкФ. (2.57)

Принимаем С1 = 20 мкФ

• Рассчитаем коэффициент усиления этого каскада:

К_U1 = R_вх-h_{21э min} / R_вх = (20256,5-2500)/20256,5 = 0,87 (2.58)

К_U = 0,87·30·12,63 = 328,8

Полный коэффициент усиления значительно превосходит заданный, что удовлетворяет поставленному условию.

2.4 Выбор типов стандартных комплектующих

Для разработанного усилителя низкой частоты выбираем следующие типы стандартных комплектующих электрорадиоэлементов.

Сопротивления от R1-R1, выбираем типа МЛТ. Расчетные величины округленны до стандартных значений по шкале Е24. Расчетные величины рассеиваемой на сопротивлениях мощности округленны до стандартных значений.

Конденсаторы от С1 до С6 выбираем типа К53. Разделительные конденсаторы С1, С2, С4, С6 будут не полярные, Конденсаторы С3 , С5 будут полярными. Рабочее напряжение конденсаторов выбрано стандартное с коэффициентом нагрузки не более 0,5

В качестве усилительных элементов взяты биполярные транзисторы кремниевые типа п-р-п КТ315 А.

Перечень ссылок

1. В.А.Скаржепа, А.Н.Луценко «Электроника и микросхемотехника» часть 1 , К «Вища школа», 1989 г.

2. В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев «Электроника»изд.2, Москва «Высшая школа»,1991 г.

3. Р.М.Терещук «Полупроводниковые приемно-усилительные устройства , справочник радиолюбителя, изд.4 Киев, «Наукова думка»,1989

4. Б.Г.Гершунский, «Основы радиоэлектроники и микроэлектроники», изд.3, К.: «Вища школа»,1987 г.

5. Г.И.Изъюрова, Г.В.Королев «Расчет электронных схем» учеб.пособие для вузов, М.: Высшая школа, 1987 г.

Характеристики

Список файлов курсовой работы