Расчет параметров усилительного каскада. Перечень сокращений и обозначений 3 Задание на курсовую работу 4

• Название: Перечень сокращений и обозначений 3 Задание на курсовую работу 4
• Анкор: Расчет параметров усилительного каскада
• Дата: 01.07.2021
• Размер: 240.28 Kb.
• Имя файла: Расчет параметров усилительного каскада.docx
• Тип: Документы; #222869

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень сокращений и обозначений 3

Задание на курсовую работу 4

1. 
   Вычисление значения напряжения питания усилителя 5
   
2. 
   Определение тока нагрузки 7
   
3. 
   Определение мощности рассеивания транзисторов выходного каскада 7
   
4. 
   Определение коэффициента усиления по току выходного каскада 8
   
5. 
   Расчёт значения сопротивлений резисторов R11, R12 9
   
6. 
   Определение рабочего тока предвыходного каскада 10
   
7. 
   Определение входного сопротивления выходного каскада 11
   

7.1. Выбор диодов VD3 и VD4 11

7.2. Определение входного сопротивления выходного каскада 11

8. 
   Определение входного сопротивления выходного каскада 12
   
9. 
   Определение выходного сопротивления предвыходного каскада 12
   
10. 
    Определение коэффициента усиления по напряжению предвыходного каскада 14
    
11. 
    Определение входного сопротивления транзисторов VT6 15
    
12. 
    Определение параметров дифференциального каскада 16
    
13. 
    Определение необходимого значения коэффициента усиления 19
    
14. 
    Расчёт значения сопротивлений R7 и R5 19
    
15. 
    Расчёт значения сопротивления R1, которое обеспечит заданное необходимое входное сопротивление усилителя 19
    
16. 
    Оценка влияния резисторов R1 и R5 на баланс усилителя 20
    
17. 
    Оценка возможности снижения коэффициента усиления 21
    

Заключение 24

Список использованных источников 25

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

В настоящем отчете применяют следующие сокращения и обозначения:

ДУ – дифференциальный усилитель;

ДК – дифференциальный каскад;

КУА – каскад усилителя амплитуды;

ООС – отрицательная обратная связь;

УМ – усилитель мощности;

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по дисциплине «Схемотехника электронных устройств»

Цель курсовой работы: Рассчитать параметры типового усилителя мощности, изучить его принцип работы, оценить влияние определённых параметров на баланс усилителя и оценить возможность изменения коэффициента усиления УМ для нормализации его работы.

Задание работы:



Рисунок 1 – Типовая схема усилителя мощности

Вариант 9:

Зададим исходные данные усилителя мощности:

• 
  выходная мощность Р_ВЫХ=10 Вт;
  
• 
  сопротивление нагрузки R_Н=3 Ом;
  
• 
  номинальное входное напряжение U_ВХ=0,7 В;
  
• 
  входное сопротивление R_ВХ=25000 Ом;
  

Предварительно выбираем следующие типы транзисторов: VT1 – КТС-394Б, VT2 – КТС-395Б, VT3 – КТ-502, VT4 - КТС-395Б, VT5 – КТС-394Б, VT6 – КТ503, VT7 – КТ-815А, VT8 – КТ814А, VT9 – КТ817А, VT10 – КТ-816А, VT9.1 – КТ-815А, VT10.1 – КТ-814А;

Санкт-Петербург 2021

1. Вычисление значения напряжения питания усилителя

Для усилитель мощности значение выходной мощности приводится, как действующее значение. Следовательно, величины токов и напряжений нужно привести к действующему значению.

где U_НА – амплитудное значение напряжения на нагрузке.

Возьмем округленное значение U_HA = 8,0 В.

Схемотехника выходного усилителя симметрична для положительной и отрицательной полярности источника питания. Поэтому расчёт напряжений питания можно произвести только для одной из полярностей (рассчитаем для положительной).

Напряжение на эмиттере транзистора VT9 равно напряжению на нагрузке:


Напряжение на базе транзистора VT9 должно превышать напряжение на эмиттере на 0,6 В, данную величину обеспечивает коллекторная цепь транзистора VT7:


Напряжение на базе транзистора VT7 должно превышать напряжение на базе VT9 на величину не менее 1,0…2,0 В. Таким образом обеспечивается нормальная работы транзистора VT7 как усилительного элемента:


Падение напряжения на диодах VD1 и VD2 равно 1,2 В. Из этого следует, что напряжение питания положительного полюса источника питания:


Ввиду того, что схемотехника УМ симметрична, то напряжение отрицательного полюса источника питания равна напряжению питания положительного полюса источника питания, то есть 12 В.

Для выбора типа транзисторов необходимо знать полное напряжение питания. При этом VT7, VT8, VT9, VT10 нужно выбрать таким образом, чтобы их максимально допустимое напряжение было больше (либо равным) напряжения питания, т.е. напряжение питания является минимальным значением, при котором не возникает искажения сигнала:

Транзисторы выходного (VT9, VT10) и предвыходного каскада (VT7, VT8) необходимо выбирать с максимально допустимым напряжением большем, чем полное напряжение питания. Напряжение питания является минимальным значением, при котором не возникает искажения сигнала.

Часто есть необходимость в способности УМ выдерживать некоторую перегрузку (это означает, что должно быть обеспечено значение неискаженного выходного напряжения перегрузки U_HП, которое в раз больше номинального значения U_HA. ):


Следовательно, возьмем напряжение питания для усилителя с повышенной нагрузочной способностью, равное 17,0 В. Максимально допустимым напряжением .

Исходя из полученных данных выберем типы транзисторов предвыходного и выходного каскада соответственно следующими:

VT7 – КТ-815Б, VT8 – КТ814Б, VT9 – КТ817Б, VT10 – КТ-816Б.

Повышение напряжения питания выше минимального значения может снизить экономичность усилителя, но позволит улучшить его динамические свойства следящих электромеханических систем.

2. Определение тока нагрузки усилителя

Амплитудное значение тока нагрузки можно вычислить следующим образом:


где U_НА амплитудное значение напряжения на нагрузке,

R_Н – сопротивление нагрузки.

3. Определение мощности рассеивания транзисторов выходного каскада

Мощность, рассеиваемая выходным транзистором (VT9 или VT10), равна 10% от мощности нагрузки. Для рассчитываемого усилителя это значение:

Для транзисторов КТ816, КТ817 рассеиваемая мощность с теплоотводом равна 25,0 Вт. Без теплоотвода –1,0 Вт.

При работе транзисторов без теплоотвода не будет обеспечен правильный тепловой режим. Поэтому выходные транзисторы необходимо обеспечить соответствующими теплоотводами.

4. 
   Определение коэффициента усиления по току выходного каскада
   

Для определения коэффициента усиления по току выходного каскада необходимо знать величину тока покоя предвыходного каскада, выполняемого на транзисторах VT7, VT8.

Для выбранных ранее выходных транзисторов КТ817, КТ816, минимальное значение коэффициента усиления тока базы β=25. Значит ток базы этих транзисторов:


Полученное значение тока базы превышает максимально значение выбранных ранее транзисторов. Применим составной транзистор (Рис. 2).

К основным усилительным транзисторам VT9 и VT10 добавлены дополнительные транзисторы VT9.1 типа КТ-815Б и VT10.1 типа КТ-814Б. При введении в выходной каскад дополнительного эмиттерного перехода изменяется напряжение питания (дополнительный эмиттерный переход VT9.1 увеличивает напряжение питания на 0.6 В).


Причем транзисторы VT9.1 и VT10.1 выбраны на меньшую рассеиваемую мощность, ввиду того, что они работают на меньшем токе коллектора. Тогда минимальное значение коэффициента усиления тока базы транзисторов β=40. Коэффициент усиления по току каскада на составных транзисторах равен:





Рисунок 2 - Схема выходного каскада на составном транзисторе

Мощность, рассеиваемая VT9.1 и VT10.1, равна:



Для транзисторов КТ814, КТ815 максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом равна 10,0 Вт. Без теплоотвода - 1,0 Вт. Поэтому эти транзисторы можно использовать без теплоотвода.

5. 
   Расчёт резисторов R11 и R12
   

Резисторы R11 и R12 необходимы для замыкания обратного тока коллектора транзисторов VT9 и VT10. Выбор номинала сопротивления должен предполагать, что падение напряжения на них вследствие протекания обратного тока коллектора I_Ко было значительно меньше напряжения эмиттерного перехода (0,6 В). Выберем величину этого напряжения равную 10 мВ. Величина обратного тока коллектора I_Ко для транзисторов VT9 и VT10 равна 0,1 мА.

Величина сопротивления R11 и R12 определяется следующим образом:

6. 
   Определение рабочего тока предвыходного каскада
   

Для обеспечения амплитудного тока нагрузки на вход составного транзистора – базу VT9.1 – необходимо подать ток соответствующей величины с выхода предвыходного каскада – коллекторной цепи VT7. Параллельно эмиттерному переходу транзистора VT9 подключен резистор R11, по которому протекает ток, значение которого равно:


По эмиттерному переходу транзистора VT9.1 протекает сумма токов, равная:


Тогда при выбранном значении коэффициента усиления тока базы β=40 имеем:


причем ток базы VT9.1 должен быть больше этого значения, т.е.:

Величина тока предвыходного каскада (I_К транзисторов VT7, VT8) должна быть, как минимум, больше тока базы транзистора VT9.1, т.е. .

Для компенсации изменения коэффициента β выходных транзисторов в зависимости от величины тока эмиттера и для обеспечения возможности работы усилителя с перегрузкой, значение тока предвыходного каскада выбирают в несколько раз большим минимального значения:


Следовательно, мощность, рассеиваемая транзисторами VT7 и VT8 равна:

7. 
   Определение входного сопротивления выходного каскада
   

1. 
   Выбор диодов VD3 и VD4:
   

Диоды VD3 и VD4 предназначены для создания начального смещения транзисторов выходного каскада (создание режима работы усилителя АВ). Основное назначение этих диодов заключается в обеспечении необходимого токая покоя выходных транзисторов и его температурной стабилизации.

Выбор конкретного типа диода выбирается на этапе макетирования устройства, т.к. выбор по справочным данным затруднителен, ввиду неточности ВАХ и определённой температуры.

В рассчитываемом усилителе в выходном каскаде применены составные транзисторы, поэтому каждый из диодов состоит из двух физических диодов. Диоды выполняются в металлических корпусах для обеспечения теплового контакта и надёжно закрепляются на радиаторах выходных транзисторов.

2. 
   Определение входного сопротивления каскада на составном транзисторе:
   

Входное сопротивление транзистора VT9:





где температурный потенциал;

ток эмиттера покоя транзистора.

Нагрузкой VT9.1 является параллельно соединённые входное сопротивление транзистора VT9 и резистор R11:

Входное сопротивление транзистора VT9.1:

8. 
   Определение типа транзисторов VT7 и VT8:
   

Для определения типа транзисторов VT7 и VT8 необходимо в первую очередь определить мощность, рассеиваемую этими транзисторами. Соответственно величину напряжения коллектор-эмиттер можно принять равной величине напряжения питания , а мощность определяется по следующему выражению:

Транзисторам VT7 и VT8 присвоим тип КТ814А и КТ815А соответственно.

9. 
   Определение выходного сопротивления предвыходного каскада
   

Выходное сопротивление предвыходного каскада определяется как параллельно соединённые сопротивления коллекторных переходов VT7 и VT8. При этом падение напряжения на резисторе R9 будет равно:

Следовательно, его сопротивление выражается следующим образом:


Примем ближайшее стандартное значение сопротивления

Внутреннее сопротивление эмиттерного перехода:


Внутреннее сопротивление базы:


Величина тока базы:


Выбираем значение силы тока, протекающего по цепи R6VD1VD2:



Тогда дифференциальное сопротивление последовательно включённых диодов VD1 и VD2 равно:


Условие выполнено (25 Ом << 2,6 кОм).

Величина сопротивления резистора:


Таким образом, внутренне сопротивление цепи в точке подключения базы транзистора VT7, диодовVD1 и VD2, и резистора R6, будет меньше наименьшего сопротивления R’_Д=25 Ом.

Определим графически по ВАХ напряжение Эрли (напряжение сдвига), для транзисторов КТ814А и КТ815А оно составляет 25 В.

Исходное сопротивление коллектора:


Внутреннее сопротивление коллекторов каждого из VT7 и VT8:


Выходное сопротивление предвыходного каскада определяется как параллельное включение выходных сопротивлений транзисторов. И если предположить, что величины выходных сопротивлений транзисторов равны между собой, то сопротивление каскада определяется следующим образом:


В силу симметричности оба плеча усиления предвыходного каскада одинаковы. А значит сопротивление резистора R10 = R9 = 62 Ом.

10. 
    Определение коэффициента усиления по напряжению предвыходного каскада
    

Учитывая, что величина внутреннего сопротивления в точке коллекторной нагрузки R_i определяется как параллельное включение выходных сопротивлений транзисторов VT7 и VT8( ) и входных сопротивлений эмиттерных повторителей на транзисторах VT9.1 VT10.1( ):



Коэффициент усиления амплитуды по напряжению каскада:

11. 
    Определение входного сопротивления транзистора VT6
    

Для определения входного сопротивления транзистора VT6 (сопротивления базы ) необходимо найти входное сопротивление VT8 (сопротивление базы ):


Ток базы при этом составляет:


Величина сопротивления резистора R8 выбирается из условия, что ток, протекающий по резистору R₈, должен быть соизмерим с током базы транзистора VT8.

Величина сопротивления:


Значение сопротивления резистора R₈=4,7 кОм взято ближайшее стандартное.

Сопротивление резистора R8 и базы транзистора VT8 образуют сопротивление в цепи эмиттера транзистора VT6:


Транзистор VT6 включён по схеме эмиттерного повторителя, основным назначением которого является повышение внутреннего сопротивления в точке подсоединения коллекторов транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в качестве данного транзистора лучше применить биполярный транзистор с большим значение β или МДП-транзистор .

Выберем в качестве транзистора VT6 КТ-3102Е, для которого β=400.

Ток эмиттера транзистора VT6:


Величина сопротивления эмиттера транзистора VT6:


Сопротивление базы транзистора VT6:


Ток базы транзистора VT6:

12. 
    Определение параметров дифференциального каскада
    

Дифференциальный каскад необходим для обеспечения малого дрейфа постоянной составляющей усиливаемого сигнала, высокого коэффициента усиления по напряжению и высокого входного сопротивления. Входное сопротивление увеличивают посредством снижения токов эмиттеров дифференциального усилителя , а коэффициент изменяют с помощью динамической нагрузки. В качестве динамической нагрузки целесообразно применить токовое зеркало на биполярных транзисторах, где управляющий ток транзистора VT2 равен управляющему току транзистораVT4.

Для ДК (VT1 и VT5) будем использовать транзисторную сборку p-n-p типа КТС-394Б. Основные параметры этих транзисторов β_мин=100 и .

Входное сопротивление ДУ равно сопротивлению базы транзисторов VT1, VT5:


Полученная величина сопротивлений и в абсолютном значении не очень велика. Для его дальнейшего увеличения необходимо еще большее снижение тока эмиттера. Но это приведёт к заметному снижению граничной частоты , коэффициента β_мин и более сильному влиянию на частотную характеристику коллекторных и эмиттерных ёмкостей транзистора , и различных паразитных ёмкостей.

Напряжение сдвига для транзисторов КТС-394Б и КТС-395Б равно 24В. Тогда сопротивление коллекторного перехода транзистора VT1 равно:



В цепи эмиттеров транзисторов токового зеркала включены резисторы R2 и R4, которые осуществляют балансировку ДУ и повышают внутреннее сопротивление коллекторного перехода транзистора VT2. Допустим сопротивление этих резисторов равным 1 кОм. Падение напряжения на этих резисторах равно:



Результирующее сопротивление коллекторного перехода:


Внутреннее сопротивление цепи в точке соединения VT1 и VT2, без VT6, определяется как параллельное включение:


С учётом сопротивления VT6:


В результате коэффициент усиления ДУ по напряжению будет равен:



Ток базы транзисторов ДУ определяется следующим образом:



Для обеспечения величины тока эмиттера ДУ равным 0,1 мА ток коллектора транзистора VT3 должен быть в два раза больше .

Величина этого тока определяется резистором R3:


Общий коэффициент усиления по напряжению всего усилителя равен произведению коэффициентов усиления по напряжению ДК и :


Величина данного коэффициента слишком большая для усилителя средней мощности, следовательно, в отдельных узлах усилителя можно снизить требования к параметрам элементов.

13. 
    Определение необходимого значения коэффициента усиления
    

Амплитудное значение входного напряжения:


Коэффициент усиления по напряжению усилителя:

14. 
    Выбор сопротивлений R7 И R5
    

В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению зависит от элементов цепи ООС – резисторов R5 и R7 – и равен:


Сопротивление резисторов должно быть минимальным, чтобы в сумме с паразитными ёмкостями не оказать влияние на частотную характеристику цепи обратной связи и усилителя. При этом протекающий по этим резисторам ток должен быть незначительным по отношению к току нагрузки.

Выбираем значение сопротивлений следующими:

15. 
    Определение входного сопротивления усилителя
    

Собственное входное сопротивление усилителя, не охваченного цепью ООС, равно сопротивлению базы транзисторов ДУ:


Собственное входное сопротивление усилителя, охваченного ООС:


Полученное значение входного сопротивления очень велико, ввиду большого коэффициента усиления по напряжению.

Входное же сопротивление всего усилителя состоит из параллельно соединённых сопротивлений усилителя , охваченного ООС, и R. Так как то:

16. 
    Оценка влияния резисторов R1 и R5 на баланс усилителя
    

Токи баз транзисторов VT1 и VT5 создают падение напряжения на резисторах R1 и R5:




С учётом коэффициента усиления по напряжению величина постоянной составляющей выходного напряжения при отсутствии входного сигнала имеет значение:


Ток протекающий через нагрузку усилителя :



Полученное значение тока является достаточно большой величиной, поэтому величину постоянной составляющей выходного напряжения при отсутствии входного сигнала стараются сделать как можно меньше, порядка нескольких милливольт. Осуществляется это подбором величины резисторов R2 и R4 в пределах ±10%.

17. 
    Оценка возможности снижения коэффициента усиления по напряжению
    

Как было отмечено выше, коэффициент усиления по напряжению оказался слишком высок. Одним из способов снижения этого коэффициента является – снижение усиление по напряжению каждого из каскадов.

В КУА можно снизить коэффициент усиления введением дополнительных резисторов R13 и R14, чтобы снизить коллекторную нагрузку, т.е. этими резисторами шунтируют входное сопротивление выходного каскада на транзисторах VT9 и V T 10 (Рис.3). В результате нагрузка становится более равномерной (линейной). Это связано с тем, что зависимость β от Iэ не является линейной и при изменении в широких пределах тока эмиттера в широких пределах изменяется и входное сопротивление.



Рисунок 3 - Схема снижения коэффициента усиления КУА

Примем, что вводимые сопротивления в два раза меньше

:




В таком случае коэффициент усиления по напряжению :


В ДК снижение коэффициента усиления можно обеспечить тремя способами:

• 
  Транзистор VT6 типа КТ-503 заменить на транзистор с меньшим значением β, например, КТ315А;
  
• 
  Транзистор VT6 исключить из схемы вместе с резистором R8, а базу VT8 подключить к коллекторам VT1 и VT2. Из-за такой перестройки сопротивление нагрузки ДК полностью будет определяться величиной сопротивления базы VT8;
  
• 
  Транзистор VT6 исключить из схемы вместе с резистором R8, а транзистор VT8 использовать другого типа с большим значением β.
  

Самым эффективным способом оказался первый, т.к. он даёт более приемлемые значения коэффициента усиления.

Для снижения коэффициента усиления воспользуемся первым способом.

Транзистор VT6 типа КТ-503 заменить на транзистор с меньшим значением β, например, КТ315А, для которого .

Сопротивление базы при этом:


Внутреннее сопротивление в точке подключения коллекторов VT1, VT2 (120 кОм)и базы VT6 (52 кОм):


Коэффициент усиления по напряжению ДК:


Полученное значение коэффициента усиления соответствует ожидаемому результату. Таким образом, внесённые изменения позволяют снизить коэффициент усиления усилителя на постоянном токе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы был произведен расчет усилителя мощности, рассчитано значение напряжения питания усилителя, тока нагрузки, мощности рассеивания транзисторов выходного каскада, значения сопротивлений резисторов и другие параметры каскадов. Определено необходимое значение коэффициента и снижены его значение путем снижения коэффициента усиления по напряжению каждого из каскадов. В результате проделанной работы изучены принципы работы и проектирования усилителя мощности, получено представление о способах снижения коэффициента усиления.

Усилитель мощности должен обладать не слишком высоким коэффициентом усиления по напряжению, чтобы не приводить установку к помехам, выдавая необходимую мощность на выход.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. 
   Амосов, В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств / В. Амосов.
   
2. 
   Миленина, С.А. Электротехника, электроника и схемотехника: Учебник и практикум для академического бакалавриата / С.А. Миленина, Н.К. Миленин.
   
3. 
   https://elektrikaetoprosto.ru/trans15.html