Проектирование усилительного устройства

Поэтому суммарный коэффициент гармоник всего усилителя без ООС равен .

Справедливо следующее соотношение для необходимой глубины обратной связи:

В соответствии с техническим заданием коэффициент усиления усилителя МУ с ООС должен быть равен:

Кос= U2km/1,41 Еист = 6,5/(1,41*3*10−3) = 1540.

Для реализации требуемой глубины ООС коэффициент усиления МУ усилителя без ООС должен быть равен: К = Кос*А = 1540*22 = 34 500.

Как показано выше, коэффициент передачи по напряжению оконечного каскада (ОК) равен Кuок = 0,79, коэффициент передачи по напряжению предоконечного каскада (ПОК) равен Кuпок = 255. Каскады ВхУ и КПУ должны обеспечить сквозной коэффициент передачи этих каскадов:

Кскв = КВхУ * ККПУ = К/(Кuок* Кuпок) = 34 500/(0,79*255) = 171. Разделим этот коэффициент на равные доли КВхУ = ККПУ = √171 ≈ 13.

5. Расчёт каскада предварительного усиления и входного усилителя.

5.1 Расчёт каскада предварительного усиления Выберем для реализации схему с общим эмиттером (ОЭ). Схема каскада приведена на рис. 5.

1.

Рис. 5.1 Схема каскада с ОЭ.

1. С целью унификации выберем транзистор npn типа КТ 503 А, применённый при расчёте ПОК. Его параметры приведены ранее.

2. Напряжение источника питания каскада Епит = Ек = 9,6 В.

Питание подаётся от источника Е = 19,2 В через резистор развязки Rф в цепи питания.

3. Нагрузкой каскада является входное сопротивление каскада ПОК:

Rн = Rвх.

ПОК = 1,7 кОм.

4. Зададим ток покоя коллектора IК0КПУ = 3 мА.

5. Сопротивление резистора в эмиттере:

Rэ = 0,2* Ек/ IК0КПУ = 0,2*9,6/3*10−3 = 640 Ом.

6. Сопротивление в коллекторе:

Rк = 0,4* Ек/ IК0КПУ = 0,4*9,6/3*10−3 = 1280.

Ом.

7. Напряжение между коллектором и эмиттером:

Uкэ0 = Ек — IК0КПУ*(Rэ + Rк) = 9,6 — 3*10−3*(640 + 1280) = 3,84 В.

8. Сопротивление нагрузки по переменному току:

Rk~ = Rк *Rвх.

ПОК/(Rк + Rвх.

ПОК) =.

= 1,28*103*1,7*103/ (1,28*103+1,7*103) = 730 Ом.

9. Входное сопротивление транзистора:

Rвх т КПУ = rб + rэ *(β + 1) = 100 + (26/3)*(80 + 1) = 702 Ом, Здесь rэ = 26/Iэ (мА).

10. Сопротивление Rдел параллельно соединённых плеч делителя R1, R2 находится по формулам:

Rдел = R1*R2/ (R1+R2) = [(S-1)*Rэ/(1 -S/(β + 1))] - rб =.

= [(6−1)*640/(1 -6/(80 + 1))] - 100 = 3,36 кОм. Здесь S = 6 — коэффициент нестабильности тока коллектора.

11. Сопротивления плеч делителя:

R1 = Ек* Rдел/(Uбэ0 + Iк0КПУ* Rэ) =.

= 9,6* 3,36*103 /(0,7 +3* 10−3* 6,4*103) = 1,62 кОм.

R2 = R1* Rдел/(R1 — Rдел) =.

= 1,62*103 * 3,36 *103 /(3,36*103 — 1,62 *103) = 3,13 кОм.

12. Входное сопротивление каскада КПУ:

Rвх КПУ = Rдел* Rвх т КПУ /(Rдел+ Rвх т КПУ) =.

= 3,36 *103*702/(3,36 *103+702) = 581Ом.

13. Коэффициент передачи КПУ по напряжению:

KuКПУ = β* Rk~/ Rвх КПУ = 80*730/581 = 99,8. Рассчитанное значение коэффициента передачи по напряжению значительно превышает требуемое значение, рассчитанное в разделе 4.

2.

14. Ёмкость переходного конденсатора рассчитывается в соответствии с требованиями к частотным искажениям. Эти искажения возникают из-за переходных конденсаторов и конденсаторов, шунтирующих сопротивления в эмиттерах, которые находятся в петле ООС, Поэтому частотные искажения уменьшаются в глубину обратной связи раз и допустимые в техническом задании общие частотные искажения отнесём к одному переходному конденсатору, ёмкость которого рассчитывается по формуле:

Сэ = Спер = 0,9 мк.

Ф.

5.2 Расчёт входного усилителя Выберем для реализации схему с общим эмиттером (ОЭ). Схема каскада приведена на рис. 5.

2.

Рис. 5.2 Схема входного усилителя.

1. С целью унификации выберем транзистор npn типа КТ 503А, применённый при расчёте ПОК. Его параметры приведены ранее.

2. Напряжение источника питания каскада Епит = Ек = 9,6 В.

Питание подаётся от источника Е = 19,2 В через резистор развязки Rф в цепи питания.

3. Нагрузкой каскада является входное сопротивление каскада ПОК:

Rн = Rвх.

КПУ = 581 Ом.

4. Зададим ток покоя коллектора IК0КПУ = 1 мА.

5. Сопротивление резистора в эмиттере:

Rэ = 0,2* Ек/ IК0ВХУ = 0,2*9,6/1*10−3 = 1920.

Ом.

6. Сопротивление в коллекторе:

Rк = 0,4* Ек/ IК0ВХУ = 0,4*9,6/10−3 = 3840.

Ом.

7. Напряжение между коллектором и эмиттером:

Uкэ0 = Ек — IК0ВХУ *(Rэ + Rк) = 9,6 -10−3*(1920 + 3840) = 3,84 В.

8. Сопротивление нагрузки по переменному току:

Rk~ = Rк * Rвх.

КПУ /(Rк + Rвх.

КПУ) =.

= 3,84*103*581 / (3,84*103+581) = 504,6 Ом.

9. Входное сопротивление транзистора:

Rвх т ВХУ = rб + rэ *(β + 1) =.

= 100 + (26/1)*(80 + 1) = 2206.

Ом, Здесь rэ = 26/Iэ (мА).

10. Сопротивление Rдел параллельно соединённых плеч делителя R1, R2 находится по формулам:

Rдел = R1*R2/ (R1+R2) = [(S-1)*Rэ/(1 -S/(β + 1))] - rб =.

= [(6−1)*1920/(1 -6/(80 + 1))] - 100 = 10,27 кОм. Здесь S = 6 — коэффициент нестабильности тока коллектора.

11. Сопротивления плеч делителя:

R1 = Ек* Rдел/(Uбэ0 + IК0ВХУ * Rэ) =.

= 9,6* 10,27*103 /(0,7 +10−3* 1,92*103) = 37,6 кОм.

R2 = R1* Rдел/(R1 — Rдел) =.

= 37,6*103 * 10,27 *103 /(37,6*103 — 10,27 *103) = 14,1 кОм.

12. Входное сопротивление каскада ВхУ:

Rвх ВХУ = Rдел* Rвх т ВХУ /(Rдел+ Rвх т ВХУ) =.

= 10,27 *103*2,206*103/(10,27 *103+2,206*103) = 1,81 кОм.

13. Коэффициент передачи КПУ по напряжению:

KuКПУ = β* Rk~/ Rвх ВХУ = 80*504/1810 = 22,3. Рассчитанное значение коэффициента передачи по напряжению превышает требуемое значение, рассчитанное в разделе 4.

2.

14. Ёмкость шунтирующего конденсатора Сэ рассчитывается из условия: ½πfнСэ = Rэ/10, Сэ = 10/2πfн Rэ = 10/2π*80*1920 = 10,3 мк.

Ф.

6. Расчёт входной цепи.

1. Входное сопротивление входного усилителя с обратной связью:

Rвх ос = Rвх ВхУ *А = 1810 * 22 = 39,82 кОм;

2. Оптимальный коэффициент трансформации входного трансформатора:

3. Коэффициент передачи входной цепи:

7. Расчёт резисторов ООС.

7.1 Задаёмся суммарным сопротивлением делителя ООС.

Rдел ос = Rос1 + Rос2 из условия Rдел ос >> Rн.

Rдел ос = 10кОм.

7.2 Рассчитаем сопротивления делителя.

Коэффициент усиления по напряжению всего усилителя рассчитывается по формуле: Кос = Кuвх*(Rос1 + Rос2)/ Rос2, где Кос = 1540, Kuвх = 2,45.

Сопротивления Rос1, Rос2 находятся из соотношений:

Rос2 = Kuвх* Rдел ос/ Кос = 2,45*10*103/1540 = 16 Ом.

Rос1 = 10 000 — 16 ≈ 10 кОм.

8. Расчёт цепей питания Расчёт проводим по формулам, вытекающим из анализа схемы, представленной на рис. 4.

1.

Уточнённое по сравнению с рассчитанным в разделе 3 сопротивление резистора Rф1 находится по формуле:

Rф1 = URф1/(Iк0ПОК + Iк0КПУ + Iк0ВхУ) = 1,4/(10−3 + 3*10−3 +10−3) = 280 Ом Сопротивление резистора Rф2 находится по формуле:

Rф2= (ЕURф1 — Ек)/(Iк0КПУ + Iк0ВхУ) =.

= (19,2 — 1,4 — 9.6)/(10−3 + 3*10−3) = 2,05 кОм На рис.

6 представлена полная электрическая схема микрофонного усилителя.

Рис. 6 Схема электрическая принципиальная микрофонного усилителя Литература.

1. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М., Горячая линия — Телеком, 2003.

2. Бесчётнова Л. В. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Письменные лекции. СПб, СЗТУ, 2005.

Приложение 1.

Чертёж схемы электрической принципиальной.

Приложение 2.