Проектирование усилителя электрических сигналов в заданном частотном диапазоне

Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции электронных устройств становятся все более разнообразными.

Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии. Многие сферы нашей жизнедеятельности уже невозможно представить себе без электронных приборов.

За последние годы в проектировании усилительных устройств появились и утвердились новые научно-технические направления. К ним относятся создание аналоговых устройств на базе операционных усилителей, где формирование их внешних характеристик осуществляется путем введения внешних цепей обратной связи, совершенствование методов проектирования аналоговой микросхемотехники и др.

Успешное развитие машинных методов анализа, приведшее к появлению стандартных универсальных программ машинного расчета различных схем, в том числе предназначенных и для микроисполнения, обусловило значительное сокращение объема работ в процессе проектирования. Развитие микросхемотехники позволило разработать, усовершенствовать и начать использовать разнообразные схемные построения, которые ранее практически не применялись в усилительных каналах, выполненных на дискретных элементах. К ним относятся источники стабильного тока и напряжения, схемы сдвига уровня и т. д.

Современная электроника предъявляет высокие требования к качественным показателям усилительных устройств. Несмотря на существующее многообразие типов ИМС, рассматриваемых как активные усилительные элементы, использование транзисторов во многих случаях практики является более предпочтительным. Так, например, ИМС не всегда могут выдержать конкуренцию в вопросах обеспечения больших уровней сигнала, малых уровней внутренних шумов, заданных верхних граничных частот, в ряде случаев гибкости получения конфигурации схем с качественными различными показателями и др. Проектирование усилительных устройств на транзисторах (дискретных элементах) является основой схемотехнического синтеза микросхем. Кроме того, сочетание при проектировании тех и других усилительных элементов может привести к более изящным техническим решениям, удовлетворяющим поставленным техническим задачам. Таким образом, проектирование усилителей на транзисторах является основой для успешного проектирования современных усилительных и аналоговых устройств.

Разрабатываемый усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов указанного частотного диапазона. Область применения устройства достаточно широка. Оно может быть использовано в качестве узла радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в быту или любой другой сфере человеческой деятельности.

1. Выбор и обоснование структурной схемы устройства

Исходные данные:

.

Рассчитаем входную мощность усилителя:

(1)

Где — действующее значение напряжения, В;

— величина сопротивления нагрузки, Ом.

Следовательно, коэффициент усиления, проектируемого усилителя должен быть равен:

(2)

где? КПД выходного трансформатора для данного усилителя (=0,8);

— выходная мощность усилителя, Вт;

— входная мощность усилителя, Вт.

Рассчитаем коэффициент усиления в децибелах:

дБ.

Из расчета, что каждый каскад дает примерно усиление 20 дБ, получаем, что общее число каскадов должно быть примерно равно 5. Учитывая, что выходные каскады усилителя выбираются обычно каскадами мощного усиления, а также то, что в задании задано дополнительное условие — трансформаторный выход — выбираем схему двухтактного выходного каскада. В данном случае выбор данной схемы является наиболее рациональным так в этом случае можно использовать режим работы каскада АВ, в котором достигается наибольший КПД и довольно-таки низкий коэффициент гармоник. Вследствие того, что выходного каскад усиления мощности является двухтактным, то для его согласования со следующим каскадом применим транзисторный инверсный каскад. В качестве последующих двух усилительных каскадов выбираем реостатные каскады по схеме включения транзистора с ОЭ. Вследствие высокого входного сопротивления (порядка 1 Мома) входной каскад строим на основе полевого транзистора включённого по схеме с общим истоком.

Для выбора транзистора включаемого в одно из плеч двухтактного выходного каскада, рассчитаем максимально допустимую мощность, выделяемую на коллекторе при работе транзисторов в режиме нагрузки:

Вт, мощность, выделяемая каскадом по переменному току, будет равна:

Вт, гдемощность, выделяемая на транзисторе, в одном из плеч каскада.

Рассчитаем ориентировочное напряжение эмиттер-коллектор перехода:

В, гденапряжение выдаваемое источником сигнала.

Данным параметрам удовлетворяет транзистор ГТ307Г, характеристики которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры транзистора ГТ307Г

Таким образом, структурно усилитель будет состоять из двухтактного трансформаторного выходного каскада мощного усиления, инверсного каскада, двух реостатных каскадов, и входного каскада с полевым транзистором включённого с общим истоком.

2. Расчёт, выбор типов и номиналов элементов устройства

2.1 Расчёт элементов и обоснование схемы каскада мощного усиления

Инверсный каскад Рисунок 1 — Принципиальная схема каскада мощного усиления Выходной каскад должен выдавать в нагрузку необходимую мощность сигнала. Для того, чтобы обеспечить и высокиё КПД этого и понизить энергопотребление, данный каскад строим по двухтактной схеме. Суть работы такого каскада заключается в том, что в течение полупериода сигнала работает только одно плечо каскада. Данный каскад можно использовать режим АВ, который обеспечит достаточно низкий коэффициент гармоник и высокий КПД (). Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Выбранный каскад на своём входе требует включения инверсного каскада.

Используя данные предварительного расчёта, имеем:

Вт.

Принимаем КПД каскада равным (режим АВ).

Параметры выбранного транзисторы указаны в таблице 1:

В,(3)

гденапряжение источника питания;

— максимальное напряжения коллектор — эмиттер.

Полученное значение не превышает максимального значения данного напряжения выбранного транзистора, что удовлетворяет максимально-допустимому значению выбранного транзистора.

Сопротивление нагрузки приведенной к одному плечу можно вычислить по формуле из /3/:

Ом.

Максимальное значение тока коллектора в режиме к.з. будет равно:

А.

На семействе выходных статических характеристик транзистора, приведённых на рисунке А.1 строим нагрузочную прямую для режима AB, при этом по оси Ox откладываем значение напряжения источника питания, а по оси Oy максимальное значение тока коллектора, то есть ток коллектора в режиме короткого замыкания. Анализируя входные характеристики транзистора, определяем рабочее напряжение и ток для указанного режима. Они будут равны:

А, В.

Таким образом, значения входного сопротивления одного плеча каскада, найденного по входным и выходным характеристикам транзистора, будет равно:

Ом.

Входное сопротивление полного усилительного каскада будет равно (по формуле из /3/):

Ом.

Используя найденные значения сопротивлений и токов, и учитывая, что входным током является ток базы, а входным напряжением — напряжение на переходе база-коллектор получим, что входная мощность равна:

Вт,

раз,

дБ.

Находим сопротивления делителя данного каскада, то есть и. Принимаем ток делителя равным

А.(4)

Падение напряжение на первом резисторе принимаем равным в пределах В. Из этих соображений:

Ом,(5)

Ом.(6)

Выражения (5) и (6) могут быть выведены из 2-ого закона Кирхгофа. Далее выполняем расчёт резисторов по мощности:

Вт,(7)

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125. Далее рассчитываем входное сопротивление каскада по переменному току /3/:

Ом.

Рассчитаем коэффициент гармоник для данного каскада методом пяти координат. Примем значения сил токов каждой из гармоник следующими:

Найдём силы токов соответствующих каждой гармоники:

.

Производим выбор выходного трансформатора.

Коэффициент трансформации с учётом КПД и сопротивления коллектора получаем:

Рассчитаем сопротивления обмоток трансформатора:

Получим, что индуктивность обмоток трансформатора будет равна:

Таким образом, выбираем трансформатор марки ТМ2−2.

2.2 Расчёт элементов и обоснование схемы инверсного каскада

Реостатный каскад /

/

Каскад мощного усиления

Рисунок 2 — Принципиальная схема инверсного каскада с разделённой нагрузкой

Данный каскад на выходе должен иметь следующие параметры:

Выбор в качестве следующего каскада инверсного обусловлен необходимостью согласования двухтактного выходного каскада мощного усиления, со следующим реостатным каскадом, включённого по схеме с общим эмиттером.

Находим значение сопротивления каскада /3/:

Ом.

Найдём амплитудное значение силы тока на входе усилителя. Расчёт берём из /3/:

А.

Ток покоя коллектора в этом случае будет равен:

мА.

Примерно такие же характеристики имеет транзистор типа КТ361 с параметрами, приведёнными в таблице 1.

Найдём значения сопротивлений, которые надо включить в цепи стабилизации эмиттера и коллектора. Они будут равны /3/:

Ом.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Рассчитаем максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер:

По входной характеристике данного транзистора, приведённой на рисунке B.1 можно определить, что напряжение покоя база-эмиттер равно:

мА,

В.

Для нахождения сопротивлений составляющих делитель найдём значения тока делителя. Примем его равным А. Далее находим значение сопротивления второго резистора делителя:

Ом, гдеток покоя коллектора;

— напряжение покоя на базе.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Для нахождения значения второго сопротивления необходимо найти максимальное напряжение покоя на базе при заданной температуре:

В;

кОм.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Рассчитаем входное сопротивление эмиттера переменному току:

Ом.

Найдём входное сопротивление транзистора инверсного каскада:

где Ом — сопротивление эмиттера.

Таким образом, коэффициент усиления инверсного каскада по напряжению:

Таким образом, по определению коэффициент усиления мощности будет равен:

.

Сопротивление транзистора инверсного каскада будет равно:

Ом, где .

Емкость конденсатора связи: вычисляется так:

Конденсатор выбираем электролитический К50−6. Рабочее напряжение-16 В, ёмкость 5 мкФ. Таким образом, получаем К50−6-16−5,0-.

Входное сопротивление каскада следующего за инверсным каскадом равно:

2.3 Расчёт элементов и обоснование схемы реостатного каскада

Рисунок 3 — Принципиальная схема реостатного каскада Выходные данные каскада имеют следующий вид:

Выбор данного каскада обусловлен требованием высокого коэффициента усиления. В данном каскаде транзистор включен по схеме с общим эмиттером, потому что при данном включении будет достигаться наибольший коэффициент усиления как по току, так и по напряжению.

Рассчитаем входное сопротивление данного каскада:

Найдём максимальный ток коллектора, который будет равен /3/:

Найдём примерный расчётный ток покоя коллектора, определяющий выбор транзистора:

А.

Данным параметрам удовлетворяет транзистор КТ316 параметры, которого уже были указаны таблице 1.

Найдём сопротивления коллектора и эмиттера включенных в соответствующие цепи транзистора:

Ом,

Ом.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт,

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем оба резистора из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

На семействе выходных характеристик данного транзистора находим, что ток покоя базы будет равен:

Определяем ток делителя:

Найдём сопротивления R₂:

.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Положим что падение напряжения на стабилизирующем сопротивлении равно 1,5 В. Тогда напряжение делителя смещения напряжения равно:

В.

Отсюда максимальное напряжение на базе будет равно:

В.

Далее можно найти сопротивление :

кОм.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Сопротивление делителя напряжения будет равно:

кОм.

Входное сопротивление транзистора каскада должно быть равно:

кОм, где — сопротивление базы из справочника.

Входное сопротивление каскада переменному току:

Ом,

где Ом.

Найдём амплитудное значение тока на входе данного каскада:

где .

Амплитуда входного напряжения для данного каскада равна:

Ёмкость конденсатора связи для данного контура будет рассчитываться и будет равна:

мкФ.

Выбираем конденсатор марки К50−6-16 из ряда E24 с номинальной ёмкостью 2,7 мкФ.

Ёмкость конденсатора С₁, рассчитываем так:

мкФ.

Выбираем конденсатор из ряда Е24 на номинал 5,1 мкФ. Марки К53−14 на рабочее напряжение 16 В.

Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению и по току, таким образом, найдём коэффициент усиления по мощности:

Полученный коэффициент усиления данного каскада не удовлетворяет данным предварительного расчёта, поэтому добавим ещё один реостатный каскад, включённый по схеме с ОЭ для получения максимального усиления по мощности:

2.4 Расчёт элементов и обоснование схемы реостатного каскада

Рисунок 4 — Принципиальная схема реостатного каскада Выходные данные каскада имеют следующий вид:

Обоснование выбора схемы приведено выше.

Рассчитаем входное сопротивление данного каскада:

Найдём максимальный ток коллектора, который будет равен:

Найдём примерный расчётный ток коллектора, определяющий выбор транзистора:

А.

Данным параметрам удовлетворяет транзистор КТ316 параметры, которого указаны в таблице 1.

Найдём сопротивления коллектора и эмиттера включенных в соответствующие цепи транзистора:

Ом;

Ом.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт, Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по значению сопротивления, выбираем оба резистора из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

На семействе выходных характеристик данного транзистора находим, что ток покоя базы будет равен:

Определяем ток делителя:

А.

Найдём сопротивления R₂:

Ом.

Далее выполняем расчёт резисторов, применяя формулы (7):

Вт.

Таким образом, учитывая расчёт резистора по мощности и по сопротивлению, выбираем резистор из ряда Е-24() типа МЛТ-0,125.

Положим что падение напряжения на стабилизирующем сопротивлении равно 1,5 В. Тогда напряжение делителя смещения напряжения равно:

Отсюда максимальное напряжение на базе будет равно:

Далее можно найти сопротивление :

кОм.

Транзистор выбираем с теми же характеристиками, что и предыдущие.

Сопротивление делителя напряжения будет равно:

кОм.

Входное сопротивление транзистора каскада должно быть равно:

кОм, где — сопротивление базы из справочника.

Входное сопротивление каскада переменному току:

Ом, где Ом.

Найдём амплитудное значение тока на входе данного каскада:

где .

Амплитуда входного напряжения для данного каскада равна:

Найдём входное сопротивление для данного каскада:

Ёмкость конденсатора связи для данного контура будет рассчитываться и будет равна:

мкФ.

Выбираем конденсатор марки К50−6-16 из ряда E24 с номинальной ёмкостью 3,6 мкФ.

Ёмкость конденсатора С₁, рассчитываем так:

мкФ.

Выбираем конденсатор из ряда Е24 на номинал 3,9 мкФ. Марки К53−14 на рабочее напряжение 10 В.

Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению и по току, таким образом, найдём коэффициент усиления по мощности:

Таким образом, получили, что значения входной силы тока и входного напряжения удовлетворяют заданным в условии задания.

2.5 Расчёт элементов и обоснование схемы входного каскада

Вход Реостатный каскад Рисунок 5 — Принципиальная схема каскада с ОИ Так как сопротивление входного устройства достаточно велико, то применим полевой транзистор на входе усилителя, включённый с общим истоком. В качестве напряжения смещения будет использовано падение напряжения на резисторе в цепи стока.

Для расчёта низкочастотного усилительного каскада на полевых транзисторах используем следующие исходные данные:

Для выбора типа полевого транзистора пользуемся следующим соотношением:

(1)

где — минимальное значение крутизны стоко-затворной характеристики выбранного транзистора;

— активная составляющая выходной проводимости полевого транзистора в закрытом состоянии в схеме с общим истоком.

Вторым определяющим параметром при выборе транзистора служит напряжение сток-исток. Оно не должно быть ниже напряжения источника питания, то есть:

.

По данным характеристикам наиболее подходящим является транзистор КП301Б, характеристики которого указаны в таблице 2.

Таблица 2 — Параметры транзистора КП301Б

Подставив все нужные значения в (1), получим что:

.

Далее необходимо найти эквивалентное сопротивление каскада, которое вычисляется по следующей формуле /1/:

где

Следовательно, подставляя полученные ранее значения, получим:

Ом.

Определим сопротивление нагрузки в цепи стока:

кОм.

То, что мы получили отрицательное значение сопротивления, означает, что при любом сопротивлении нагрузки цепи стока коэффициент частотных искажений в области верхних частот не будет превышать заданного значения.

Резистор выбираем из ряда Е-24 с ограничением по мощности МЛТ-0,125 и номинальным сопротивлением 51 кОм.

В семействе стоковых характеристик проводя нагрузочную прямую находим значения тока и напряжения соответствующих рабочей точке. Для нашего случая это:

Рассчитываем сопротивление в цепи истока:

кОм.

Резистор выбираем типа МЛТ-0,125 из ряда Е24.

Сопротивление в цепи затвора .

Ёмкость разделительного конденсатора будет равна:

нФ.

Конденсатор выбираем К53−14, рабочее напряжение 10 В.

Таким образом, находим, что сопротивление:

мкФ.

Выбираем конденсатор К53−4 на напряжение 10 В.

3. Проверка расчётов по коэффициенту усиления

После произведения всех расчётов получили, что коэффициент усиления каскада:

— мощного усиления ;

— инверсного каскада ;

— реостатного каскада ;

— стокового повторителя .

Таким образом, общий коэффициент усиления будет равен:

.

Что ненамного превышает расчётное значения при анализе структурной схемы.

4. Расчёт КПД усилителя электрических сигналов

Для расчёта КПД положим, что полезная мощность, выделяемая в цепи-это мощность выделяемая на нагрузке. В данном случае она будет равна:

Вт.

Затрачиваемая мощность это мощность, которую требуется отдавать в нагрузку от источника питания. Её мы найдем, применяя первый закон Кирхгоффа, а именно просуммировав все токи коллектора, помножим их на ЭДС источника сигнала:

Вт.

Таким образом, КПД каскада определиться отношением:

.

Данное значение вполне удовлетворяет нужному.

Заключение

Рассчитанный усилитель электрических сигналов обеспечивает усиление в заданном частотном диапазоне от 100 Гц до 12 кГц. Коэффициент нелинейных искажений равен 4%, что меньше заданного значения 5%. Мощность, передаваемая в нагрузку, составляет 2,5 Вт при заданном значении в 2 Вт. Для улучшения массогабаритных характеристик устройства возможно применение интегральных микросхем вместо дискретных элементов.

Усилитель можно проверить с помощью осциллографа, ваттметра и других приборов.

Список использованной литературы

1.Гершунский Б. С. Справочник по расчету электронных схем.- К.: Вища школа, 1983. 240 с.

2. Цыкина А. В. Проектирование транзисторных усилителей частоты. — М.: Связь, 1968. — 384 с.

3. Цыкина А. В. Электрические усилители: учебное пособие для техн. связи. — М.: Радио и связь, 1982. — 288 с.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения//Справочник/ Под ред.Б. Л. Перельмана.- М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

5. Конденсаторы: Справочник. (под ред. Горячева Г. А.) — М.: Радио и связь, 1984. — 88 с., ил.

Приложение

электрический усилитель сигнал схема

Рисунок А.1 — Выходные статические характеристики транзистора ГТ703Г Рисунок А.2 — Входные статические характеристики транзистора ГТ703Г Рисунок В.1 — Выходные статические характеристики транзистора КТ316

Рисунок В.2 — Входные статические характеристики транзистора КТ316