Курсова робота Розрахунок пристрою підсилювання сигналу

« Назад

1. Розрахунок вихідного каскаду підсилювача

Вихідний каскад підсилювача призначений для віддачі заданої величини потужності сигналу в заданий опір навантаження. В порівнянні з каскадами попереднього підсилювача вихідні каскади мають ряд особливостей.

Зазвичай попередні каскади підсилення виконуються на малопотужних транзисторах і вони споживають від джерела живлення незначну потужність. Амплітуда вхідного сигналу в цих підсилювачах в більшості випадків невелика і робочу ділянку характеристики транзистора можна вважати лінійними. При розрахунку каскадів попереднього підсилення його ККД не розглядають, а нелінійні спотворення сигналу вважають малими.

Оскільки вихідні каскади споживають від джерела живлення велику потужність, то їх ККД повинно бути достатньо високим. Для виділення в навантаженні заданої потужності на вхід підсилювача потужності подається велика амплітуда сигналу, яка захоплює значну область характеристики транзистора. Тому збільшення потужності, яку розвиває транзистор в навантаженні, супроводжується збільшенням нелінійних спотворень.

Величина максимальної не спотвореної потужності і ККД кінцевого каскаду залежить від типу транзистора, режиму роботи і схеми каскаду. При невеликій вихідній потужності (до 250 мВт) в каскадах потужного підсилення застосовують ті ж транзистори, що і в попередніх каскадах. Для отримання потужності в одиниці і десятки ват використовуються спеціальні потужні транзистори.

Враховуючи те, що опір навантаження підсилювачів потужності мають малу величину, то в кінцевих каскадах необхідно використовувати транзистори, включені по схемі зі спільним колектором (емітерні повторювачі). При даному включенні транзистор має мінімальний вихідний опір. На рис. 1 зображений підсилювач потужності на транзисторах з різною провідністю. Даний підсилювач це об’єднання двох емітерних повторювачів, зібраних на транзисторах з протилежною провідністю і працюючих на спільне навантаження Rн (рис. 1-а і рис. 1-б). При подачі на вхід позитивної напівхвилі сигналу виникає відкривання транзистора n-p-n і через навантаження Rн протікає струм I₁. При подачі на вхід негативної напівхвилі сигналу проходить відкривання транзистора p-n-p і через навантаження Rн проходить струм I₂. Однак схема на рис. 1-б має серйозний недолік – це використання двох джерел живлення E_K1і E_K2.

На рис. 1-в зображена схема підсилювача в якій використовується тільки одне джерело живлення. В даній схемі навантаження Rн з’єднана з емітерами транзисторів через конденсатор. При подачі на вхід позитивної напівхвилі сигналу виникає відкривання транзистора n-p-n і через навантаження Rн протікає струм заряду конденсатора I₁. При подачі на вхід негативної напівхвилі сигналу виникає відкривання транзистора p-n-p, конденсатор розряджається, і через навантаження Rн протікає струм I₂.

а) – емітерний повторювач на транзисторах n-p-n і p-n-p.

б) – об’єднання емітерних повторювачів.

в) – підсилювач потужності з ємкісним зв’язком з навантаженням.

Рис. 1. Підсилювач потужності на транзисторах з різною провідністю

Для симетрії позитивної і негативної напівхвилі сигналу, транзистори n-p-n і p-n-p повинні мати однакові параметри і характеристики. Спеціально для використання в даній схемі випускаються комплементарні пари транзисторів різної провідності (КТ815 - n-p-n, КТ814 - p-n-p та ін.). Враховуючи цю особливість схеми, її розрахунок проводиться тільки для одного плеча. Для побудови прямої навантаження величина опору навантаження приймається рівною Rн, а напруга живлення приймається рівною E_K1= E_K2 для схеми рис. 1-б і E_K / 2 для схеми рис. 1-в.

Дані:

Опір навантаження R_вих.=R_{н =} 8 Ом;

Вихідна потужністьР_вих.= 3,1Вт;

Напруга живлення Е _к=12В;

Діапазон частот f_min–f_max – 20 – 20000Гц;

Коефіцієнт частотних спотворень М_н=М_в=4дБ;

Амплітуда вхідної напруги U_вх. = 0,01 В, U_вих. = 5 В;

Вхідний опірR_вх.=10кОм,

(Коефіцієнт частотних спотворень показує в скільки разів або наскільки децибел зменшується підсилення на верхній і нижній частоті)

Переводимо значень частотних спотворень із децибелів у рази:

Вказані параметри може забезпечити безтрансформаторний двохтактний комплементарний підсилювач. Його схема зображена на рис. 2.

Рис. 2 - Схема безтрансформаторного двохтактного комплементарного підсилювача

2. Розрахунок кінцевого підсилювача

Максимальне значення вихідної потужності, амплітуди вихідної напруги і струму споживання не можуть бути більшими наступних величин:

Тип вихідних транзисторів підбираємо із наступних умов:

- потужність розсіювання ;

- максимально допустимий струм колектора ;

- максимально допустима напруга між колектором і емітером .

Вибираємо комплементарну пару транзисторів VT2 – типу КТ817Б (n-p-n), а VT3 – типу КТ816Б (p-n-p) в яких:

На сімействі вихідних характеристик транзистора КТ817 будуємо пряму навантаження (рис. 3).

Для цього на осі абсцис відкладаємо точку із значенням, рівним .

На осі ординат відкладаємо значення струму . З’єднуємо ці точки прямою. Це і буде прямою навантаження.

Рис. 3 - Характеристика для розрахунку кінцевого підсилювача

Вибираємо на прямій навантаження точку 0 (точка спокою). Струм спокою в цій точці складає , а напруга .

Вибираємо на навантажувальній характеристиці точку 1 – точку максимального струму. Максимальний струм в ній буде складати , а напруга . Визначимо амплітуду напруги і струму вихідного сигналу:

Визначимо максимальну вихідну потужність каскаду:

Постійна складова колекторного струму при максимальній вихідній потужності сигналу:

Це значення менше максимально допустимого струму колектора транзисторів КТ817Б і КТ816Б, рівного 3 А.

Потужність розсіювання на колекторі кожного із транзисторів дорівнює:

що значно менша гранично допустимої потужності вказаних транзисторів – 20 Вт.

Ємність розділового конденсатора С1 вибираємо із умови:

де

С1 – ємність розділового конденсатора (мкФ);

 - нижня частота робочого діапазону(Гц);

 - опір навантаження(Ом).

Вибираємо електролітичний конденсатор ємністю 2000 мкФ на робочу напругу 20 В.

В зв’язку з тим, що ємнісний опір конденсатора збільшується при пониженні частоти, тоді на нижній частоті зменшується вихідна потужність на опорі навантаження. Тому необхідно розрахувати коефіцієнт частотних спотворень М_н на нижній частоті відтворюваного діапазону:

Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті, які вносять транзистори VT2 іVT3 кінцевого підсилювача:

Визначимо вхідний сигнал, який поступає на бази транзисторів VT2 іVT3 кінцевого підсилювача. Для цього на прямій навантаження визначимо струми бази в точці 0 () і в точці 1 ().

Відкладемо ці значення по осі ординат вхідної характеристики транзисторів і визначимо відповідне значення :

Так як в колі емітера транзисторів VT2 і VT3 кінцевого каскаду діє вихідний сигнал з амплітудою , який одночасно є напругою негативного зворотного зв’язку, то на вхід необхідно подати рівень, рівний:

Розрахуємо значення постійних напруг на електродах транзисторів VT2 і VT3. На емітерах постійна напруга в стані спокою повинна задовольняти такі умови:

Приймемо .

Розрахуємо постійні напруги на базах. Напруга на базі VT2 буде дорівнювати:

Напруга на базі VT3 буде дорівнювати:

Для нормальної роботи транзистора VT3 постійна напруга зміщення на базі повинно бути більшим амплітуди вхідної напруги . Вказана умова виконується ().

Вхідний струм кінцевого каскаду буде дорівнювати максимальному струму бази транзисторів VT2 і VT3, тобто . Так як в каскадах попереднього підсилення буде використовуватись операційний підсилювач у якого вихідний струм складає одиниці міліампер, то необхідно застосовувати допоміжний підсилювач – емітерний повторювач, зібраний на транзисторі VT1.

Робочий струм в робочій точці емітерного повторювача, який працює в класі А, повинен бути не меншим величини вхідного струму кінцевого каскаду. Приймемо значення постійного струму транзистора VT1.

Знаючи напругу на базах транзисторів VT2 і VT3, а також значення струму Ik1 розрахуємо величину резисторів R1 іR2:

Приймаємо в якості R2 стандартний номінал 470 Ом.

В якості транзистора VT1 вибираємо транзистор КТ312А. На вихідній характеристиці (рис. 4) будуємо пряму навантаження.

Для цього на осі абсцис відкладаємо точку 1 зі значеннями Е_К=12В. Потім визначаємо режим транзистора в точці спокою. Напруга на транзисторі в точці спокою буде дорівнювати:

Струм в точці спокою як уже було прийнято . Відкладаємо точку 0 з вказаними вище координатами на вихідній характеристиці. Через точки 0 і 1 проводимо пряму навантаження. Відкладаємо в обидві сторони на осі абсцис від точки  значення вхідної напруги . Визначимо робочу зону характеристики (проміжок між точками 2 і 3).

Рис. 4 - Характеристики для розрахунку емітерного повторювача

В точках 0, 2, і 3 визначимо значення струму бази транзистораVT1:

Вказані значення відкладаємо на осі ординат вхідної характеристики транзистора КТ312А. По вхідній характеристиці визначаємо значення напруги між базою та емітером:

Визначимо параметри вхідного сигналу, який подається на базу емітерного повторювача VT1:

Вхідний струм дорівнює ;

Вхідна напруга сигналу буде дорівнювати сумі 

і напруги входу кінцевого каскаду 

Постійна напруга зміщення на базі VT1 дорівнює сумі

Перевіримо, що сума вхідної напруги сигналу і постійної напруги зміщення на базі VT1 не перевищує значення напруги живлення:

Вхідний опір емітерного повторювача дорівнює:

Напруга живлення Е_К=12В.

3. Розрахунок попереднього підсилювача

Вихідними даними для розрахунку попереднього підсилювача будуть дані, отримані по результатам розрахунку кінцевого підсилювача.

Вихідний струм дорівнює .

Амплітуда вихідної напруги сигналу буде дорівнювати напрузі вхідного сигналу кінцевого каскаду .

Постійна напруга на виході попереднього підсилювача .

Вхідний опір кінцевого каскаду .

Напруга живлення Е_К=12В.

Дані про вхід попереднього підсилювача:

Амплітуда вхідної напруги Uвх. = 0,01 В;

Вхідний опір 10кОм.

Розрахунок:

Визначимо мінімальний коефіцієнт підсилення попереднього підсилювача:

По значенню мінімального коефіцієнта підсилення попереднього підсилювача, вихідному струму і напругою живлення вибираємо в якості активного елемента попереднього підсилювача операційний підсилювач типу 157УД2, призначений для використання в побутовій апаратурі.

Операційний підсилювач типу 157УД2 вміщує в одному корпусі два однотипних підсилювачі. В даній роботі буде використовуватися тільки один підсилювач.

Параметри підсилювача:

Напруга живлення 3 − 18 В;

Струм споживання – 7 мА;

Вхідний струм – 0,5 мкА;

Опір навантаження – 2 кОм.

Розрахуємо максимальний вихідний струм мікросхеми 157УД2 при вихідній напрузі, яка дорівнює напрузі живлення :

Це значення значно вище необхідного .

Вхідний опір мікросхеми при напрузі, яка дорівнює половині напруги живлення – 6 В, складає:

Це значення значно вище необхідного мінімального вхідного опору попереднього каскаду, тому при подальших розрахунках він не враховується.

На рис. 5 зображена принципова схема операційного підсилювача 157УД2. На рис. 6 зображена схема включення операційного підсилювача 157УД2. На схемі вказаний конденсатор С ємністю до 30 пФ. Його встановлення рекомендовано заводом виробником мікросхеми.

Рис. 5 - Принципова схема операційного підсилювача 157УД2

Рис. 6 - Схема включення операційного підсилювача 157УД2

На рис. 7 зображена схема попереднього підсилювача.

Рис. 7 - Схема попереднього підсилювача

Приймемо значення напруги на не інвертованому вході операційного підсилювача  і величину .

Із рівності:

Розраховуємо R4:

Вхідний опір попереднього каскаду представляє собою паралельне включення трьох опорів R3, R4 і вхідного опору мікросхеми . Так як вхідний опір мікросхеми набагато більший значень R3, R4, то він не враховується.

Тоді вхідний опір попереднього підсилювача дорівнює:

що більше мінімального значення вхідного опору 100кОм.

Для розрахунку підсилення операційного підсилювача по постійному струму: позначимо .

Коефіцієнт підсилення по постійній напрузі повинен складати:

Приймемо величину опору .

Із виразу визначаємо значення R1:

Із виразу:

знайдемо значення R1a:

Визначимо величину R1б:

Приймемо стандартні значення .

Ємність блокуючого конденсатора С2 вибираємо із умови:

де

f_H − нижня частота робочого діапазону();

Приймемо .

Аналогічно розраховуємо величину конденсатора С1:

Приймемо С1=0,022мкФ.

На основі отриманих даних об’єднуємо схеми попереднього і кінцевого підсилювачів і отримуємо підсилювач потужності (рис. 8).

Рис. 8 - Схема розрахованого підсилювача

Рис. 9 - Схема даного підсилювача розроблена в програмному забезпеченні Multisim

4. Моделювання розробленого пристрою підсилення сигналу

До схеми, що зображена на рис.9, я підключила осцилограф.

Рис. 10 - Схема даного підсилювача з підключеним осцилографом, розроблена в програмному забезпеченні Multisim

Рис. 11 - Вихідні дані

До схеми, що зображена на рис.10, я підключила ПлотерБоде.

Рис. 12 - Схема даного підсилювача з підключеним ПлотеромБоде, розроблена в програмному забезпеченні Multisim

Рис. 13 - Фаза даного підсилювача

Рис. 14 - Амплітуда даного підсилювача