 |
Расчет второго каскада предварительного усиления
|
|
|
|
Усиливаемый сигнал от источника сигнала Ег (рис. 2.1) в базовую цепь транзистора подается через разделительный конденсатор С1. Сопротивление Rк является коллекторной нагрузкой. С него усиленное переменное напряжение через разделительный конденсатор С2 подается в нагрузку Rн. При последовательном включении УК сопротивлением нагрузки является входное сопротивление следующего каскада.
Рассмотрим назначение элементов схемы УК.
Конденсаторы С1 и С2 - разделительные, назначение которых -отделить переменный усиливаемый сигнал от постоянных напряжений и токов, действующих внутри схемы. Конденсатор С1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых исключить протекание постоянного тока по цепи En-Rr-Rl и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения U6n в режиме покоя от внутреннего сопротивления Rг источника Ег Конденсатор С2 не пропускает постоянную составляющую выходного сигнала в нагрузку.
Делитель напряжения R1-R2 предназначен для установления рабочей точки транзистора в состоянии покоя. Положение рабочей точки должно обеспечивать режим А работы УК. В зависимости от соотношения между плечами делителя R1-R2 на базу транзистора подает определенное напряжение Uбэп в состоянии покоя, которое в свою очередь определяет ток базы покоя Iбп.
Резистор Rk осуществляет последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, которая обеспечивает стабилизацию положения рабочей точки на вольтамперных характеристиках транзистора при воздействии на УК внешних дестабилизирующих факторов.
Расчет каскада по постоянному току.
Расчет усилительного каскада производится раздельно по постоянному и переменному токам. Целью расчета по постоянному току является определение положения рабочей точки на характеристиках транзистора и ее температурную стабильность. Расчет по переменному току заключается в определении основных динамических параметров, коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности, “шитого и выходного сопротивлений каскада и динамической крутизны. Поскольку характеристики транзистора нелинейные, то единой методики расчета УК не существует. Каскады, работающие при большом уровне сигнала, рассчитывается графоаналитические методом с использованием ВАХ транзистора, а УК с малым уровнем сигнала - аналитическим методом, который основан на использовании эквивалентных схем транзистора. Условно сигнал считается малым, если его амплитуда не превышает 15..20% постоянного значения напряжения в рабочей точке.
|
|
|
Исходные данные:
Rн = 6533 Ом
Umн = 19 В
Пусть коэффициент усиления каскада К=40
Выбираем транзистор:
Выбираем KT503Б(Si n-p-n в=80...240 IКmax=300мА РKmax=0.5Вт). Из входной и выходной характеристик транзистора определяем следующие значения:
в = 140
Примем падение напряжения на сопротилении фильтра:
,
где 
, Еп = 40
Находим напряжение, подводимое к делителю:
Расчёт элементов, обеспечивающих рабочий режим транзистора:
Коэффициент температурной нестабильности S = 3
Сопротивление входной цепи транзистора:
Найдём Rб:
Определяем значение Rэ:
Находим значения R1 и R2:
Напряжение базы Uбп в состоянии покоя:
Определяем ток в цепи делителя базы:
Ток Iд должен в (2...5) раз превышать Iбп
Сопротивление Rф фильтра находим по формуле:
Для нахождения rk применим 2-й закон Кирхгофа к выходной цепи коллектора:
Поверочный расчёт коэффициента температурной нестабильности S:
|
|
|
Расчет номинальных значений ёмкостей:
Ёмкость Сф определяется из условия получения необходимой фильтрации питающего напряжения:
Расчёт значений ёмкостей С1,С2 и Сэ производятся по формулам:
где 
Расчёт динамических параметров усилительного каскада. Эквивалентная схема замещения каскада.
Динамическими параметрами УК являются коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, крутизна усиления. Эти параметры рассматриваются на основе анализа эквивалентной схемы УК для переменных составляющих токов и напряжений. Полная эквивалентная схема замещения каскада содержит следующие элементы: Свх - емкость входной цепи УК, См - емкость монтажа, Сн - емкость нагрузки, Rб= Rl || R2; транзистор замещен Т - образной схемой замещения (элементы r'б, rэ, rk*, Ск* и вI6); зажимы "плюс" и "минус" источника питания Еп закорочены по переменной составляющей. Обычно емкость Сф выбирается такой, чтобы ее сопротивление на самой низкой рабочей частоте было близко к нулю и закорачивало резистор Rф. Поэтому цепочка Rф-Сф на схеме не приведена.
Для упрощения анализа и расчетных соотношений принято рассматривать работу усилительного каскада раздельно в области средних, низких и высоких частот.
Анализ УК в области средних частот
На средних частотах (в центральной области полосы пропускания усилителя) сопротивление емкостей Cl, C2 и Сэ близко к нулю, а сопротивление паразитных емкостей Свх, См, а также емкостей Ск* и Си велико. Поэтому ветви схемы рис.3.2. с Cl, C2 и Сэ могут быть закорочены, а ветви с Свх, См, Ск* и Си разомкнуты.
Входное сопротивление каскада равно параллельному соединению Rвxvt и Rб:
Выходное сопротивление каскада:
Коэффициент усиления напряжения каскада найдём из формулы:
где 
Коэффициент усиления тока и мощности:
Крутизна усилительного каскада определится отношением:
Анализ УК в области низких частот:
В области низких частот следует учесть влияние на параметры каскада разделительных конденсаторов Cl и C2 и ёмкости в цепи эмиттера Сэ. При правильном выборе Параметров цепочки Rф-Сф ее влияние на частотную характеристику в области НЧ мало и в данном случае не рассматривается. Эквивалентная схема усилителя в области НЧ получается из схемы (рис.3.2.) путем включения емкостей С1,С2 и Сэ и исключения емкости Ск*.
|
|
|
При переходе к более низким частотам возрастают сопротивления ёмкостей Cl, C2 и Сэ, что приводит к уменьшению токов Iб и Iн и напряжения Uвых. Параметры каскада зависят от частоты. Проанализируем изменения лишь основного показателя коэффициента усиления. С целью упрощения расчетов влияние каждой из указанных выше емкостей рассмотрим отдельно.
Влияние емкости С1.(положим С2 = Сэ = ∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
- постоянная времени входной цепи
Влияние емкости С2.(положим С1 = Сэ = ∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
- постоянная времени выходной цепи
Влияние емкости Сэ.(положим С1=С2=∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
- постоянная времени эмиттерной цепи
Таким образом, рассмотрев влияние конденсаторов Cl, C2 и Сэ раздельно, установили, что каждый уменьшает коэффициент усиления каскада с понижением частоты, причем структура формул одинакова.
При совместном действии рассмотренных емкостей структура формулы коэффициента усиления также не изменится:
где 
- эквивалентная постоянная времени каскада в области низких частот:
Эти соотношения позволяют записать выражение для модуля коэффициента усиления и его фазы, которые используются для построения АЧХ и ФЧХ усилителя в области низких частот:
Кн уменьшается при понижении частоты..Это приводит к появлению частотных искажений. Для их количественной оценки используют коэффициент частотных искажений:
На нижней граничной частоте щн коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щн Мн= 0.707, а щн фн= 1. Отсюда можно определить щн по заданному значению фн:
Анализ УК в области высоких частот:
Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот (ВЧ) определяется инерционностью транзистора. Эквивалентная схема усилителя для области ВЧ следует из рис. 3.2, если в последней учесть конденсатор Ск*,а также частотно-зависимые параметры в(jщ) и rk*(jщ)
|
|
|
Найдём постоянную времени каскада в области ВЧ из выражения (fв=15000Гц):
Искомое выражение для коэффициента усиления области высоких частот получим, произведя замену параметров в и гк:
Запишем выражения для АЧХ и ФЧХ усилителя в области высоких частот:
Для количественной оценки ВЧ искажений водится коэффициент частотных искажений:
На верхней граничной частоте щв коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щв Мн= 0.707, а щв фв= 1.
При одновременном анализе усилителя во всем частотном диапазоне, т.е. по полной эквивалентной схеме, может быть получено следующее выражение для коэффициента усиления усилителя, модуля и фазы коэффициента частотных искажений:
Графики АЧХ и ФЧХ УК2 в области ВЧ и НЧ:
7. Расчет первого каскада предварительного усиления
Расчет каскада по постоянному току.
Исходные данные:
Пусть коэффициент усиления каскада К=30
Выбираем транзистор:
Выбираем KT206Б(Si n-p-n в=70...210 IКmax=20мА PКmax=15мВт)
Из входной и выходной характеристик транзистора определяем следующие значения:
Примем падение напряжения на сопротивлении фильтра:
Находим напряжение, подводимое к делителю:
Расчёт элементов, обеспечивающих рабочий режим транзистора:
коэффициент температурной нестабильности S=3
Сопротивление входной цепи транзистора:
где 
- тепловой потенциал.
Найдём Rб:
Определяем значение Rэ:
Находим значения R1 и R2:
Напряжение базы Uбп в состоянии покоя:
Определяем ток в цепи делителя базы:
Ток Iд должен в (2...5) раз превышать Iбп
Сопротивление Rф фильтра находим по формуле:
Для нахождения Rk применим 2-й закон Кирхгофа к выходной цепи коллектора:
Поверочный расчёт коэффициента температурной нестабильности S:
Расчет номинальных значений ёмкостей:
Ёмкость Сф определяется из условия получения необходимой фильтрации питающего напряжения:
где fп = 100 – основная частота пульсаций
Фп = 20...75 = 50 –коэффициент фильтрации, показывающий во сколько раз напряжение пульсаций ослабляется цепочкой фильтра Rф - Сф.
Расчёт значений ёмкостей С1,С2 и Сэ производятся по формулам:
Расчёт динамических параметров усилительного каскада.
Анализ УК в области средних частот
На средних частотах (в центральной области полосы пропускания усилителя) сопротивление емкостей Cl, C2 и Сэ близко к нулю, а сопротивление паразитных емкостей Свх, См, а также емкостей Ск* и Сн велико. Поэтому ветви схемы рис.3.2. с Cl, C2 и Сэ могут быть закорочены, а ветви с Свх, См, Ск* и Сн разомкнуты.
|
|
|
Входное сопротивление каскада равно параллельному соединению Rвxvt и Rб:
Выходное сопротивление каскада:
Коэффициент усиления напряжения каскада найдём из формулы:
Коэффициент усиления тока и мощности:
Крутизна усилительного каскада определится отношением:
Анализ УК в области низких частот;
В области низких частот следует учесть влияние на параметры каскада разделительных конденсаторов С1 и С2 и ёмкости в цепи эмиттера Сэ. При правильном выборе Параметров цепочки Rф-Сф ее влияние на частотную характеристику в области НЧ мало и в данном случае не рассматривается. Эквивалентная схема усилителя в области НЧ получается из схемы (рис.3.2.) путем включения емкостей С1,С2 и Сэ и исключения емкости Ск*.
При переходе к более низким частотам возрастают сопротивления ёмкостей С1, С2 и Сэ, что приводит к уменьшению токов I6 и Iн и напряжения Uвых. Параметры каскада зависят от частоты. Проанализируем изменения лишь основного показателя коэффициента усиления. С целью упрощения расчетов влияние каждой из указанных выше емкостей рассмотрим отдельно.
Влияние емкости С 1.(положим С2=Сэ=∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
-постоянная времени входной цепи
Влияние емкости С2.(положим С1=Сэ=∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
- постоянная времени выходной цепи
Влияние емкости Сэ.(положим С1=С2=∞)
Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:
где 
-постоянная времени эмиттерной цепи
Таким образом, рассмотрев влияние конденсаторов Cl, C2 и Сэ раздельно, установили, что каждый уменьшает коэффициент усиления каскада с понижением частоты, причем структура формул одинакова.
При совместном действии рассмотренных емкостей структура формулы коэффициента усиления также не изменится:
где 
- эквивалентная постоянная времени каскада в области низких частот:
Эти соотношения позволяют записать выражение для модуля коэффициента усиления и его фазы, которые используются для построения АЧХ и ФЧХ усилителя в области низких частот:
Кн уменьшается при понижении частоты..Это приводит к появлению частотных искажений. Для их количественной оценки используют коэффициент частотных искажений:
На нижней граничной частоте щн коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щн Мн= 0.707, а щн фн= 1. Отсюда можно определить щн по заданному значению фн:
Анализ УК в области высоких частот;
Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот (ВЧ) определяется инерционностью транзистора. Эквивалентная схема усилителя для области ВЧ следует из рис. 3.2, если в последней учесть конденсатор Ск*,а также частотно-зависимые параметры в(jщ) и rk*(jщ)
Найдём постоянную времени каскада в области ВЧ из выражения(fв=15000Гц):
с
Искомое выражение для коэффициента усиления области высоких частот получим, произведя замену параметров в и гk:
Запишем выражения для АЧХ и ФЧХ усилителя в области высоких частот:
Для количественной оценки ВЧ искажений водится коэффициент частотных искажений:
На верхней граничной частоте щв коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щв Мн= 0.707, а щв фв = 1.
При одновременном анализе усилителя во всем частотном диапазоне, т.е. по полной эквивалентной схеме, может быть получено следующее выражение для коэффициента усиления усилителя, модуля и фазы коэффициента частотных искажений:
Графики АЧХ и ФЧХ УК1 в области ВЧ и НЧ:
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Заключение
В данной курсовой работе рассмотрен принцип работы многокаскадного усилителя на БПТ с расчетом каждого каскада и построением выходных и входных характеристик для каждого транзистора всех каскадов усилителя. В соответствии с ГОСТ выполнены также чертеж печатной платы и спецификация сборочного чертежа печатной платы.
Рассчитывая усилитель, я усвоил основу работы усилительных устройств и электрических цепей в целом, научился пользоваться справочниками по микроэлектронике.
Список использованной литературы
1. Забродин Ю.С. “Промышленная электроника”: учебник для вузов. М.: Высш. школа,1982. 496с.
2. Носов А.А. “Проектирование усилителя на БПТ”: методические указания к курсовому проекту. Чуваш, ун-т. Чебоксары, 1996. 44 с.
3. Полупроводниковые приборы: Справ./ С.Г. Чебовский. М: Энергоатомиздат, 1985. 400с.
4. Резисторы: справ. Под ред. И.И. Четверткова. М: Энергоатомиздат. 1981.352с.
5. Справочник по электрическим конденсаторам. Под ред. И.И. Четверткова. М.:
Радио и связь. 1983 г. 352 с.
6. Справочник транзисторов для аппаратур широкого применения. Под редакцией Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с.
|
|
|
