Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Зміст
Вступ |
3 |
|
|
1. |
Попередній розрахунок ПНЧ |
7 |
|
1.1. Розробка технiчного завдання |
7 |
|
|
1.2. Розробка структурної схеми ПНЧ |
8 |
|
|
1.3. Попереднiй розрахунок кінцевого каскаду ПНЧ |
10 |
|
|
1.4. Розробка електричної принципової схеми ПНЧ |
12 |
|
|
2. |
Остаточний розрахунок ПНЧ |
14 |
|
2.1. Остаточний розрахунок кінцевого каскаду ПНЧ |
14 |
|
|
2.2. Розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ |
17 |
|
Висновок |
24 |
|
|
Список використаної літератури |
25 |
|
Характерною рисою сучасних електронних підсилювачів є виняткове різноманіття схем, по яких вони можуть бути побудовані. Однак серед цього різноманіття можна виділити найбільш типові схеми, що містять елементи й ланцюги, які найчастіше зустрічаються в підсилювальних пристроях незалежно від їхнього функціонального призначення. До числа таких типових підсилювальних схем варто віднести каскади підсилювачів низької частоти. Тому вивчення підсилювальних пристроїв доцільно почати саме з розгляду схем ПНЧ, з'ясування принципів їхньої побудови, призначення окремих елементів і порядку їхнього розрахунку.
Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для посилення потужності електричного сигналу без спотворення його форми і частоти (для лінійного підсилювача).
Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричного сигналу, називається підсилювальним каскадом.
Сучасні ПНЧ виконуються переважно на біполярних і польових транзисторах у дискретному або інтегральному виконанні, причому підсилювачі в мікровиконанні відрізняються від своїх дискретних аналогів, головним чином, конструктивно технологічними особливостями, схемні ж побудови принципових відмінностей не мають.
Як правило, пiдсилювачi складаються із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу. Вхiднi каскади та каскади попереднього підсилення виконуються, як правило, у вигляді підсилювачів напруги. Вихiднi каскади - кiнцевi - зазвичай є підсилювачами потужності або струму. Пiдсилювачi вiдрiзняються один від одного кiлькiстю каскадів, режимом роботи. Але всім їм притаманнi загальнi принципи побудови.
Призначення підсилювача в остаточному підсумку складається в одержанні на заданому опорі кінцевого навантажувального пристрою необхідної потужності посилюваного сигналу.
Пiдсилювачi класифiкуються за такими ознаками:
1) призначення;
2) частота сигналу, що пiдсилюється;
3) форма сигналу;
4) характер змiни з часом сигналу, що пiдсилюється.
Bci цi ознаки накладають специфiчнi вимоги до побудови конкретних схем пiдсилювачiв.
За призначенням пiдсилювачi подiляються на пiдсилювачi напруги, струму та потужностi. Тобто вони забсзпечують на виходi необхiдний piвeнь напруги, струму або потужностi (хоча за своєю суттю вci вони є пiдсилювачами потужностi).
За частотою пiдсилювачi подiляються на пiдсилювачi низької частоти (вiд одного герца до десяткiв кiлогерц), середньої частоти (вiд десяткiв кiлогерц до мегагерца) та високої частоти (бiльш за мегагерц).
За формою сигналу, що пiдсилюється, вони подiляються на пiдсилювачі гармонічних та iмпульсних сигналів.
За характером змiни вхiдного сигналу з часом бувaють пiдсилювачi постiйного та змiнного струму.
За видом зв'язку мiж джерелом сигналу та каскадами пiдсилювачi подiляються на пiдсилювачi з безпосереднiм, резистивним, оптронним, резистивно-ємнiсним, трансформаторним або резонансно-трансформаторним зв' язком.
Першi три види зв'язку можуть використовуватися у пiдсилювачах як постiйного, так i змiнногo струму, решта - тiльки у пiдсилювачах змінного струму.
Пiдсилювальнi властивостi пiдсилювача оцiнюються такими характеристиками:
У багатьох випадках коефiцiєнт пiдсилення представляють у логарифмiчних одиницях - децибелах (дБ).
Найважливiшими характеристиками пiдсилювачiв є: амплiтудна та
аплiтудно-частотна характеристика.
Амплiтудна характеритика являє собою залежнiсть вихідної напруги вiд вхідної.
Амплiтудно-частотна характеристика (АЧХ) - це залежнiсть коефіцієнта пiдсилення вiд кругової частоти. З АЧХ визначають робочий дiапазон частот пiдсилюваного сигналу.
Як джерело вхідного сигналу в ПНЧ можуть використовуватися такі пристрої, як мікрофон, фотоелемент, термопара, детектор і т.п. Типи навантажень також досить різноманітні. Ними можуть бути, наприклад, гучномовець, вимірювальний прилад, записуюча головка магнітофона, наступний підсилювач, осцилограф, реле.
Більшість із перерахованих вище джерел вхідного сигналу розвивають дуже низьку напругу.
Подавати її безпосередньо на каскад посилення потужності не має смислу, тому що при такій слабкій керуючій напрузі неможливо отримати скільки-небудь значні зміни вихідного струму, а отже, і вихідної потужності. Тому до складу структурної схеми підсилювача, крім вихідного каскаду, що віддає необхідну потужність корисного сигналу в навантаження, як правило, входять і попередні каскади підсилення.
Ці каскади прийнято класифікувати по характеру опору навантаження у вихідному ланцюзі транзистора. Найбільше застосування одержали резистивні, підсилювальні каскади, опором навантаження яких служить резистор.
У якості навантаження транзистора може бути використаний і трансформатор. Такі каскади називають трансформаторними. Однак внаслідок великої вартості, значних розмірів і маси трансформатора, а також через нерівномірність амплітудно-частотних характеристик (трансформаторні каскади попереднього підсилення застосовуються дуже рідко. Основне застосування ці схеми знаходять у вихідних каскадах підсилювачів.
У каскадах попереднього підсилення на біполярних транзисторах частіше інших використовується схема із загальним емітером, що має високий коефіцієнт посилення по напрузі й потужності, порівняно більшим вхідним опором і допускає використання одного спільного джерела живлення для ланцюгів емітера й колектора.
Звичайно попередні каскади посилення виконуються на малопотужних транзисторах і споживають від джерел живлення незначну потужність. Амплітуда вхідного сигналу, у цих підсилювачах у більшості випадків невелика, і робітничу ділянку характеристики транзистора можна вважати лінійною. Тому при розгляді роботи каскадів попереднього підсилення не цікавляться коефіцієнтом корисної дії каскаду, а нелінійні перекручування сигналу вважають мізерно малими.
Оскільки вихідні каскади споживають від джерел живлення значно більшу потужність, то їхній коефіцієнт корисної дії повинен бути досить високим, тому що в остаточному підсумку він визначає економічність усього підсилювача. Для виділення в навантаженні заданої потужності на вхід каскаду потужного посилення подається більша амплітуда сигналу, що захоплює значну область характеристик транзистора. Тому збільшення потужності, яка розвивається підсилювачем у навантаженні, супроводжується зростанням нелінійних перекручувань. Варто також мати на увазі, що через велику амплітуду вхідного сигналу параметри транзистора за період сигналу змінюються в широких межах.
У зв'язку із цим розрахунок потужності, що віддається каскадом, його коефіцієнта підсилення й коефіцієнта нелінійних перекручувань роблять графічним способом по характеристиках транзистора, тому що при аналітичному розрахунку цих величин із використанням малосигнальних параметрів транзистора можуть бути допущені великі помилки.
Величина максимальної неспотвореної потужності й к.к.д. кінцевого каскаду залежить від типу транзистора, режиму роботи й схеми каскаду. При невеликій вихідній потужності (від міліватів до десятих доль вата) у каскадах потужного посилення застосовують ті ж транзистори, що й у попередніх каскадах.
Для одержання середньої й великої потужності (одиниці - десятки ват і вище) використовуються спеціальні потужні транзистори. У вихідних каскадах, так само як і в попередніх, найчастіше використовується схема із загальним емітером. У цьому випадку коефіцієнт підсилення сигналу по потужності виходить найбільшим і, отже, потрібні найменша вихідна потужність від попереднього каскаду й найменше посилення від попереднього підсилювача.
Відзначимо також, що вихідні каскади, підсилювачів можуть бути побудовані по однотактній або двотактній схемам, що істотно відрізняються друг від друга.
1. Попередній розрахунок ПНЧ
1.1. Розробка технiчного завдання
Для попереднього розрахунку ПНЧ вихiдними даними є:
Рвих = 4 Вт;
Rн = 8 Ом;
Uвх = 40 мВ;
Rдж = 500 Ом;
fн – fв = 50-20000 Гц.
Вважаємо, що ПНЧ працює в стацiонарних умовах. Температура оточуючого середовища: Тmin= +15ºС; Тmax= +25ºC.
Після завдання вихiдними даними на проектування ПНЧ необхiдно перейти
до розробки його структурної схеми.
1.2. Розробка структурної схеми ПНЧ
Порядок розрахунку ПНЧ:
а) Знаходимо потужність вхідного сигналу. Зауважимо, що найбільша потужність віддається навантаженню, коли його опір дорівнює внутрішньому опору джерела (Rвх = Rдж). Тоді
,
де Rвх – вхідний опір першого каскаду ПНЧ.
б) Знаходимо потрібний коефіцієнт підсилення за потужністю. У загальному випадку коефіцієнт підсилення за потужністю розраховують за такою формулою:
, (1)
де - к.к.д. вхідного трансформатора, задається у межах (0,7...0,8);
- к.к.д. вихідного трансформатора, задається у межах (0,75...0,85);
Крег – коефіцієнт передачі регулятора рівня сигналу, задається у межах (0,3...0,5).
Оскільки для вихідного каскаду обрали двотактну без трансформаторну схему, то з формули (1) треба вилучити величини і . Тоді маємо:
Виразимо коефіцієнт підсилення за потужністю у децибелах:
в) Знаходимо орієнтовну кількість каскадів m та складаємо структурну схему ПНЧ. ПНЧ складається із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу. Для попереднього підсилення, як правило, використовують підсилювач з СЕ. За певних умов можна вважати, що кожний підсилювач за схемою з СЕ забезпечує підсилення за потужністю приблизно на 20 дБ. Тоді
=3.611.
Отримане значення т округляємо до найближчого більшого цiлого.
m = 4.
Оскiльки безтрансформаторнi кiнцевi каскади найчастiше будуються на oснoвi каскадiв з СК, що не мають пiдсилення за напругою, то можна вважати величину їхнього пiдсилення за потужнiстю рiвною 10 дБ.
У такому разi пiдсилення схеми складе:
.
Структурна схема ПНЧ наведена на рис.1, де цифрами 1-3 позначено каскади попереднього підсилення, а цифрою 4 – вихідний (кінцевий) каскад.
Uвх
1
2
3
4
Rн
1.3. Попереднiй розрахунок кінцевого каскаду ПНЧ
Вiдома велика кiлькiсть рiзноманiтних схем iз безтрансформаторним виходом, якi вiдрiзняються за типом провiдностi транзисторiв, способом їх включення, режимом роботи (АВ або В), а також видом зв'язку кiнцевого каскаду з попереднiм та навантаженням.
При цьому зважаємо на наступнi рекомендацii:
Виходячи з цього, перевагу належить вiддати безтрансформаторному каскаду пiдсилення на транзисторах рiзного типу провiдностi та режиму АВ. Клас АВ має меншi викривлення сигналу, нiж клас В. Живлення такого каскаду можливе вiд однополярного джерела. У такому випадку навантаження пiдмикається через конденсатор великої ємнocтi.
Тип транзистора вихiдного каскаду вибираємо за величиною максимально допустимої потужностi, що розсiюється на його колекторi - Рк макс, а також максимальному струму колектора - Iк макс, та за частотними особливостями –fh21Е:
На підставі знайдених значень вибираємо комплементарну пару транзисторiв p-n-p i n-р-n типу з достатньо близькими за значеннями параметрiв та характеристиками. Обираємо такі типи транзисторів: КТ814А і КТ815А.
Напругу джерела живлення обирають за умовою:
2UK max≥ ЕK ≥ 2(Uк нач + Um вих),
де UK max - максимально допустима нaпруга на колекторi;
UK нач ≈ 1 В - колекторна напруга, при якій транзистор входить в режим насичення (визначається з вихiдних статичних (характеристик обраного транзистора);
Um вих= Umн= - амплітуда вихідної напруги.
Отримаємо співвідношення:
80 ≥ ЕK ≥ 18.
Табл. 1
Величину напруги живлення обирають з ряду номiнальних значень до бiльшого значення з табл. 1.
|
5 |
6 |
9 |
12 |
15 |
24 |
30 |
36 |
Вона становить:
ЕK=24 В.
1.4. Розробка електричної принципової схеми ПНЧ
На основі структурної схеми складаємо орієнтовну принципову схему ПНЧ. У цій схемі каскади попереднього підсилення виконано на транзисторах VТ1-VT3, а кінцевий безтрансформаторний каскад підсилення побудований на транзисторах різного типу провідності – VТ4, VT5. Транзистор VТ5 повинен мати такі ж параметри, як і VТ4, але бути, протилежного типу провідності. У нашому випадку ролі транзисторів VТ4 і VT5 виконують КТ816А і КТ817А. Кожен з транзисторів разом з навантаженням тут утворює схему з СК. Характерна особливість такої схеми - для неї не потрібен фазоінверсний каскад. Для забезпечення живлення кінцевого каскаду від однополярного джерела, його підмикання до передкінцевого каскаду і до навантаження здійснюється через конденсатори С8, С10.
Резистор R9 є регулятором рівня вихідного сигналу.
Конденсатор С7 - фільтр напруги живлення каскадів попереднього підсилення.
Величина опору резистора R14 зазвичай складає декілька десятків Ом.
Кінцевий каскад працює в режимі класу АВ, що забезпечується дільником R5, R6. Прямий опір діода VD створює необхідну напругу зміщення (близько 1,5 B) між базами транзисторів VТ4, VT5, a також виконує функції елемента схеми термокомпенсації. Тоді, зі змінами температури транзисторів (що викликає зміну контактної різниці потенціалів база-емітер) будуть пропорційно змінюватись і напруги зміщення транзисторів. Невелике значення напруги зміщення (0,6 - 0,7)В, визначає незначний (десятки міліампер) наскрізний струм транзисторів VТ4 і VT5. Струм у навантаженні при цьому відсутній.
Оскільки величина опору VD незначна, можна вважати, що за змінним струмом бази транзисторів VТ4 і VT5 з'єднані.
Для попереднього підсилення використовують підсилювачі з СЕ.
У якості активного елемента застосуємо малопотужний транзистор n-р-n типу. Всі каскади попереднього підсилення мають бути побудовані по одному принципу і включати в себе однакові елементи.
Отримані в результаті попереднього розрахунку дані є основою для остаточного розрахунку ПНЧ.
2. Остаточний розрахунок ПНЧ
2.1. Остаточний розрахунок кінцевого каскаду ПНЧ
З нашої електричної принципової схеми ПНЧ виділимо і зобразимо на рис. 2 схему кінцевого каскаду підсилення на комплементарних парах транзисторів.
Рис. 2. Безтрансформаторний кінцевий каскад підсилення на комплементарних парах транзисторів
Uвх
Спочатку всі параметри обраних транзисторів необхідно виписати у вигляді таблиці (табл. 2), а потім привести його вхідну та вихідну характеристики у масштабі, достатньому для точних графічних побудов.
Таблиця 2
|
Тип |
Структура |
РК max, мВт |
h21Е (β) |
fh21, МГц |
UК max, В |
IК max, мА |
|
КТ814А |
p-n-p |
1000 |
>40 |
3 |
40 |
1500 |
|
КТ815А |
n-p-n |
1000 |
>40 |
3 |
40 |
1500 |
Порядок розрахунку:
UКЕ=ЕК/2=12 В;
IK=EK/2Rн=1,5 А.
Рвих=0,5Umн*IKн=0,5*8*1,2=4,8 Вт.
UКЕ=ЕК/2=12 В;
IK0=(0,050,1)IKн=0,06 А.
Тоді IБ0= IK0/=0.06/50=1.2 мА.
IБm= I’Бm- IБ0=34 мА;
UБEm=U’БEm- UБE0=0,4 В.
Орієнтовне значення вхідного опору транзистора становить rвх=UБEm/ /IБm=11,834 Ом. Вхідна потужність кожного плеча складає
Рвх= 0,5UБEm*IБm= =6,76 мВт, та дорівнює потужності, яку потрібно віддати транзистору пepeдкінцевoгo каскаду.
Опір резисторів R15 та R16 обирають однаковими:
R15=R16=(ЕК-2UБЕ0)/2Iд,
де Iд – струм в дільнику, який повинен бути не менше (25)ІБ0.
Iд=3 мА
R15=R16=3800 Ом.
Rвx=*Rд*Rн /(*Rн+Rд),
де Rд = R15/2=1800 Ом - опір дільника.
Rвx=330,435 Ом.
Значення отримуються в мікрофарадах.
С2=3,186 * 10-4 Ф
2.2. Розрахунок каскаду попереднього підсилення ПНЧ
Розглянемо методику розрахунку каскаду попереднього підсилення з СЕ, електрична принципова схема якого наведена на рис. 3, за такими вихідними даними (частина отримуються у результаті попереднього розрахунку):
Як і для попереднього розрахунку, вважаємо, що ПНЧ працює у стаціонарних умовах. Необхідно визначити:
При побудові схеми каскаду будемо використовувати елементи з допустимим відхиленням від номінальної величини: 5 % (виходячи з цього, в результатах розрахунку можна залишати не більше трьох значущих цифр).
Uвх
Рис.3. Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі
Порядок розрахунку
1. Перевіримо правильність попереднього вибору транзистора.
Для нормального режиму роботи транзистора:
1) допустима напруга між колектором та емітером повинна перевищувати напругу джерела живлення
UКmах>ЕK;
2) величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора
ІКmах>ІК0+ІКm ІКmах>0.099
де ІК0 – струм спокою у колі колектора;
ІКm - амплітуда змінної складової струму у колі колектора;
ІКm=Uвих.m/Rн≈, ІКm=0.048
де Rн≈=RK*Rвx/RK+Rвx - еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом. При цьому RK є навантаженням за постійним струмом.
Виходячи з того, що даний каскад є підсилювачем потужності, для забезпечення максимальної передачі потужності задаємо:
RK=Rвx. RK=330,435
Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають
ІК0=(1,05...1,1)ІКm; ІК0=0.051
На підставі цих обмежень необхідно вибрати транзистор.
2. Знаходимо напругу між колектором та емітером транзистора у режимі спокою:
UКЕ0=Uвих.m+Uосm,
де Uосm – напруга, між колектором та емітером, нижче якої при роботі каскаду виникають значні нелінійні викривлення через те, що у робочу зону потрапляють ділянки характеристик транзистора зі значною кривизною. Для малопотужних транзисторів як правило задають Uосm= 1 В.
UКЕ0=9
3. Знаходимо потужність, що виділяється на колекторі транзистора:
РК=ІК0*UКЕ0. РК= 0.61
При цьому необхідно забезпечувати виконання умови:
Таким чином, перевіряємо, чи вибраний тип транзистора відповідає вимогам за потужністю.
4. Знаходимо опір навантаження у колі колектора:
RK=Rвx. RK=330,435
Потужність, що розсіюється у резисторі:
P=І2R.
Отже
РRк= ІК02RK РRк=1,19
Вибираємо резистор за потужністю та опором.
5. Знаходимо опір резистора RE у ланцюгу термостабілізації:
Re=80
При цьому необхідно виконувати співвідношення
RЕ/ RK=(0,1...0,4) RЕ/ RK= 0,242
для забезпечення умов температурної стабілізації режиму спокою каскаду.
Потужність, що розсіюється в RE
РRЕ=ІК02RЕ РRк=0.288
Вибираємо резистор за потужністю та опором.
6. Знаходимо ємність конденсатора СЕ.
Ємність СЕ обирають за умови, що його опір на частоті fн повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора RE.
, СЕ=96,331
де множник 106 дозволяє отримувати значення ємності у мікрофарадах.
Робоча напруга на СЕ
UС= ІК0*RЕ. UС=4,8
Вибираємо конденсатор.
7. Знаходимо величину струму спокою бази транзистора:
. IБО=1.2 мА
8. Знаходимо величину напруги спокою між базою та емітером транзистора.
Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази
UБ0=0,6 В
і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора
rвх= UБ0/IБ0 rвх=500
9. Знаходимо величини опорів резисторів дільника R1, R2.
Iд=(25)IБ0,
що забезпечує незалежність задання режиму спокою транзистора при зміні його параметрів під впливом температури, при заміні на інший і т.п.
Падіння напруги на резисторі RE складає
URЕ=(IБ0+IК0)* RЕ. URЕ=4,896
R1=4406 Ом R2=1832 Ом
Знаходимо потужність, що виділяється в резисторах R1 і R2.
;
PR1=0,078 PR2=0,034
Вибираємо резистори за потужністю та опором.
10. Знаходимо ємність конденсатора C2.
Ємність С2 обирається за умови забезпечення допустимого значення коефіцієнта частотних викривлень МН:
C2=5,142
значення якої отримується в мікрофарадах.
Робочу напругу C2 приймаємо рівною
UC2=1,5 EK. UC2=36
Вибираємо конденсатор.
11. Знаходимо амплітудні значення струму й напруги на вході каскаду:
де - мінімальне значення коефіцієнта передачі струму в схемі з СЕ для обраного транзистора.
Uвх.m=Iвх.m*rвх. Uвх.m=0,605
Необхідна потужність вхідного сигналу
12. Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення напругою та потужністю:
К1=20
КU=13,217
Kp=264,348
[Kp]дБ=24,222
Каскад розраховано вірно, якщо значення коефіцієнта підсилення за потужністю дорівнює приблизно 20 дБ, як було прийнято раніше.
Висновок
Метою цієї роботи був розрахунок сучасного ПНЧ. Чому сучасного? По-перше, вихідний каскад будується на компланарних парах транзисторів і працює в режимі АВ, по-друге, в ПНЧ використовуються лише біполярні транзистори і не використовуються трансформатори. Отже після проведеної роботи я отримав навички розрахунку підсилювача низької частоти, використання транзисторів. Дивлячись на результати роботи можна вважати, що поставлена мета була досягнута. Оскільки ми отримали підсилювач який здатен підсилювати сигнал до потрібного рівня з точністю майже 100%.
Список використаної літератури