Расчет усилителя НЧ

Для работы транзистора  КТ340А на постоянном токе должны выполняться  условия:

           Рк ≤ Рк.мах = 150мВт;

           Iк ≤ Iк.мах = 50мА;

           Uк ≤ Uк.мах =15 B

Аналитически  зависимость U _KЭо =f(I_КO) находят из уравнения:

Е_к = I_K0 (Rк + Rэ)+U_КЭ0                                                                   (4.28)

где I_КО- ток коллектора в режиме покоя;

U _КЭо- напряжение кэ в режиме покоя.

Сопротивление нагрузки каскада по постоянному  току:

Rн = Rк + Rэ=200Ом (по заданию)

     Выражение 1 является графическим уравнением прямой. В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка а) и короткого замыкания (точка б) выходной цепи каскада.

Для точки (а) I_ко=0 А; U_кэ0=Е_к= 0,7 • 15 = 10,5В

Для точки (б) U_кэ0=0 В; I_к0= EK/(RK+RЭ)= 10.5/200 = 0,05 А = 50мА 

     Откладываем эти значения по оси тока и напряжения и соединяя эти точки прямой, получаем линию нагрузки(рабочую характеристику). Затем на ней выбираем рабочий участок. Для получения большей выходной мощности возьмем участок АБ.

     По проекциям рабочего участка на оси координат определяем двойные амплитуды первых гармоник переменных составляющих выходного и выходного напряжения 2I_К.M и 2U_КЭ.М.

     После этого можно найти выходную мощность:

 Рвых = 0,5 • 2I_К.M • 2U_КЭ.М.= 0,5 •14,85 •10 ^-3 • 3,25 = 24,1мВт

    Рабочая    т. Т    определяется,    как    половина    разности    токов    базы, соответствующих т.А и Б, а так же ток I_K0 и напряжения U_КЭ.М0 в режиме покоя. По этим значениям можно найти мощность Р_к0, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя, которая не должна превышать предельной мощности Р_к._мах, являющейся одним из параметров транзистора:

Р_к0 = I_K0 • U_КЭ.М = 22 • 10 ^-3 • 5,1 = 112,2мВт ≤ 150мВт (из справочника)

      Расчет входных токов и напряжений можно приближенно делать по входной характеристике при U_КЭ >0, взятой из справочника. На эту кривую переносятся точки А,Т и Б выходной рабочей характеристики, и получаются точки А₁ , Т₁, Б₁ (приложение 3).

     Проекция рабочего участка А₁Б₁ на ось напряжения выражает двойную амплитуду входного напряжения 2U_БЭ.М, проекция рабочего участка А₁Б₁ на ось тока выражает двойную амплитуду входного тока 2I_Б.М.

Зная I _Б.М и U_БЭ.М можно рассчитать входную мощность каскада Р_вх по формуле:

Рвх = 0,5 • I_Б.М • U_БЭ.М = 0,5 • 0,1 • 10 ^-3 • 0,04 = 0,002мВт

      Рабочая точка Т₁ определяет также постоянное напряжение базы U_БЭ.0

      Важнейшими параметрами каскада являются его коэффициенты усиления по току К_I  напряжению К_U, мощности К_р, а также входное и выходное сопротивления. Их можно определить пользуясь построениями (рисунок 2 и 3).

Входное сопротивление

R_ВХ=U_М.ВХ/I_M.BX=U_{БЭ М} / I_Б.М  =0.04/(0.1 · 10^-3 ) = 0.4 кОм

   Коэффициент усиления по напряжению

К_U = U_М.ВЫХ /U_М.ВХ ,

где  _UМ.ВЫХ= (U_кэ max – U_кэ min)/2=(8.6-2.1)/2=3.25 B

U_М.ВХ = (U _БЭ max – U_БЭ min)/2=(0.74-0.63)/2=0.055 B

К_U = U_М.ВЫХ /U_М.ВХ = 3.2/0.055 =53

       Коэффициент усиления по току

К_I = I_М.ВЫХ /I_М.ВХ =14.85/0.1 =148.5

       Коэффициент усиления по мощности

К_р =К_U · К_I = 53 · 148,5 = 7844

        Приближенно   можно   считать,    что   постоянная   составляющая   тока коллектора в режиме усиления равна току покоя I_K0 .                                     

          Тогда мощность Р₀, затрачиваемая источником Е_к определяется:

Р₀ = E_к • I_K0 = 15 · 22 · 10 ^-3 = 0,33мВт

          а КПД каскада

η = Р_ВЫХ / Р₀ = 24.1/ 0.33 = 73% 

       2 Аналитический расчет 

         Расчет  рабочего  режима  является  приближенным,   что  допустимо  во многих случаях, т.к. параметры транзисторов имеют разброс.

1. Коэффициент усиления усилителя по напряжению является одним из наиболее важных параметров усилителя:

К_U = U_М.ВЫХ /U_М.ВХ = 15/ 0.6 = 25

т.к. U_бэ в большинстве практических расчетов принимается равным для кремниевых транзисторов (0,6-0, 7)В, а U_КЭ =Е_к=15В

       2.  Важными параметрами усилителя являются его входные и     выходные сопротивления

           R_ВХ=U_М.ВХ/I_M.BX=U_БЭ  / I_Б. ;

Или

          К_U = К₁ · R_H / R_BX  R_BX = К₁ · R_H / К_U

          К₁ =h₂₁=250; R_н=200Ом

         R_BX = К₁ · R_H / К_U = 250 · 200/ 25 = 2000Ом (совпадает с заданным)

или для лучшей работы схемы R_вых= R_к, которое обычно принимают от         (3-5) R_Н

      R_вых=1000Ом=1кОм

         Коэффициент усиления по мощности

        К_р = К_U ·К_I =25 · 250 = 6250 

      3 Расчет параметров электрической схемы усилителя

 

      Для расчетов режима работы усилительного каскада воспользуемся схемой усилителя, в которой транзистор включен по схеме с ОЭ и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы, (см. схему ). Основными элементами схемы являются: источник питания Ек, усиливаемый элемент транзистор Т и резистор в цепи коллектора. Эти элементы образуют главную цепь усиливаемого каскада, в которой за счет протекания управляемого тока базы создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы являются вспомогательными. Конденсатор С₁, называемый разделительным, препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току. Конденсатор С₂ также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Конденсатор С_э обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения. Резисторы R₁ , R₂ используют для задания режима покоя каскада. Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада. 

    Расчет схемы термостабилизации

  

     Основная идея реализованная в схеме эмиттерной стабилизации состоит в том, чтобы зафиксировать ток I_Э и через этот ток (I_К= I_Э) с указанной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение U _RЭ .

    При этом оказывается, что

    I_Э = U _RЭ / R_Э = const .

     Для    создания    требуемого    напряжения    U _{RЭ э}    используют    делитель напряжения  на резисторах R₁ и R₂  ,  сопротивления резисторов R₁ и R₂  выбирают настолько малым, что величина тока I_б практически не влияет на величину напряжения U _RЭ.

      При этом

U _R2 = Е_К · R₂ /(R₁ + R₂)

     В соответствии со вторым законом Кирхгофа

U _RЭ = U _R2 - U _БЭ .

     При воздействии дестабилизирующих факторов величина U _БЭ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина U _RЭ. На практике обычно величина U _RЭ составляет небольшую долю Е_к

    Напряжение U _RЭ выбирают из соотношения:

U _RЭ =Е_К(0, 1 ... 0,3)= 0,1 · 6,65 = 0,66В

    Так как

Е_К =(U_ЭК + I_K · R_H)/0.7 … 0.9 = (3.25+0.01· 200)/0.7 = 8.1 B

     Учитывая, что I_К= I_Э определяем R_э

R_э = U _RЭ / I_К = 0.66 / 0,0016 = 413 Ом.

     Определим максимальный ток базы I_б._мах соответствующий минимальному значению β_мин коэффициента β

I_б._мах = I_К / β=0.01/100=0.1мА

     Выбираем   ток   делителя   на   резисторах  R₁ , R₂ протекающий   при отключении базы транзистора от делителя.

      При этом воспользуемся соотношением I_ДЕЛ =(8…10)I_БMAX   

I_ДЕЛ =0.1·10=1мА

      Находим сумму сопротивлений R₁ + R₂

R₁ + R₂ = Е_К / I_ДЕЛ = 15/ 1 · 10 ^-3 = 15кОм

      Определяем напряжение

U _R2 = U _RЭ + U _БЭ

      При этом считаем, что U _БЭ = (0,6. . .0,7)В

U _R2 =0.66+0.6=1.26 В

     Определяем сопротивление R₂

R₂ = U _R2 / I_ДЕЛ =1.26 /1 · 10 ^-3 = 1.26 кОм

     Используя  вычисленное R₁ + R₂ получаем

R₁=( R₁ + R₂ ) - R₂=15-1.26=13.7кОм

      Определяем коэффициент нестабильности

К_нест= R₂/ R_э= 1,26/0,43=2,9

     В случае применения схемы с эмиттерной стабилизацией стабильность улучшается по сравнению со схемой без стабилизации в К_ул. раз.

    К_ул =h₂₁ R₂/ R_э=100 * 0,43/1,26=34,1 раза

   Граничная частота транзистора

  f _гр = | h 21| /f _изм

  f _гр = 3* 12000 =36 кГц. 
 
 
 
 
 

       1.5 ПОЛНАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА

 

   Собрав  все рассчитанные ранее блоки  в единое целое, составим полную принципиальную схему разрабатываемого устройства, удовлетворяющую заданным условиям.

   Схема приведена в приложении 5 и 6.

   Спецификация на детали схемы приведена в приложении 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

               ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

    В настоящее время электронная аппаратура с навесными транзисторами, конденсаторами, резисторами и другими дискретными элементами, т. е. аппаратура так называемого второго поколения, энергично вытесняется аппаратурой третьего поколения, использующей интегральные схемы, а в отдельных случаях - аппаратурой на больших интегральных схемах, принадлежащей уже к четвертому поколению. Этот процесс особенно заметен в низкочастотной и вычислительной аппаратуре, т.е. в автоматике, измерительной технике, аппаратуре телеуправления, вычислительных комплексах. Если раньше основными структурными элементами электронных схем, из которых конструировалось радиотехническое устройство, были транзистор, конденсатор, сопротивление и пр., то сейчас устройство собирается из структурных элементов, которые выполнены в виде интегральных схем. Теперь разработчику радиоэлектронной аппаратуры нет необходимости детально анализировать сложное внутреннее устройство интегральной схемы, а нужно знать в основном лишь ее входные и выходные параметры. Это, безусловно, упрощает создание электронной схемы и значительно расширяет круг людей, которым под силу создавать разнообразные электронные устройства и приборы.

      В последние годы происходит серьезное изменение структурного базиса электроники. Переход электроники на новый уровень заставляет современного радиоинженера мыслить системными, функциональными категориями. Но сами эти категории вырабатываются и формулируются на основе интегрирования «старых», традиционных понятий. Естественно, что переход электроники на новый уровень связан не только с количественными, но и с качественными изменениями, появлением новых методов анализа и синтеза электронных устройств. Поэтому возникает довольно сложная задача выбора оптимального соотношения между традиционными методами изложения того или иного раздела современной электроники и тем подходом, который выработался в последнее десятилетие. Приходится затрагивать вопросы и анализа, и синтеза, ибо только в единстве этих двух подходов можно с необходимой полнотой охарактеризовать электронные устройства.