Расчёт и анализ усилительных устройств на транзисторах
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Расчёт
трёхкаскадного усилителя переменного тока
. Схема
усилительного каскада с RC-связями
. Составление
схем замещения усилительного каскада
. Определение
передаточных функций усилительных каскадов
Построение
частотных характеристик трехкаскадного усилителя
Заключение
Список
используемых источников
Приложение
(перечень элементов)
ВВЕДЕНИЕ
Основной задачей курсового проекта по дисциплине “Общая электротехника и
электроника” является приобретение самостоятельных навыков инженерного расчета
современных усилителей.
При проектировании усилительных устройств значительное внимание уделяется
расчету и анализу электрических многокаскадных усилителей.
При расчете усилителей первоочередной задачей является проведение
сравнительного анализа схемотехники усилителей аналогичного назначения. Кроме
того, необходимо учитывать новейшие достижения усилительной техники и
современной элементной базы.
1. РАСЧЕТ ТРЕХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1. Исходные данные для расчета:
Uп=20В; Rн=47Ом; fн=17Гц; fв=3 104 Гц; КuΣ=97; Um=5В.
. Рассчитывают каскад на транзисторе VT3. При этом определяют максимальный эмиттерный ток
транзистора VT3 из условия, что на рабочей частоте
резисторы Rэ3 и Rн включены параллельно:
Iэ3max =2 Umвых(Rэ3+Rн)/(Rэ3 ×Rн).
Минимальное падение напряжения на резисторе Rк2
URк2 min=Uп -2×Umн - Uбэз -Uкэ2.
Сопротивление резистора Rк2
Rк2 =Urк2 min(h21эз+1)/Iэзmax.
Для обеспечения термостабильности каскада воспользуемся известным
соотношением
Rб=Rэ(Si -
1),
где Si=2…5-коэффициент нестабильности.
Так как для каскада на транзисторе VT3 Rб=Rк2, получаем
Urк2 min(h21эз+1)/Iэзmax=Rэз(Si-1).
Для выбора типа выходного транзистора допустим, что Rн=Rэз. Тогда транзистор должен отвечать
следующим требованиям:
Iкmax доп>Umвых(2/Rн)=0,43 А;
Uкэ max доп > Uп=20 В;
fр
> fв=3 104 Гц;
Pк
> (Uп - Um)2 /Rн=(20 - 5)2/47=4,79 Вт.
По полученным данным, по справочнику выбирают транзистор КТ 815А со
следующими параметрами:
Uкэ=40 В; Iкmax=1,5
А; Pк=10Вт h21э=40; fгр=5 МГц.
Полагая URэ2=2 В, Si=5, Uбэз=0.8 В, с учетом выражения для минимального напряжения на
резисторе Rк2, находят
Ом
Принимают Rэз=300 Ом.
. Рассчитывают каскад на транзисторе VT2:
Ом
Принимают
Rк2=1,2
кОм.
Определяют
ток покоя транзистора VT2
мА
Rэ2=Urэ2/Iк2п=2/0,01=198 Ом.
Принимают
Rэ2=200 Ом.
Транзистор
VT2 должен
отвечать следующим требованиям:
Iкmax
доп>Uп/Rк2=16,6 мА;
Uкэ max доп>Uп=20 В;
fр>3·104 Гц;
Pк max доп>IкпUкэп=20,2
мВт.
По
полученным данным по справочнику выбирают транзистор КТ 503Б со следующими
параметрами:
Uкэ max доп =25 В;
Iк max доп =150 мА;
Pк max доп =350 мВт;
h21=80-120;
fгр=5 МГц.
На
основе известного расчетного соотношения: Rб=Rэ(Si-1) получают
Rб2=Rэ2(Si-1)=200(5-1)=800 Ом.
Тогда
(Rбз·Rб4)/(Rбз+Rб4)=Rб2;
Uп·Rб4(Rбз+Rб4)=Urэ2+Uбэ2=Uб2.
Из
приведенных выражений при условии Uбэ=0.8 В находят:
Ом.
Принимаем 0,9 кОм.
Ом.
Принимаем 5,7 кОм
Ток покоя базы транзистора VT2
Iб2п=Iк2п/h21э=0,1263 мА.
Ток делителя на резисторах Rбз,Rб4
Iдел = Uп/(Rбз+Rб4)=20/(5700+900)=3 мА;
Iдел>>Iб2п-отвечает условию независимости выходного напряжения делителя
Uб2 от тока базы VT2 .
Сопротивление нагрузки каскада на транзисторе VT2
Rн=Rк2║(Rэз║Rн)h21эз=876 Ом.
Коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2 без учета действия цепи местной ООС (Rвх=663 Ом)
Кuк = Rк h21э/Rвх=70080 / 663=10,6.
/Rн2=1/Rбз+1/Rб4+1/Rвх=1/5,7+1/0,9+1/0,66;
Rн2=556 Ом.
. Рассчитывают каскад на транзисторе VT1.
Резистор Rк1 определяют из условия
Rк1=>>Rн2.
Принимают Rк1=5,6 кОм.
Ток покоя транзистора VT1 в
предположении , что Uк1=Uп/2, равен
Iк1п=(Uп-Uк1)/Rк1=1,8 мА.
Транзистор VT1 выбирают из
условий:
Iкmax доп >Uп/Rк1=3,6 мА; Uкэ max доп >Uп=20 В;
fр>3 · 104 ;
Pк max доп > Iк1п Uкэп=18 мВт.
Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ 301 Ж:
Uкэ=20 В, Iк=40 мА, Pк=150 мВт,
h21э=50…300 , fгр=60 МГц.
Ток покоя базы транзистора VT1
Iб1п=Iкп/h21э min=1,8/50=0,036 мА.
Принимают ток делителя на резисторах Rб, Rб2 равным
Iдел1 = 10 Iб1п.
Тогда
Rб1+Rб2=Uп/Iд1=20(10 ·0,2)=10 кОм.
Значение Rэ1=R′э1+R″э находят из
условия
Rб=Rэ(Si-1) в
предположении Si=5,5 и Uбэ1=0,75В
Rб1·Rб2/(Rб1+Rб2) = Rэ1(Si-1);
Uп Rб2/(Rб1+Rб2) = Uбэ1+IкRэ1.
Решая приведенные уравнения и округляя полученные значения до ближайших
из стандартного ряда величин, находят Rэ1=750 Ом;
кОм.
Rб1=56 - Rб2=51 кОм.
Для
введения общей цепи ООС резистор Rэ1
разделяют в соотношении
R′э1=680
Ом; R″э1=62 Ом.
Тогда
коэффициент усиления каскада транзистора VT1 по
переменному току
Кu1=Rн2║Rк1/RØэ1=8,2
Входное сопротивление усилителя для переменной составляющей находят из
условия
/Rвх=1/Rб1+1/Rб2+1/Rб2+1/(h21э1 RØэ1), откуда Rвх=5577 Ом.
5. Рассчитывают цепи связи и конденсаторы цепи местной ООС
Расчет конденсаторов схемы выполняют, полагая что разделительные и
эмиттерные конденсаторы формируют значение fн, а конденсатор Cос - значение fв усилителя. Так как усилитель
трехкаскадный, то для получения требуемого значения ωн необходимо, чтобы частота среза каждого каскада была
равна ωсрн<ωн/2. Тогда суммарный коэффициент усиления на частоте ωн достигнет 3 дБ.
Используя выражения для усилителя с RC-связями, получим
R2=(Rб Rc)/(Rб+Rс);
(Rc+Rб)Ср=RэСэ.
Тогда соответственно получим для каскада на транзисторе VT1:
R2=Rб1Rб2/(Rб1+Rб2)+h21·R″э=10,5кОм;
мкФ;
ωср = π·fн=17π.
Принимаем
Сэ1=200 мкФ;
Cр1=680·200·10-6 /10500=13 мкФ.
Для
каскада на транзисторе VT2:
/R2=1/Rб3+1/Rб4+1/Rк1,
откуда
R2=685 Ом.
мкФ.
Принимают
Сэ2=2000 мкФ;
мкФ.
Принимают
СР2=1000 мкФ
Конденсатор
Ср3 выбирают в предположении, что выходное сопротивление эмиттерного
повторителя равно нулю. Тогда для выходной цепи справедлива передаточная
функция
W(p)=T1p/(T1p+1),
где,
T1=Rн Cр3.
Отсюда
Ср3=1/ωсрRн=1/17π·47=398 мкФ.
Принимают
Ср3=470 мкФ.
.
Рассчитывают цепи общей ООС.
Цепь
общей ООС имеет передаточную функцию
W(p)оос=К(T1p+1)/(T2p+1),
где:
К=R″э1/(R″э1+Rос);
T1=Rос·Cос;
T2=Rос·R″э1·Сос/(Rос+R″э1).
Для расчета цепи ООС определяют частоты среза для каждого каскада
характеризующихся собственными частотными свойствами транзисторов.
Для каскада на VT1: fср1=60·106/300=200 кГц.
Для каскада на VT2: fср2=5·106/120=42 кГц.
Для каскада на VT3: fср3=5·106/40=125 кГц.
Суммарный коэффициент усиления усилителя без цепи ООС
КΣ=Кu1·Кu2=8,2·106=869
Требуемый коэффициент усиления КuΣ=110.
Тогда коэффициент передачи цепи по постоянному току
Отсюда
Rос=R″э1/К =7,8·10-3Ом.
Ф.
Принимают
Сос=1000 пФ.
2. СХЕМА УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С RC-СВЯЗЯМИ
При проектировании усилителей переменного тока необходимо правильно
выбирать элементы межкаскадной связи, поскольку именно эти элементы в большей
степени определяют полосу пропускания усилителя. Основным критерием выбора
элементов межкаскадной связи является уровень вносимых частотных искажений.
Задачей расчета является обеспечение уровня вносимых искажений не больше
заданного, т.е. обеспечение требуемой полосы пропускания усилителя.
Принцип расчета цепей межкаскадных связей одинаков для усилителей как на
биполярных транзисторах, так и на полевых транзисторах. Поэтому методику их
расчета рассмотрим на примере усилителя на биполярных транзисторах,
выполненного по схеме с общим эмиттером. Схема транзисторного каскада с
элементами RC-связи приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема трёхкаскадного усилителя переменного тока с RC-связями
В приведенной на рисунке 2 схеме многокаскадного
усилителя переменного тока первый и второй каскады усиления выполнены по схеме
с общим эмиттером, при этом в каждом из них использована последовательная ООС
по току нагрузки для обеспечения температурной стабилизации режима покоя.
Третий каскад усиления выполнен по схеме эмиттерного
повторителя, что позволяет уменьшить выходное сопротивление усилителя.
Для формирования высокочастотной
части характеристики усилителя использована цепь общей последовательной ООС по
выходному напряжению, которая увеличивает входное и уменьшает выходное
сопротивление усилителя. Для введения этой связи эмиттерный резистор
транзистора VT1 разбит на два последовательно
включенных. Это позволяет в первом каскаде усиления сохранить достаточный
коэффициент усиления по переменному току при требуемой стабильности режима
покоя.
3. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
а)
б)
Рисунок 2 - Схема замещения усилительного каскада с RC-связями на транзисторе VT1
-
источник входного сигнала;
-
сопротивление источника входного сигнала;
-
разделительный конденсатор на входе каскада на транзисторе VT1;
-
эквивалентное сопротивление входного делителя по переменному току выполненный
но резисторах 
и 
;
-
представляет выходное сопротивление схемы на рисунке 2а);
-
приведённое к базовой цепи сопротивление резистора 
;
-
приведённое к базовой цепи значение ёмкости 
;
-
собственное входное сопротивление транзистора VT1.
а)
б)
Рисунок 3-Схема замещения усилительного каскада с RC-связями на транзисторе VT2
-
источник сигнала с каскада на транзисторе VT1;
-
выходное сопротивление каскада на транзисторе VT1;
-
разделительный конденсатор между первым и вторым каскадом;
-
эквивалентное сопротивление входного делителя по переменному току выполненное
на резисторах 
и 
;
-
выходное сопротивление схемы на рисунке 3а);
-
приведённое к базовой цепи сопротивление резистора 
;
- приведённое
к базовой цепи значение ёмкости 
;
-
собственное входное сопротивление транзистора VT2.
а) б)
Рисунок
4-Схема замещения усилительного каскада с RC-связями на
транзисторе VT3
-
источник сигнала с каскада на транзисторе VT2;
-
выходное сопротивление каскада на транзисторе VT2;
-
сопротивление в цепи базы транзистора VT3;
-
приведённое к базовой цепи сопротивление резистора 
;
-
разделительный конденсатор 
;
-
сопротивление нагрузки усилителя (дано в задании).
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
Определим передаточную функцию каскада на транзисторе VT1. Для этого воспользуемся
эквивалентной схемой на рисунке 2. Для упрощения расчета будем выполнять
условие свойства одно направленности передачи сигнала и разнесении постоянных
времени, тогда схема на рисунке 2 разбивается на 2-е (рисунок 5).
Рисунок 5 - Представление схемы замещения каскада на транзисторе VT1 элементарными звеньями
При выполнении условия разнесения постоянных времени сопротивление R2 находится по формуле:
.
Составляем
передаточную функцию для первой схемы на рисунке 5 в операторной форме:
, где 
, 
Составляем
передаточную функцию для второй схемы на рисунке 5 в оперативной форме:
Где
, T21=R¢э С¢э;
.
Справедливость
этого разбиения будут соблюдаться при Т12>T21.
Определим
передаточную функцию каскада на транзисторе VT2. Для
упрощения расчета будем выполнять условие свойства одно направленности передачи
сигнала и разнесении постоянных времени, тогда схема разбивается на 2-е
(рисунок 6).
При выполнении условия разнесения постоянных времени сопротивление R2 находится по формуле:
.
Составляем
передаточную функцию для первой схемы на рисунке 6 в оперативной форме:
, где 
, 
Составляем передаточную функцию для второй схемы на рисунке 6 в
оперативной форме:
трехкаскадный усилитель частотный схема
Где
, T21=R¢э С¢э;
Справедливость
этого разбиения будет соблюдаться при Т12>T22.
Схема
замещения входной цепи транзистора VT3 содержит одну реактивность,
поэтому ее не следует разбивать на две части. Эту схему можно упростить:
R0=Rвых VT -
одновременно играет роль делительного сопротивления базы транзистора VT3.
Поэтому эквивалентную схему каскада на транзисторе VT3 можно
упростить (рисунок 7).
Рисунок 7 - Разделенная эквивалентная схема для входной цепи транзистора VT3
.
Составляем передаточную функцию схемы замещения на рисунке 7 в
оперативной форме:
,
Где
,
,
.
Найдем
передаточную функцию цепи общей ООС. Схема цепи ООС для определения
передаточной функции приведена на рисунке 7. Эта схема составлена составлена с
учетом предположения о равенстве нулю выходного сопротивления эмиттерного
повторителя.
Рисунок 8 - Схема ООС
Передаточная функция цепи ООС запишется в виде:
,
Где
,
,
.
5. ПОСТРОЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ
АЧХ и ФЧХ интегрирующей RC
цепи
Схема интегрирующей RC
цепи приведена на рисунке 9.
Рисунок 9 - Схема интегрирующей RC- цепи
Схема имеет следующую передаточную функцию:
,
Где
.
- частота
среза.
ЛАЧХ
RC-цепи имеет вид, представленный на рисунке 10а.
Фазочастотная
характеристика представлена на рисунке 10б.
а) б)
Рисунок
10 - ЛАЧХ(а) и ЛФЧХ(б) RC- цепи
ЛАЧХ и ЛФЧХ дифференцирующей CR- цепи
Схема дифференцирующей CR-
цепи приведена на рисунке 11.
Рисунок 11 - Схема СR-
цепи
CR-
цепь имеет следующую передаточную функцию.
,
Где
T=RC.
- частота
среза.
ЛАЧХ CR-цепи имеет вид, представленный на
рисунке 12а.
а) б)
Рисунок 12 - ЛАЧХ(а) и ЛФЧХ(б) CR - цепи
Фазочастотная характеристика представлена на рисунке 12б.
АЧХ и ФЧХ многокаскадного усилителя
Рисунок 13 - Схема трёхкаскадного усилителя переменного тока с
рассчитанными значениями
Для построения АЧХ и ФЧХ найдём коэффициенты T передаточных функций.
Для каскада на транзисторе VT1:
T11=RбCp1=
;
T12=Cp1(Rc+RБ)
;
T21=R’*э1C’э=
R’э1Cэ1=0.136(с);
.
а) б)
Рисунок 14 - ЛАЧХ(а), ФЧХ(б)
Для каскада на транзисторе VT2:
T11=RбCp2=
;
T12=Cp2(Rc+RБ)
;
T21=R’эC’э= Rэ2Cэ2=0.4(с);
.
а) б)
Рисунок
15 - ЛАЧХ(а), ФЧХ(б)
Для каскада на транзисторе VT3:
;
а) б)
Рисунок 16 - ЛАЧХ(а), ФЧХ(б)
Для выходной цепи:
.
Для
цепи ООС:
;
;
Для
построения ЛАЧХ каскадов сравниваем полученные функции с операторными функциями
для RC и CR цепей. Получаем ЛАЧХ каскадов и цепи ООС. Из
полученных графиков видно, что ЛАЧХ схем замещения каскадов в области средних
частот приближённо можно заменить ЛАЧХ CR-цепи, а общей
ООС RC-цепи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Требования к современным усилителям настолько высоки, что их невозможно
обеспечить одним каскадом усиления. Действительно, большое входное
сопротивление обеспечивает входной каскад с малым усилением, большой усиления -
маломощные промежуточные каскады, заданную мощность в нагрузке - мощный
выходной каскад. Ввиду этого усилительные устройства почти всегда оказываются
многокаскадными.
В многокаскадном усилителе выход предыдущего каскада соединяется с
выходом последующего. Связь каскадов осуществляется через конденсатор,
трансформатор или непосредственно.
В усилителях, выполненных в виде интегральных схем, возможны непосредственные
связи меду каскадами. Трансформаторную связь используют
В избирательных усилителях, а реализуется она на частично включенном
резонансном контуре. Конденсаторную связь применяют для подключения источника
сигнала ко входу ИС, выходу ИС к нагрузке или для связи отдельных усилителей
меду собой.
Достоинство каскадных усилителей проявляется при их
использовании для усилителей высокочастотных радиосигналов. Благодаря
уменьшению паразитной обратной связи, которая имеет место в однокаскадных
усилителях, в каскадных значительно уменьшаются собственные высокочастотные
шумы, обеспечивается устойчивость. Поэтому каскадные усилители используют в
качестве входных каскадов малошумящих высокочастотных усилителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опадчий
Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И., Аналоговая и цифровая
электроника.
М.: Радио и связь , 1996 . 768 с.
2. Ежов Ю.А.
Справочник по схемотехнике усилителей. - М.:И П Радио Софт, 2002.- 272с.:ил.
3. Манаев
Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1990.512с.
. Полупроводниковые
приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник - 2-е изд. /А.А Зайцев и др.;
под ред. А.В Голомедова.-М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-384с.
. Полупроводниковые
приборы транзисторы средней и большой мощности: Справочник 3-е изд./А.А Зайцев
и др.; под ред. А.В. Голомедова. -М.: КУБК - а,1995.-640с.
. Полупроводниковые
приборы: Справочник /Под ред. Н.Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1984.