Проектирование усилителя напряжения
"Проектирование
усилителя напряжения"
резистор усилитель эммиторный повторитель
Введение
Прежде чем начать рассчитывать усилитель, выберем некоторые его элементы
и условия моделирования.
В качестве транзисторов будем использовать нашедшие широкое применение в
практике КТ3102 и КТ3107.
Напряжение питания - 12 В
Напряжение источника сигнала - 0,1 мВ
1.Исходные данные. Усилитель мощности
у = 10000н = 10 Омвых = 2 Ввх = 10 кОм
2.Расчетная часть. Расчет входного каскада
Для получения высокого входного сопротивления входной каскад построим по
схеме с общим коллектором (эммиторный повторитель):
Рис. 1. Схема эммиторного повторителя
Особенностью этого каскада является высокое входное сопротивление, низкое
выходное сопротивление, выходной и входное сигналы синфазны, усиление только по
току.
Входное сопротивление подсчитывается по формуле:
Rвх=β(R2+Re)
где
β - коэффициент усиления тока транзистора в схеме с
общим эммитором; Re - объемное сопротивление эммиторного перехода; R2 -
нагрузочное сопротивление эммитора.
Для
выбранного транзистора β = 175; Re в справочных данных не указаны, по этому входное
сопротивление каскада определить не удается, но оно будет оценено ниже.
Определим
ток коллектора Ico (ток покоя в статическом режиме), при котором падение
напряжения на эммиторной нагрузке R2 во-первых, равное падению
напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эммитор), и во-вторых, было бы
меньше амплитудного значения при максимальном входном сигнале. Первое условие
запишется в таком виде:
I2*R2+Uce=Uпит
При
условии, что β>>1, ток коллектора можно принять равным току эммитора.
Ток покоя в таком случае вычисляется по формуле:
Ico=Uпит/R2
Возьмем
ток покоя равным 6 мА, тогда R2 будет равен
R2=U/I=2000
Ом
Сопротивления
R1 и R3 легко подбираются путем моделирования схемы.
Варьируя значения этих резисторов, добьемся максимального не искаженного
напряжения на выходе усилителя:
R1= 90 кОм; R2=
19 кОм.
Разделительный конденсатор C1
выберем равным 10 мкф. Т.к. в задании не указана рабочая частота усилителя,
будем полагать, что он работает в звуковом диапазоне. Т.е. полоса пропускания
должна быть как минимум от 20 Гц до 20 кГц [2].
3.Расчет вторичного каскада
Задача вторичного каскада - обеспечение усиления по напряжению и
согласование первичного и оконечного каскадов. Для вторичного каскада выберем
схему с общим эммитором:
Рис. 2. Схема с общим эмиттером
Особенности этой схемы - низкое входное сопротивление, высокое выходное
сопротивление, усиление по току и напряжению, входной и выходной сигналы
находятся в противофазе.
База транзистора VT2
будет подключена непосредственно к эммитору VT1, тем самым ток смещения VT2 будет задаваться током рабочей точки VT1. Блокировочный конденсатор C2 выберем равным 1000 мкф (из
условия, что проектируемый усилитель работает в звуковом диапазоне). R4 и R5 подбираются с помощью программы моделирования, исходя из
амплитуды и искажения сигнала:
R4 = 6
кОм; R5 = 500 Ом.
Коэффициент усиления по напряжению в этом случае составляет 45.
Коэффициент усиления следующего каскада должен составлять:
/45=222
4.Расчет выходного каскада
Выходной каскад будет построен по двухтактной схеме с обратной связью [3].
Для увеличения коэффициента усиления используем составные транзисторы. Для того
чтобы их «раскачать» понадобится еще один усилитель напряжения, выполненного на
транзисторе VT3:
Рис. 3. Схема усилителя мощности
Резистор R7 определяет
режим работы транзистора, R6
служит для компенсации напряжения открытия p-n перехода, т.е.
предотвращения искажения типа «ступенька» (или «пятка»):
Рис. 4. Искажение типа «ступенька» при замыкании R6
График смещен по оси Y на 1
вольт вверх. В действительности, эта «ступенька» находится на оси X.
R8 определяет глубину обратной связи, т.е. усиление по напряжению. С приведенными
элементами коэффициент усиления по напряжению этого каскада составляет 250.
5.Исследование характеристик усилителя
Полностью рассчитанный усилитель с номиналами элементов приведен на рис.
5.
Рис. 5. Усилитель
Схема состоит из одного не инвертирующего усилителя и двух инвертирующих,
тем самым мы получаем не инвертирующий усилитель.
Ток, текущий через конденсатор C1 равен 5 нА, напряжение источника сигнала - 0,1 мВ. По формуле Ома легко
найти входное сопротивление усилителя:
R=U/I=(0,1*10-3)/(5*10-12)=20 кОм
Изменяя частоту сигнала, можно определить рабочий диапазон частот
усилителя. Возьмем максимально допустимое затухание сигнала равным 1,5 дБ
(±10%) полоса пропускания в этом случае составляет 20 Гц - 50 кГц.
Рис. 6. Зависимости входного и выходного сигнала от времени (входной
сигнал измеряется в 1 мВ на деление, а выходной 500 мВ на деление)
Величина гармонических искажений, измеренная с помощью инструмента «Distortion Analyzer», на частоте 1 кГц, составила 1,972%
(-34,101 дБ). Такие параметры усилителя позволяют использовать его в
звуковоспроизводящей технике высокого класса [2]. Общий коэффициент усиления по
напряжению составил 11033, который регулируется в широких пределах резистором
обратной связи выходного каскада R8.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет всех элементов
усилителя, выявлены некоторые особенности его работы.
Также был получен навык моделирования электрических схем в программе
Multisim.
Графическая часть представлена электрическими схемами и эпюрами
напряжений.
Литература
.Функциональные
узлы усилителей Hi-Fi / Д. И. Атаев, В. А. Болотников. - М.: Издательство МЭИ,
ТОО «Позитив», 1994. - 224 с.: ил.
.Лучшие
конструкции 25-й выставки творчества радиолюбителей. Сборник. М., ДОСААФ, 1975.
- 184 с., ил.