Проектирование усилителя низкой частоты (стр. 1 из 4)

Усилителями называют устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов - усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющей сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, но оно же обусловило ещё большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой ёмкости).

Наряду с применением основного типа усилителей - УПТ - в ряде случаев оказывается целесообразным использование усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи между каскадами усилителей в настоящее вышло из употребления, так как конденсаторы с большой ёмкостью невыполнимы в виде элементов ИМС.

Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.

1. Выбор принципиальной схемы

Находим максимальную мощность P_вх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления R_вх усилителя и внутреннего выходного сопротивления R_генисточника сигнала:

(1.1)

где e_ген - величина ЭДС источника сигнала;

R_ген - внутреннее сопротивление источника сигнала.

Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:

(1.2)

где a_p= (1,1¸1,3) - коэффициент запаса по мощности;

- мощность, выделяемая в нагрузку.

Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле:

(1.3)

Определим ориентировочное число каскадов, считая, что каждый каскад может обеспечивать усиление мощности примерно на 20дб.

(1.4)

Составим структурную схему (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя: ВхК - входной каскад, обеспечивающий главным образом согласование с источником сигнала; ПК - промежуточный каскад; ПОК - предоконечный каскад; ВК - выходной сигнал, работающий непосредственно на нагрузку

Составив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады.

2. Расчет выходного каскада

Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный выходной каскад

Выбор выходных транзисторов.

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1):

(2.1)

где U_н - эффективное значение напряжения на нагрузке в В.

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4):

(2.2)

Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:

(2.3)

Необходимое напряжение источника питания:

(2.4)

где k₁= (1,01¸1,1) - коэффициент запаса по напряжению;

r_нас= (0,1¸1) - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.

Выберем напряжение источника питания равным 15В.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(2.5)

По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT3 (VT4):

(2.6)

По справочнику [11] выбран транзистор KT817Б со следующими параметрами:

- максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;

- максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;

- максимально допустимый постоянный ток коллектора;

- коэффициент передачи тока базы минимальный;

- максимально допустимая температура перехода;

- тепловое сопротивление подложка-корпус;

- обратный ток коллектора.

Выходные и входные характеристики изображены на рисунках 3 и 4.

После предварительного выбора транзисторов VT3 и VT4 нужно проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:

(2.7)

где

- номинально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при максимальной температуре коллекторного перехода, Вт;

где t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур, ^°С.

Поскольку

, то выбранные транзисторы подходят.

Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I₀_k3 транзисторов VT3 и VT4:

(2.8)

где I_k_о_max (50^°C) =1500мкА берётся в справочнике [11].

I₀_k3< I_k_доп - это значит, что транзисторы выбраны правильно.

На семействе выходных характеристик транзисторов VT3 (VT4) строятся нагрузочные прямые по переменному току с координатами (см. рис.2.2):

А (I_0k3; E_п); В (I_0k3+I_km3; E_п-U_km3); (2.9)

А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);

Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): U_б_m3=0,54В - амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U_0б3=0,6В - напряжение покоя базы; U_б3_max=1,14В - максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; I_б_m3=57мА - амплитудное значение тока базы; I_0б3=1,78мА - ток покоя базы; I_б3_max=55.22мА - максимальное значение тока базы.