Підсилювач потужності

Структурна схема підсилювача на транзисторі і мікросхемі, розрахунок його якісних показників та електричних параметрів. Розрахунок вихідного, вхідного і проміжного каскадів, розподіл спотворень по каскадах. Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду.

Міністерство транспорту та зв’язку України

Українська Державна Академія Залізничного Транспорту

Кафедра “Транспортний зв’язок”

ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ

Пояснювальна записка курсового проекту

з дисципліни “Електроніка та мікросхемотехніка”

Харків

2008


Зміст

Вступ

1 Попередній розрахунок підсилювача

1.1 Типова структурна схема підсилювача

1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду

1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів

1.4 Розподіл спотворень по каскадах

2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду

2.1 Розрахунок схеми на комплементарних транзисторах

2.2 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах

3 Розрахунок вхідного і проміжного каскадів

3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму

3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ

3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах

4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ

4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача

4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача

Висновок

Список літератури


Вступ

У наш час однією із самих швидко розвиваючих і перспективних галузей науки та техніки є електроніка. Зараз практично неможливо знайти яку-небудь галузь промисловості у якій би не використовувалися електронні вимірювальні прилади, пристрої автоматики й обчислювальної техніки. Але всього цього не було б без винаходу напівпровідних пристроїв, у тому числі транзисторів і діодів, які є тими елементарними цеглинками, з яких і будується сучасний будинок електроніки. Спочатку, транзистор був розроблений саме як підсилювальний прилад, покликаний замінити громіздкі електронні лампи, а вже пізніше став використовуватись як основний елемент логічних схем. З тих пір практично всі електронні підсилювачі виконуються на основі транзисторів.

Пристрій, призначенний для підсилення вхідного сигналу за рахунок енергії джерел живлення називається підсилювачем. Важливим типом підсилювача є підсилювач потужності. Будучи або самостійними пристроями, або частиною більш складних апаратів, підсилювачі знайшли широке застосування в радіомовленні, звуковому кіно, техніці звукозапису, телебаченні, радіолокації й радіонавігації, ядерній фізиці, медицині й біології, системах автоматики й т.д. У даному курсовому проекті зроблений розрахунок підсилювача потужності на транзисторах і мікросхемі.


1 Попередній розрахунок підсилювача

1.1 Типова структурна схема підсилювача

Як вхідний каскад підсилювача використовують резистивний підсилювач на мікросхемі ОП. З метою одержання основного підсилення сигналу, яке здійснюється проміжним каскадом, використовують схему на транзисторі за схемою ЗЕ, отже саме він володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення.

З метою забезпечення в навантаженні необхідної потужності , в якості вихідного каскаду підсилювача використовуємо безтрансформаторну двотактну схему, яка володіє малими габаритами і широким діапазоном частот.

Рисунок 1.1 Типова структурна схема підсилювача

1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду

За відомою потужністю на виході =8 Вт і опором навантаження =4 Ом визначають амплітуду напруги на виході:

Розраховуються необхідні коефіцієнти підсилення за напругою і потужністю:

;

;

де,- ЕРС і внутрішній опір джерела сигналу;

- потужність на вході підсилювача при вхідному опорі .

Так як напруга джерела живлення не задана, то її необхідно визначити зі співвідношення:

,

де , n=1, ;

напруга насичення транзистора (0,5… 2 В);

амплітуда напруги сигналу на виході;

(3…5)В- запас напруги, що враховує температурну нестабільність каскаду.

В

В

З ряду номінальних джерел вибираємо двополярне джерело живлення:

В В В.

Вибираємо схему каскаду за вихідною потужністю:

Вихідна потужність – більше 1…5 Вт,

Режим транзисторів – В,

Схема каскаду-двотактний без трансформаторний каскад з ЗЕ на складених транзисторах.

Транзистори для вихідного каскаду вибираються за потужністю розсіювання на колекторі при максимальній робочій температурі, за максимальними величинами напруги і струму, а також за верхньою робочою частотою.

Якщо підсилювач забезпечує в навантаженні потужність , то орієнтовне значення потужності, що розсіюється на колекторі, буде дорівнювати:

Вт

де, - для без трансформаторного каскаду;

- коефіцієнт використання транзистора;

- коефіцієнт, що враховує тип схеми ( двотактна ).

Для забезпечення надійної роботи підсилювача потужність повинна бути менше граничної потужності розсіювання транзистора при максимальній температурі навколишнього середовища

Вибір транзистора вихідного каскаду проведемо відповідно до наступних умов:

Вт

Визначимо максимально допустиму напругу:

В

Гранична частота підсилення струму транзистора в схемі з ЗЕ в обраного транзистора повинна задовольняти умові:

Гц

Транзистор повинен забезпечити в навантаженні амплітуду струму:

А

Максимальний припустимий струм колектора повинен задовольняти умові:

А

Обраний транзистор КТ817А задовольняє умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.1 Параметри транзистора КТ817А

Тип

Структура

МГц

Макс. доп. Параметри

Ркмакст, Вт

Iк, А

Uкэ, В

1

2

3

4

5

6

7

КТ817А

n-р-n

3

25

3

25

20

Перевіримо умову:

Гц

Для схеми на складених транзисторах, крім вихідного транзистора, необхідно вибрати комплементарну пару, що задовольняє наступним умовам:

1) Вт

2) А

3) В

4) Гц

Обрані транзистори ГТ402А, ГТ404А задовольняють умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.2 Параметри транзисторів ГТ402А, ГТ404А

Тип

Структура

МГц

Макс. доп. Параметри

Ркмакст, Вт

Iк, А

Uкэ, В

1

2

3

4

5

6

7

ГТ402А

р-n-р

1

4

0,5

25

30

ГТ404А

n-р-n

Перевіримо умову:

Гц


На вихідних характеристиках транзистора будується лінія навантаження, що проходить через точки “P” – ( /b; 0 ) і “M” – (/b-; ), де b=2- для без трансформаторної схеми. Точки: “P” (12;0) “M”(4;2).

Рисунок 2. Вхідні та вихідні характеристики транзистора КТ817А

За амплітудою базового струму за допомогою вхідної характеристики визначається амплітуда вхідної напруги =1,1-0,65=0,45В, а за ними - вхідний опір вихідного каскаду Ом і величина ЕРС передкінцевого каскаду з вихідним опором Ом

В

Коефіцієнт підсилення кінцевого каскаду за потужністю орієнтовано визначається за формулою:

;

Орієнтовано коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою дорівнює:

;

1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів

Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів полягає у визначенні числа каскадів, типів і схем включення транзисторів чи мікросхем.

Амплітуда вхідної напруги і струму кінцевого каскаду:

В

Для передкінцевого каскаду вибирається транзистор з потужністю, яка розсіюється на колекторі ( стоці ),

Вт,

і максимально припустимим струмом колектора ( стоку ),

А

і максимально допустимою напругою колектор емітер:

В

Обраний транзистор КТ815В задовольняє умовам, які наведені вище.

Таблиця 1.3 Параметри транзистора КТ815А

Тип

Структура

МГц

Макс. доп. Параметри

Ркмакст, Вт

Iк, А

Uкэ, В

1

2

3

4

5

6

7

КТ815В

n-p-n

3

1

1,5

60

40

Перевіримо умову:

Гц

Коефіцієнти підсилення проміжного каскаду по потужності та напрузі:

Амплітуда вхідного струму передкінцевого каскаду:

А

Амплітуда вхідної напруги передкінцевого каскаду:

В

Вхідний опір передкінцевого каскаду:

Ом


Рисунок 3.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ815В

Мікросхеми для вхідного і проміжного каскадів вибирають за величинами вхідного струму, напруги й опору наступного каскаду. У використовуваної мікросхеми припустимий опір навантаження повинен бути менше, а величини максимальної вихідної напруги і струму ( і )- більше відповідних вхідних величин наступного каскаду.

Умови вибору мікросхеми:

Параметри обраної мікросхеми представлені в таблиці 1.4

Таблиця 1.4 Параметри мікросхеми КР140УД1

Тип

Коефіцієнт підсилення, тис

Частота одиничного посилення, МГц

Швидкість наростання вихідної напруги, V В/мкс

Максимальний струм, мА

Максимальна напруга, В

Мінімальний опір, кОм

Напруга живлення, В

Струм споживання, мА

Максимальна вхідна напруга, В

Вхідний опір, кОм

Вихідний опір, Ом

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

КР140УД1

2

5

0,5

3

6

1

12,6

8

1,5

300

100

Перевіримо умову вибору:

Гц

1.4 Розподіл спотворень по каскадах

Нелінійні спотворення цілком відносять на вихідних каскад. Щоб забезпечити малий рівень нелінійних спотворень у проміжних каскадах величини струму колектора і напруги колектор-емітер у робочій точці вибирають у 1,3…1,7 рази більше амплітуд перемінних складових струму і напруги.

Орієнтовно рівень нелінійних спотворень кінцевого каскаду можна оцінити за коефіцієнтами підсилення по струму в точках “P”, “M”.

, А, А,

, А, А,

,

;

%

Величина коефіцієнта нелінійних спотворень (КНС) оцінюється за співвідношенням цих коефіцієнтів для двотактного каскаду з режимом В- вище приблизно в 1,5 рази.

< 2%

Отже місцевий НЗЗ не потрібний.

Лінійні спотворення в області нижніх частот вносяться розділовими і блокувальними конденсаторами, а також трансформаторами ( при їх наявності). Знаючи число і тип каскадів, можна визначити число елементів, що вносять спотворення, і сумарну величину спотворень:

дБ

дБ

Так як , то не треба вводити НЗЗ.

Спотворення в області верхніх частот:

дБ,

дБ,

дБ;

де .

Сумарна величина спотворень (дБ) повинна бути менше припустимої дБ.

0,24 дБ < 2 дБ, отже НЗЗ не потрібний.


2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду

2.1 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах

Схема простого двотактного безтрансформаторного підсилювача наведена на рисунку 4.

Рисунок 4. Схема простого двотактового безтрансформаторного підсилювача

Складений транзистор у кінцевому каскаді, маючи високий вхідний опір, полегшує роботу передкінцевого каскаду і дозволяє одержати від нього велику амплітуду сигналу.

Методика розрахунку схеми на складених транзисторах цілком збігається з розрахунком простої схеми на комплементарних транзисторах. При цьому використовують параметри складеного транзистора, які можна визначити з наступних співвідношень:

Ом

Ом

Номінальне значення R3=R4=33 Ом.

В

де параметри транзисторів VT1, VT2;

параметри транзисторів VT3,VT4;

напруги зсуву транзисторів VT1 і VT3.

Розрахунок починається з визначення параметрів робочої точки: В і А для режиму В. На вихідних статичних характеристиках обраних транзисторів у координатах будується лінія навантаження, що проходить через точки і -

(12;0)і (0;3);



Рисунок 5.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ817A

Знаючи необхідну амплітуду напруги в навантаженні , визначаємо В,

За допомогою вхідної статичної характеристики обраного транзистора, визначаємо:

А,

В, В,

мА,

А,

В, В,

В, В,

мА; А,

В;

Постійний струм бази визначається зі співвідношення:

А

Оцінюємо задану потужність:

Вт

У схемі з ЗК діє місцевий НЗЗ, глибина якого:

,

де

Резистори R1, R2 і діод VD ставляться в схемі, якщо вихідний і перед кінцевий каскади розділені конденсатором. Тоді опори R1, R2 приймають однаковими з розрахунку:

,

де

Ом

мА

Номінальне значення R1=R2=1200 Ом = 1,2 кОм

Розраховуємо потужність, що розсіюється:

Вт;


Діод вибирають таким, щоб спадання напруги на ньому складало В, при струмі мА. Вибираємо два діода типу

Рисунок 6. ВАХ діода КД520

Вхідний опір дорівнює , якщо ставиться дільник R1,VD,R2, де Ом і вхідний опір транзистора, обумовлений за вхідною характеристикою поблизу точки .

Ом;

Амплітуда напруги вхідного сигналу дорівнює:

,

де

В

І амплітуда вхідного струму дорівнює:

А = 17 мА;

Будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора . При цьому необхідно враховувати, що для безтрансформаторного каскаду

, де Ом.

Таблиця 1.5 Наскрізна динамічна характеристика

Точки

0

0

0

0,65

0,65

1

0,5

0,01

0,8

3,84

2

1

0,025

0,9

7,5

3

1,5

0,05

1,05

12,25

4

1,9

0,07

1,1

15,98

В,

В,

В,

В,

В;

Рисунок 7. Наскрізна динамічна характеристика

За цією характеристикою визначають коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці без обліку впливу НЗЗ.

З урахуванням дії місцевого НЗЗ коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці . Нелінійні спотворення по другій гармониці в двотактних схемах компенсуються тим краще, чим менше коефіцієнт асиметрії струму (Х) у плечах схеми. У залежності від точності застосовуваних елементів і розкиду параметрів транзисторів Х=0,1…0,5. Тоді і, з обліком НЗЗ, . Повний коефіцієнт гармонік дорівнює:

;

Ємність розділового конденсатора (при його наявності) визначається за припустимою величиною лінійних спотворень (у відносних одиницях) на частоті . Величина лінійних спотворень: ;

мкФ

Номінальне значення - мкФ.

Частотні спотворення на нижній граничній частоті будуть рівні:

дБ

Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті діапазону визначається виразом: дБ.


3. Розрахунок вхідного і проміжного каскадів

3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму

Вихідними даними для розрахунку є параметри наступного каскаду: амплітуда перемінної напруги на вході і вхідний опір .

Розрахунок проводиться в такому порядку. Визначаються параметри робочої точки транзистора, що задовольняє умовам:

А = 21 мА;

В;

Отримані значення округляємо до цілих значень: мА та В;

Визначається значення струму бази :

А = 0,52 мА;

Постійна напруга =0,7 В визначається за вхідною статичною характеристикою обраного транзистора і розрахованим струмом . Опір резистора визначається з умови:

, де …0,2 для каскаду ЗЕ.

Ом;

Номінальне значення - Ом.

Опір резистора вибирається як менше з двох значень:

Ом ,

Ом ,

Ом

Номінальне значення Ом = 0,5 кОм.

Фільтр в схему включати не потрібно, так як .

Резистори R1 і R2 визначаються за формулами:

, Ом

Ом

Ом,

де =24 В – при відсутності фільтра.

вхідний опір транзистора, а значення визначається за статичними вхідними характеристиками транзистора поблизу точки .

Номінальні значення R1=1600 Ом, R2=240 Ом.

Для всіх резисторів розраховується потужність, що розсіюється:

Вт,

Вт,

Вт,

Вт;

3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ

Схема каскаду наведена на рисунку 8. Вихідними даними для розрахунку є амплітуда перемінної напруги і вхідний опір каскаду, що підключається до виходу даної схеми.

Рисунок 8. Схема проміжного каскаду

Розрахунок по постійному струму проводиться за методикою розділу 3.1 Розрахунок по перемінному струму починається з визначення еквівалентному опору колекторного навантаження перемінному струму:

Ом;

Вхідний опір каскаду перемінному струму дорівнює:

,

де Ом , вхідний опір транзистора.

Ом;

Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі визначається за формулою:

,

де вихідна провідність транзистора, обумовлена за вихідними характеристиками поблизу робочої точки .

см

Амплітудне значення вхідної напруги дорівнює:

В;

Вхідна потужність дорівнює:

Вт = 0,5 мВт;

Ємності конденсаторів визначають з нерівностей:

,

мкФ

Номінальне значення С2=20 мкФ.

,

мкФ

Номінальне значення мкФ, де

Ом;

;

Ом;

і величини спотворень, внесених конденсаторами С2 і , які виражені у відносних одиницях;

вихідний опір попереднього каскаду чи внутрішній опір джерела сигналу для вхідного каскаду. Якщо попередній каскад з ЗК чи на мікросхемі, то Ом

Фактична величина спотворень, що внесені елементами схеми з обраними номіналами, визначається за формулами:

дБ,

дБ

Сумарна величина лінійних спотворень на нижній частоті дорівнює:

дБ

Величина лінійних спотворень на верхній граничній частоті дорівнює:

дБ

3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах

Розрахунок каскадів підсилення на мікросхемах полягає у виборі типу мікросхеми, здатної забезпечити на опорі амплітуду із припустимою величиною лінійних спотворень і . Для підсилення сигналів широко використовують мікросхеми операційних підсилювачів (ОП). На цих мікросхемах, застосовуючи зворотній зв’язок, можна реалізувати різні види підсилювачів.

Розрахунок каскаду по постійному струму полягає у виборі резистора фільтра . Так як необхідна напруга для мікросхем більш за джерело живлення , то фільтр не треба включати в схему. Схеми ОП у більшості випадків вимагають двох джерел живлення. Однак їх можна підключати до одного джерела . Схема підсилювача на ОП з живленням від одного джерела наведена на рисунку 9.

Рисунок 9. Схема підсилювача на ОП

При розрахунку каскаду на ОП по перемінному струму задаються величиною R2 з умови:

Ом = 3 кОм.

Номінальне значення R2=3 кОм.

Величину резистора R3 визначають за необхідною величиною коефіцієнта підсилення за напругою .

,

Ом

Номінальне значення R3=93 кОм.

Резистор R1 визначають з умови .

кОм.

Номінальне значення R1=100 кОм.

При цьому враховується, що потужність, що розсіюється на них, звичайно не перевищує 125 мВт.

Фактичний коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:

;

Вхідний і вихідний опори:

, кОм.

де коефіцієнт підсилення, і - вхідний і вихідний опори ОП.

; Ом.

При цьому повинні виконуватися умови:

-,

-,

-;

Амплітуда вхідної напруги:

В = 7мВ.

Конденсатор С3 призначений для запобігання можливого збудження ОП на частотах вище . Його ємність дорівнює:

пФ;

Номінальне значення: С3=33 пФ.

Конденсатор С2 призначений для збільшення глибини НЗЗ за постійним струмом, що зменшує дрейф нуля ОП і стабілізує роботу каскаду. Ємність конденсатора визначають з умови:

мкФ;

Номінальне значення: С2=5 мкФ.

Ланцюжок забеспечує стійкість підсилювача, його конфігурація та параметри визначаються типом мікросхеми і вибираються за довідником.

Ом, пФ.

Ємність розділового конденсатора С4 визначається за формулою:

мкФ;

Номінальне значення: С4=200 мкФ.

Величина спотворень, фактично внесених на нижній граничній частоті , дорівнює:

дБ,

а на верхній граничній частоті дорівнює: дБ.


4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ

4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача

Якість підсилювача характеризується ступенем його відповідності технічному завданню. Найбільшою мірою це відображає коефіцієнти підсилення К, і величини спотворень , і .

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як добуток коефіцієнтів підсилення за напругою окремих каскадів , розрахованих раніше:

;

Цей коефіцієнт має бути більше необхідного:

Ємність першого розділового конденсатора на вході підсилювача визначається зі співвідношення:

,

де внутрішній опір джерела сигналу,

вхідний опір першого (вхідного) каскаду.

мкФ;

Номінальне значення: мкФ.

Величина спотворень, внесених ємністю, дорівнює:

дБ;

Тоді,

дБ.

дБ

де , - величини лінійних спотворень, внесених і-им каскадом. Отримані величини не повинні перевищувати заданих:

, дБ

, дБ

4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача

Величина споживаного струму визначається за відомими з попередніх розрахунків величинами колекторних (стокових) струмів спокою вхідного і проміжного каскадів , постійною складовою струму колектора вихідного каскаду , а також за струмами дільників базового зсуву всіх каскадів, включаючи вихідний ( при наявності):

А.

У двотактному каскаді режиму В- =0,637.

Потужність, споживана від джерела живлення,

Вт.

ККД підсилювача дорівнює:


Висновок:

В ході курсового проекту був розрахован трьохкаскадний підсилювач потужності. Був вибран двотактний безтрансформаторний каскад, зібраний по схемі з загальним емітером (ЗЕ) на складених транзисторах. Наведені принципові схеми, вольт-амперні характеристики (ВАХ) транзисторів, діода, наскрізна динамічна характеристика.

Список літератури:

1. Гусев В.Г. Злектроника. - М.: Высшая школа. 1991. 622с.

2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -К.: Техника 1984. 424с.

3. Методические указания к курсовой работе по дисцеплине «Злектронные устройства ЖАТС». Часть З -X.: ХИИТ, 1988. 37с.

4. Методичні вказівки до курсового проекту з дисципліни « Електроніка та мікросхемотехніка». Часть 1 - X.: УкрДАЗТ. 2003. 62с.

5. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Под. ред. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985. 560 с.

6. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова. Издание второе, переработанное.. М.: Знергоатомиздат 1985. 902 с.