РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
НАПРЯЖЕНИЯ
Рис.11
Рассчитать транзисторный каскад предварительного усилителя, схема которого показана на рис.11. Сопротивление нагрузки RH=25 Ом, амплитуда выходного напряжения должна быть равна 100 мВ. Амплитуда входного сигнала равна ЕГ=50 мВ, выходное сопротивление генератора RГ=100 Ом. Частотный диапазон усиливаемого сигнала 100 Гц¸20 кГц. Коэффициенты частотных искажений не должны превышать МН=МВ=1,2. Рабочий диапазон температур -40°С ¸ 60°С. Напряжение питания 15В.
Note. Все резисторы и конденсаторы, которые есть на схеме необходимо принять по ГОСТ. Для резисторов использовать -5% отклонение, для конденсаторов -20%, см. таблицу 3.
1. Выбираем транзистор.
Требуемая граничная частота усиления транзистора будет равна:
fГ ³ 
, (5.1)
где FB- верхняя частота усиления.
FГ= 
=30,2 кГц.
30,2 кГц достаточно низкая частота, поэтому данному условию будет удовлетворять практически любой современный кремниевый транзистор.
Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно быть больше напряжения питания UKMD>1,1EП=16,6 В.
Оценим приблизительно мощность рассеиваемую транзистором.
IВЫХ= 
=4 мА. (5.2)
IВЫХ>IКmin=0,8 мА. (5.3)
Note.Если IВЫХ <0,8 мА, принудительно принять равным 0,8 мА.
Р» 
×ЕП=30 мВт. (5.4)
Следовательно максимально допустимая мощность рассеивания транзистора РКМD³30 мВт.
Полученным условиям удовлетворяет транзистор КТ315А, имеющий следующие параметры: b=20¸90, fГ=100 мГц, UKMD=20 B, 
=50 Ом, PKMD=150 мВ.
2. Произведем выбор режима работы каскада по постоянному току.
IВЫХ= 
, (5.5)
где 
.
С точки зрения усиления каскада, сопротивление RK нужно выбирать как можно большим RK>>RВХ.
При условии RK>>RH 
=RH амплитуда тока коллектора будет равна:
IKm= IВЫХ= =4 мА. (5.6)
Определяем ток покоя коллектора:
IKП³IКm× 
. (5.7)
Принимаем КЗ=0,7, тогда
IKП@4× 
@5,71 мА. (округлить в большую сторону до целого)
Note. Если IKП получается<1мА принудительно принять 1мА.
Принимаем IKП=6 мА.
Для обеспечения работоспособности и температурной стабильности каскада используем эмиттерную стабилизацию. Примем падение напряжения на резисторе RЭ URЭ=0,2(EП-UФ), где UФ- падение напряжения на RФ. UФ=0,2ЕП=2 В.
Тогда URЭ=0,2(15-2)=2,6 В.
Найдем напряжение коллектор-эмиттер покоя.
UКЭП³UВЫХ+Ukmin, (5.8)
где Ukmin =1¸2В. Принять Ukmin =1 или 2В.
UКЭП³0,1+2=2,1 В. (округлить в большую сторону до целого)
Принимаем UКЭП=3 В.
Мощность рассеиваемая транзистором:
РК=IKП×UKЭП=6×10-3×3@18 мВт. (5.9)
Определим максимально допустимую мощность, рассеиваемую транзистором:
РКMD=150 
, (5.10)
где 
- температура, для которой известна РКMD(как правило =20°С); 
- максимальная температура перехода (ориентировочно 150°С для кремнеевых).
РКMD=150 
@103 мВт.
Проверяем условие
РКMD³PK, (5.11)
100 мВт>18 мВт.
Определяем общее сопротивление выходной цепи постоянному току
(RK+RЭ)= 
=1,66 кОм (5.12)
Вычисляем сопротивление резистора RЭ, считая IKП»IЭП
RЭ@ 
433 Ом. (5.13)
Принимаем RЭ= 430 Ом, тогда URЭ=2,58 В»2,6 В.
Тогда
RК@ 
=1,2 кОм. (5.14)
3. Определим входное сопротивление и оценим коэффициент усиления каскада.
RВХ=rБ+(bmin-40+1)rЭ=rБ+(bmin-40+1) 
. (5.15)
Note. rБ»50 Ом только для транзисторов серии КТ315 (справочное значение)
bmin-40=bmin20 
=20×(0,79)1,5=14, (5.16)
RВХ=50+15 
=50+15×4,1=112 Ом,
тогда коэффициент усиления по напряжению будет равен, при условии RK>>RH:
KU=bmin-40 
=1,65. (5.17)
Проведенные расчеты коэффициента усиления показали, что при использовании транзистора КТ315А с bmin=20 не может быть получен требуемый коэффициент усиления KU= 
. Оценим требуемый, минимально допустимый, коэффициент усиления транзистора.
KU= 
, (5.18)
KU(RГ+rБ)+KU(bmin-40+1)rЭ=bmin-40RH, (5.19)
, (5.20)
bmin-40@ 
=18,3,
bmin20=bmin-40 
=35(0,79)-1,5=18,3×2,42=49,8»26.
Следовательно, необходимо выбирать транзистор с bmin20³26. Выбираем КТ315Г с bmin20=50, bmax20=350, UKMD=25 В>15 B, fГ=300 мГц>fСР 30,3 кГц, РKMD=150 мВт>18 мВт.
Вычисляем bmin-40=50 
=50×0,7=35.
Тогда минимальный коэффициент усиления каскада по напряжению будет равен
KU= 
,
RВХ=50+(35+1)4,1=50+147=197 Ом.
KU= 
=2,95>2.
4. Произведем расчет каскада по постоянному току для обеспечения требуемой стабильности рабочей точки.
Примем допустимое изменение тока коллектора DIKДОП=0,1 мА.
Определим температурные изменения параметров транзистора:
Db=bmax60-bmax-40=bmin 
. (5.21)
Db=50(1,2)1,5-50(0,79)1,5=60,6-35,4=25,2.
DIK0=IK0 
=0,5×10-6(2,54-1)=0,5×10-6×38=19×10-6»19 мкА. (5.22)
DUБЭ=aU×Dt=1,6×10-3×(60-(-40))=1,6×10-3×102=0,16B. (5.23)
Проверим неравенство:
DIKДОП=0,1мА³DIK0+IЭП 
=19×10-6+6×10-3 
= (5.24)
=19×10-6+6×10-3×19×10-3=19×10-6+114×10-6=13,3×10-6=13,3 мкА.
Неравенство выполняется.
Note. Если условие (5.24) не выполняется –выбрать другой транзистор и пересчитать значения.
Так как нам известно сопротивление в эмиттерной цепи RЭ=430, рассчитываем сопротивление в цепи базы:
RБ£ 
= (5.25)
= 
-430= 
=18284Ом=18,3кОм
Вычислим R1:
R1= 
. (5.26)
Note. UБЭП=0,6В (для кремниевых транзисторов)
= 
=30×10-5=30 мкА. (5.27)
R1= 
×106=
=0,065×106=65 кОм.
Принимаем R1=68 кОм.
R2= 
=25×103=25 кОм. (5.28)
Принимаем R2=24 кОм.
Произведем расчет характеристик каскада с учетом делителя R1,R2:
=RВХ II R1 II R2= 
. (5.29)
= 
=195 Ом.
= 
(5.30)
IБ= 
(5.31)
= 
(5.32)
= 
=2,93>2
5. Рассчитаем усилительный каскад по переменному току.
Распределим коэффициент частотных искажений на низкой частоте между паразитной обратной связью (МП), конденсатором С1 (МС1), конденсатором С2 (МС2) и конденсатором СЭ (МСЭ). Будем считать, что коэффициент частотных искажений равномерно распределяется между этими элементами.
МП=МС1=МС2=МСЭ= 
=1,046 (5.33)
Расчитаем емкости конденсаторов С1,С2,СЭ:
С1³ 
(5.34)
= 
=17,5×10-6 Ф.
Принимаем С1=22 мкФ.
С2³ 
= (5.35)
C2= 
= 
=50×10-6 Ф.
где RВЫХ принять 1 кОм.
Принимаем С2=100 мкФ.
СЭ³ 
SЭС= 
=0,03 Ом-1, (5.36)
Note. SЭС (крутизна) является характеристикой транзистора. В данной формуле bmax, в числителе, есть максимальное значение коэффициента усиления транзистора, а не расчетное значение
СЭ³ 
=167×10-6=
=220 мкФ.
Внутреннее сопротивление источника питания выходных цепей дополнительного каскада значительно меньше сопротивления нагрузки. Поэтому падение напряжения сигнала на источнике сигнала много меньше напряжения на нагрузке. Однако падение напряжения на источнике питания поступает через делители на вход транзистора и изменяет свойства усилителя. В многокаскадных усилителях образуются петли паразитной обратной связи. Для уменьшения влияния падения напряжения сигнала на источнике питания используются развязывающие фильтры СФ, RФ, включаемые в выходные цепи каскадов предварительного усиления.
Для определения емкости конденсатора фильтра используется следующее выражение:
СФ= 
, (5.37)
где Фр- коэффициент развязки.
Вычислим сопротивление RФ:
RФ= 
, (5.38)
где
@14×10-5А. (5.39)
RФ= 
@3,22×102=322 Ом.
Коэффициент развязки ФР равен отношению напряжения паразитной обратной связи на входе развязывающего фильтра UПН к допустимому напряжению паразитной обратной связи на входе каскада UПД.
ФР= 
, (5.40)
где bm- коэффициент передачи напряжения паразитной обратной связи (ОС) от источника питания во входные цепи каскадов; СП- емкость выходного конденсатора источника питания; UC- напряжение сигнала на входе каскада; IKПМ- ток покоя выходного каскада, IKmax-максимальная амплитуда выходного тока.
Принимаем UC=50 мB, IKПМ=100×IKП=300 мА, СП=1000 мкФ.
В нашем случае коэффициент передачи напряжения паразитной ОС будет равен отношению сопротивления:
(5.41)
представляющего собой параллельное сопротивление R2 и RВХ, к сумме R1 и 
:
bm= 
. (5.42)
= 
=195 Ом.
bm= 
=10×10-3.
ФР= 
=1,54.
Тогда CФ= 
=5,6×10-6 Ф.
Выбираем СФ=6,8 мкФ на напряжение ³20 В.
Оцениваем коэффициент частотных искажений на высокой частоте.
Коэффициент частотных искажений вносимых транзистором равен:
МВТ= 
@1,00005
МВ>МВТ 1,2>1,00005.
Задание.
№ группы |
|
|
|
4,5 | |||
№ п\п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,12 | 0,012 | 1,08 | 1,17 | -10 | +26 | ||||
0,22 | 0,022 | 1,16 | 1,04 | -20 | +50 | ||||
0,42 | 0,042 | 1,03 | 1,08 | -30 | +40 | ||||
0,25 | 0,025 | 1,1 | 1,1 | -40 | +30 | ||||
0,32 | 0,032 | 1,12 | 1,15 | -10 | +20 | ||||
0,52 | 0,052 | 1,14 | 1,17 | -20 | +50 | ||||
0,18 | 0,013 | 1,08 | 1,04 | -30 | +40 | ||||
0,2 | 0,02 | 1,16 | 1,08 | -40 | +30 | ||||
0,3 | 0,03 | 1,09 | 1,1 | -10 | +20 | ||||
0,15 | 0,015 | 1,1 | 1,5 | -20 | +50 | ||||
0,46 | 0,048 | 1,12 | 1,17 | -30 | +40 | ||||
0,4 | 0,04 | 1,14 | 1,04 | -40 | +30 | ||||
0,3 | 0,03 | 1,08 | 1,08 | -10 | +20 | ||||
0,5 | 0,05 | 1,16 | 1,1 | -20 | +50 | ||||
0,1 | 0,01 | 1,09 | 1,15 | -30 | +40 | ||||
0,2 | 0,02 | 1,1 | 1,17 | -40 | +30 | ||||
0,46 | 0,048 | 1,12 | 1,04 | -10 | +20 | ||||
0,58 | 0,058 | 1,14 | 1,08 | -20 | +50 | ||||
0,28 | 0,028 | 1,08 | 1,1 | -30 | +40 | ||||
0,44 | 0,044 | 1,16 | 1,18 | -40 | +30 | ||||
0,24 | 0,024 | 1,09 | 1,17 | -10 | +20 | ||||
0,56 | 0,056 | 1,1 | 1,04 | -20 | +50 | ||||
0,52 | 0,052 | 1,12 | 1,08 | -30 | +40 | ||||
0,36 | 0,036 | 1,14 | 1,1 | -40 | +30 | ||||
0,15 | 0,013 | 1,08 | 1,13 | -10 | +20 | ||||
0,1 | 0,01 | 1,16 | 1,17 | -11 | +50 | ||||
0,4 | 0,04 | 1,06 | 1,04 | -20 | +40 | ||||
0,38 | 0,38 | 1,1 | 1,08 | -30 | +30 | ||||
0,5 | 0,05 | 1,12 | 1,1 | -40 | +20 | ||||
0,2 | 0,02 | 1,14 | 1,15 | -10 | +30 |
Таблица 3. Стандартизованные ряды номинальных значений сопротивлений резисторов
Допуски, % | ±5 | ±10 | ±20 |
Номинальные значения | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
1,1 | - | - | |
1,2 | 1,2 | - | |
1,3 | - | - | |
1,5 | 1,5 | 1,5 | |
1,6 | - | - | |
1,8 | 1,8 | - | |
2,0 | - | - | |
2,2 | 2,2 | 2,2 | |
2,4 | - | - | |
2,7 | 2,7 | - | |
3,0 | - | - | |
3,3 | 3,3 | 3,3 | |
3,6 | - | - | |
3,9 | 3,9 | - | |
4,3 | - | - | |
4,7 | 4,7 | 4,7 | |
5,1 | - | - | |
5,6 | 5,6 | - | |
6,2 | - | - | |
6,8 | 6,8 | 6,8 | |
7,5 | - | - | |
8,2 | 8,2 | - | |
9,1 | - | - |
Как пользоваться таблицей
Например, значение 5,1 может быть как 5,1 Ом, кОм, Мом, так и 51 и 510
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 22 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Вид, обозначение на плане | | | Предлагаем экскурсионный тур для школьников по маршруту |
