Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет

низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра электротехники и электроники

РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Методические указания

к выполнению курсовой работы

по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов специальности 210200

специализации 210206 всех форм обучения Санкт-Петербург 2003 УДК 621.3 Дорошков А.В. Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты: Метод. указания к выполнению курсовой работы по курсу «Электротехника и электроника» для студентов спец. 210200 и специа-лизации 210206 всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – 51 с.

Сформулирована цель курсовой работы и даны задания для расчета вариантов бестрансформаторного усилителя низкой частоты. Указаны требования к содержанию пояснительной записки и графической документации. Приведена методика расчета основных каскадов и расчета элементов межкаскадных связей усилителя. В приложении приведены статические характеристики ряда мощных биполярных транзисторов, применяемых в усилителях.

Рецензент Канд. техн. наук, доц. Ю.А. Рахманов Одобрены к изданию советом факультета техники пищевых производств Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Основной целью курсовой работы является овладение методикой и навыками инженерного расчета усилителей переменного тока на современной элементной базе. Работа выполняется в соответствии с учебным планом студентами специальности 210200 – автоматизация технологических процессов (по отраслям), специализация – автоматизация технологических процессов и производств пищевой промышленности, всех форм обучения.

Исходные данные для расчета усилителя приведены в табл. 1. В ней даны эффективные величины напряжений Uн и э.д.с. Ег источника сигнала.

Усилитель должен быть спроектирован как функционально законченное устройство с минимальным числом источников питающих напряжений. В усилителе необходимо предусмотреть контрольные точки для измерения токов и напряжений в наиболее характерных узлах схемы.

Результаты выполнения курсовой работы представляются в виде пояснительной записки и схемы электрической принципиальной рассчитанного усилителя.

Таблица Внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, кОм Величина э.д.с. источника Номинальное выходное Допустимый фазовый температур tн…tв, оС Верхняя граничная Нижняя граничная Диапазон рабочих напряжение Uн, В нагрузки Rн, Ом Сопротивление Номер задания Номер задания

2. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ

Пояснительная записка к курсовой работе выполняется рукописным или машинописным способом на одной стороне листа формата А в соответствии с требованиями ЕСКД [1]. Она должна содержать:

Титульный лист (см. прил. 1).

Задание на курсовую работу.

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов (если они имеются).

Выбор структурной схемы.

Выбор принципиальной схемы.

Расчет выходного каскада.

Расчет предоконечного каскада.

Расчет промежуточного каскада.

Расчет входного каскада.

Расчет элементов межкаскадной связи.

Список литературы.

Перечень элементов (если он не выполнен на поле схемы электрической принципиальной).

Все рисунки в тексте должны иметь подрисуночные подписи.

Рисунки, содержащие построения, должны иметь масштабную сетку.

Буквенно-цифровые обозначения условных графических обозначений на рисунках, содержащих схемы, допускается проставлять не по сквозной нумерации. Номиналы резисторов и конденсаторов, типы транзисторов и интегральных микросхем должны быть указаны на рисунках схем пояснительной записки.

В тексте пояснительной записки по ходу выбора элементной базы должны быть приведены основные справочные данные применяемых транзисторов и интегральных микросхем.

Рисунки и схемы можно и желательно выполнять с применением современных компьютерных технологий, используя возможности таких программ как PCAD, Accel PCAD, AutoCAD и др.

При окончательном оформлении курсовой работы пояснительная записка сшивается. Схема электрическая принципиальная проектируемого устройства в записку не подшивается, а вкладывается.

3. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Электрическая схема по формату, условным графическим обозначениям, шрифтам и масштабам строго должна соответствовать требованиям действующих стандартов [1]. Схема может быть выполнена в карандаше либо при помощи графопостроителя (плоттера) на формате А3 или А2. Не допускается склеивание формата. Перечень элементов может выполняться как на свободном поле схемы электрической принципиальной, так и в виде отдельного конструкторского документа.

Буквенно-цифровые позиционные обозначения на схеме должны быть проставлены в соответствии с требованиями ЕСКД – слева направо, сверху вниз. Высота букв и цифр должна быть одинаковой и при выполнении карандашом шрифт должен быть не менее 5.

4. ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Защита курсовой работы проводится только после проверки окончательно оформленной пояснительной записки и электрической схемы преподавателем, ведущим курсовое проектирование. Полностью оформленная курсовая работа должна быть сдана на проверку не позднее, чем за неделю до защиты. Допуск к защите заверяется подписью преподавателя, ведущего курсовое проектирование.

Защита курсовой работы осуществляется публично перед комиссией, состоящей из ведущего лектора и преподавателя, ведущего курсовое проектирование.

На защите студенту предоставляется 5–8 минут для доклада, в котором он в сжатой форме должен осветить основные моменты работы, а именно:

Назначение спроектированного усилителя и технические требования, предъявленные к нему в задании на работу.

Пути решения поставленной задачи, выбор оптимальных вариантов построения.

Состав и принцип действия усилителя.

Реализацию функциональных блоков и особенности схемотехнического решения.

Использованные компьютерные технологии и особенности применения программных продуктов.

Результаты экспериментальных исследований или компьютерного моделирования (в случае их проведения).

Особенности настройки и эксплуатации спроектированного усилителя.

После доклада студент должен ответить на вопросы, которые ему могут быть заданы членами комиссии и присутствующими на защите.

Оценка курсовой работы выставляется с учетом полноты и содержательности ответов при защите, объема и качества проделанной работы, степени самостоятельности, аккуратности оформления и систематичности работы в течение семестра.

Оценка выставляется на титульном листе, заверяется подписями членов комиссии и заносится в ведомость и зачетную книжку студента.

Пересдача курсовых работ не разрешается. В целях повышения оценки по курсовой работе с разрешения деканата студенту может быть выдано новое задание на курсовую работу и после его выполнения производится защита.

5. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Прежде чем разрабатывать принципиальную схему усилителя, необходимо составить его структурную схему.

Структурная схема определяет функциональный состав усилителя и устанавливает необходимые связи между каскадами.

В общем случае усилители низких частот имеют структурную схему, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема усилителя низкой частоты Входной каскад обеспечивает, главным образом, согласование входа усилителя с источником сигнала. Промежуточный каскад выполняет основное усиление сигнала по напряжению. Предоконечный каскад служит для «раскачки» сигнала по току и напряжению до уровня, необходимого для нормальной работы выходного каскада. Обычно предоконечный каскад обладает небольшими коэффициентами усиления по току и напряжению. Выходной каскад осуществляет основное усиление сигнала по мощности и по току.

В зависимости от технических требований задания на курсовую работу, от схемного решения и выбранной элементной базы приведенные выше каскады могут быть объединены. Например, при применении интегральных операционных усилителей может исчезнуть необходимость в промежуточном каскаде, а, иногда, и в предоконечном. В этих случаях их функции выполняет какой-то другой каскад.

Для определения функционального состава проектируемого усилителя вычисляют:

амплитудное значение напряжения U нm на нагрузке амплитудное значение тока I нm в нагрузке ориентировочное значение коэффициента K u усиления проектируемого усилителя по напряжению ориентировочное значение общего коэффициента K u усиления входного и промежуточного каскадов по напряжению ориентировочное значение амплитуды входного тока I вх выходного каскада Анализируют полученные значения U нm, I нm, K u, I вх с учетом верхней граничной частоты f в на предмет необходимости предоконечного каскада в проектируемом усилителе. Данный каскад необходим если:

U нm 14В при любом значении f в, так как максимальный размах выходного напряжения предыдущих каскадов на операционных усилителях обычно не превышает 14В;

f в 3кГц и U нm (3...4)В, так как скорость нарастания выходного напряжения в предыдущем каскаде (промежуточном или входном) ограничена при его выполнении на операционном усилителе;

I вх 20 10 3 А из-за ограничения выходного тока предыдуВК щего каскада при его выполнении на операционном усилителе.

Затем приступают к анализу коэффициента усиления по напряжению. Если K u 100, то необходим промежуточный каскад. В противном случае роль промежуточного каскада может выполнить входной каскад.

Предварительно коэффициент усиления промежуточного касПК када K u предв на этой стадии проектирования принимают равным коВхК эффициенту усиления входного каскада K u предв и вычисляют как

6. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Воспользовавшись принципиальными типовыми схемами каскадов, изображенных на рис. 2–8, а также в литературе [2–7], необходимо составить принципиальную ориентировочную схему усилителя.

На данном этапе схема является ориентировочной, поскольку после выполнения расчетов может потребоваться ее корректировка в силу ряда причин. Например, окажется недостаточным коэффициент усиления по напряжению или невозможно будет обеспечить термостабильность каскадов и т. п.

При составлении принципиальной схемы необходимо учесть следующее:

Входной и промежуточный каскады целесообразно выполнять как усилители переменного тока на основе интегральных операционных усилителей.

При большой величине выходного сопротивления Rг источника сигнала целесообразно использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входах.

Исходя из величины выходного (внутреннего) Rг сопротивления источника сигнала выбирается схема инвертирующего или неинвертирующего входного каскада. Если Rг 100 кОм, то можно выбрать схему инвертирующего входного каскада (рис. 2). В случае, когда Rг 100 кОм, целесообразно использовать неинвертирующий входной каскад, имеющий очень большое входное сопротивление (рис. 3).

Для устойчивой работы усилителя коэффициенты усиления входного К u, промежуточного К u и предоконечного К u каскадов не следует делать более 100.

Коэффициент усиления по напряжению бестрансформаторного выходного каскада обычно лежит в пределах где U вх m – амплитудное значение напряжения на входе входного каскада;

Выходной каскад лучше выполнять на комплементарных парах транзисторов. Простейшая схема выходного каскада приведена на рис. 5. Наилучшими характеристиками обладает бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом и регулятором режима на транзисторе VT6 (рис. 7). Несколько уступает ему бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом и диодно-резистивной регулирующей цепочкой VD1, VD2, VT3, R п (рис. 6).

В качестве элементов связи между источником сигнала, каскадами и нагрузкой проще всего использовать разделительные конденсаторы, которые устраняют взаимосвязь каскадов по постоянному току.

Для устранения самовозбуждения усилителя необходимо предусмотреть развязку первых каскадов (входного и промежуточного) от выходного каскада по цепям питания. Развязка достигается обычно путем постановки RC-фильтров в цепь питания, либо применения гасящего сопротивления и стабилитрона (рис. 8), шунтированного конденсатором номиналом (22…47) нФ.

Для питания усилителя целесообразно применять двуполярные источники питания.

Рис. 2. Инвертирующий входной каскад на операционном Рис. 3. Неинвертирующий входной каскад на операционном

ПОК ПОК

Рис. 4. Усилительные каскады на транзисторах:

а – по схеме общий эмиттер (ОЭ); б – по схеме общий исток (ОИ) Рис. 5. Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных транзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп) Рис. 6. Бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом (VT5) с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп) Рис. 7. Бестрансформаторный выходной каскад с транзисторным предоконечным каскадом (VT5) и регулятором режима

ПОК ПОК

Рис. 8. Цепи развязки по цепям питания усилительных каскадов:

7. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ

КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ

Расчет усилителя всегда начинают с выходного каскада. Он ведется, как правило, графоаналитическим методом. После определения требуемых значений напряжения, тока и мощности входного сигнала выходного каскада приступают к расчету предыдущего каскада – предоконечного.

Рассчитав предоконечный каскад и определив указанные выше величины, приступают к расчету промежуточного каскада, а уже после этого – к расчету входного каскада.

Завершается расчет усилителя определением величин разделительных и блокировочных емкостей, а также расчетом элементов цепи обратной связи.

Расчет выходного каскада заключается в решении следующих основных задач:

– в составлении принципиальной схемы выходного каскада, позволяющей реализовать требуемые коэффициенты усиления сигнала по мощности и напряжению, а также обладающей к.п.д. не менее 40…55 %;

– в подборе транзисторов, исходя из требуемой мощности Pн в нагрузке, температуры окружающей среды t в и заданного либо выбираемого напряжения Eп источника питания;

– в выборе оптимальных режимов работы транзисторов по постоянному току, обеспечивающих малый уровень нелинейных искажений в заданном интервале температур;

– в определении электрических параметров выходного каскада по переменному току (входного сопротивления Rвх, коэффициентов усиления по току К iВК, напряжению К u и мощности К ВК ; амплиВК туд входного тока I вх m и напряжения U вх m, необходимых для раскачки и т. д.);

– в нахождении минимально-необходимой площади радиаторов S.

В качестве примера произведем расчет схемы, приведенной на рис. 5.

7.1.1. Выбор выходных транзисторов Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис. 5) где U н – эффективное значение напряжения на нагрузке.

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4) Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке Необходимое напряжение источника питания где 1 (1,01...1,1) – коэффициент запаса по напряжению; rнас = (0,1…1) – внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения, Ом.

Величину источника питания следует выбирать из ряда:

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Используя полученные значения Pк3, I кm3, Eп, из компьютерной базы кафедры и справочника по транзисторам [7] подбирают транзисторы VT3 и VT4 отдавая предпочтение приборам с малым обратным током I к 0.

Отбор выполняется в два этапа.

На первом этапе проверяют, удовлетворяют ли предельно-допустимые параметры транзисторов следующей системе неравенств:

Если да, то переходят ко второму этапу, на котором проверяют могут ли транзисторы VT 3 и VT 4 при наибольшей температуре своих корпусов (коллекторов) tк max рассеивать мощность, не меньшую, чем 1,1P 3. Для этого рассчитывают tк max tв (15...30) – максимальная температура коллекторного где перехода, C; t в – верхнее значение диапазона рабочих температур, C.

Если оказывается, что то транзисторы подходят.

Из компьютерной базы, справочника по транзисторам [7] и из прил. 2 настоящих методических указаний необходимо перерисовать выходные и входные статические характеристики выбранных транзисторов и выписать их следующие основные предельно-допустимые параметры:

Pк доп – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе при 20 С, Вт;

U кэ доп – максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером, В;

I к доп – максимально допустимый постоянный ток коллектора, А;

h21э min – минимальный коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером;

TП доп – максимально допустимая температура перехода, оС;

Rt п к – тепловое сопротивление подложка-корпус, оС/Вт;

7.1.2. Выбор режима работы по постоянному току Если в справочниках дается максимальное значение обратного тока коллектора I к 0 max (при максимально возможной температуре tк max коллекторного перехода транзистора), то ток покоя коллектора I oк3 транзисторов VT3 (VT4) можно определить из соотношения Когда в справочниках дается значение обратного тока при 20 С, то необходимо сначала рассчитать величину обратного тока коллектора при максимальной температуре по формуле Ток покоя I oк3 должен быть, как минимум, в 10–30 раз меньше амплитудного значения тока коллектора Если это условие не выполняется, то необходимо подобрать транзистор с меньшим значением обратного тока коллектора.

На семействе выходных статических характеристик транзисторов VT3 (VT4) строят нагрузочные прямые по переменному току с координатами (рис. 9):

Рис. 9. Построение нагрузочной прямой транзистора VT3 (VT4) Рис. 10. Определение параметров входного сигнала Перенеся соответствующие значения токов I об3 и I об3 max на входную характеристику (рис. 10), определяют для транзисторов VT3 (VT4):

U бm3 – амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе;

U об3 – напряжение покоя базы;

U бm3 max – максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе;

I об3 – ток покоя базы;

I об 3max – максимальное значение тока базы;

I бm3 – амплитудное значение тока базы.

После этого рассчитывают:

входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT3 (VT4) номиналы резисторов R3 и R R3 R4 (2...5) Rвх бэ3 (для маломощных транзисторов);

R3 R 4 (0,5...2) об3 (для мощных транзисторов).

7.1.3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2) Соответственно амплитудное значение тока коллектора I кm1 I эm1, так как коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице.

Аналогично выбору выходных транзисторов VT3 (VT4) выбирают транзисторы VT1 и VT2.

Транзисторы подходят, если выполняются неравенства:

Для построения линии нагрузки по постоянному току транзисторов VT1 (VT2) выбирают следующие координаты точек A' и A'' (см. рис. 11):

где Uкm1 Uкm3 Uбm3.

Рис. 12. Определение параметров входного сигнала Перенеся соответствующие значения токов базы на входную характеристику (см. рис. 12), определяют для транзисторов VT1 (VT2):

U бт1 – амплитудное значение напряжение на базе;

I бт1 – амплитудное значение тока базы;

I об1 – ток покоя базы транзистора;

U об1 – напряжение покоя базы.

7.1.4. Определение основных параметров выходного каскада Входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2) Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3.

Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT Амплитудные значения входных напряжений:

верхнего плеча на транзисторах VT1, VT нижнего плеча на транзисторах VT2, VT Среднее значение амплитуды напряжения на входе выходного каскада Требуемое падение напряжения U од1,2 на диодах VD1, VD Если величина напряжения U од1,2 получается в пределах (0,8…1,6)В, то можно обойтись двумя диодами, а если получается больше, то необходимо включать последовательно 3–4 диода.

Из результирующей вольтамперной характеристики последовательно включенных диодов определяют требуемое значение тока I од через цепочку R1-VD1-VD2-R, но в любом случае должны выполняться следующие условия:

Сопротивление R1, R 2 делителя напряжения Входные сопротивления верхнего и нижнего плеч каскада с учетом шунтирующего действия резисторов R1 и R 2 :

Среднее значение входного сопротивления выходного каскада Среднее значение коэффициента усиления по напряжению выходного каскада Среднее значение амплитуды входного тока выходного каскада Мощность сигнала на входе выходного каскада Коэффициент полезного действия всего каскада Уточненное значение мощности, рассеиваемой одним транзистором VT3 (VT4) Тепловое сопротивление корпус–среда:

где Rt п-к – тепловое сопротивление подложка–корпус.

Площадь радиатора где KT (0,0012...0,014), Вт см–2 град–1 – коэффициент теплоотдачи.

7.2. Расчет предоконечного каскада Обобщенная схема предоконечного каскада (ПОК) представлена на рис. 4, а.

При выполнении выходного каскада по схемам, изображенным на рис. 6 и 7, разделительный конденсатор С2 отсутствует (гальваническая связь с нагрузкой), а Rк R1.

Исходными величинами для расчета каскада являются:

сопротивление нагрузки Rн Rвх – для выходного каскада по схеме на рис. 5;

Rн 0,5(Rвх13 Rвх24 ) – для выходных каскадов по схемам на рис. 6 и 7;

максимальная амплитуда напряжения на нагрузке мощность Pн, отдаваемая в нагрузку Расчет каскада выполняется в следующем порядке.

Подбирают транзистор, исходя из:

величины максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности на коллекторе при 20 С величины максимально-допустимого напряжения между коллектором и эмиттером величины максимально-допустимого тока коллектора Рассчитывают величину обратного тока коллектора при максимальной температуре окружающей среды tв Задаются минимально-допустимым током коллектора исходя из системы неравенств Выбирают ток покоя транзистора Напряжение питания каскада определяют как где Uкэ (0,1...0,15)U э – изменение напряжения коллектор–эмиттер при изменении рабочей температуры транзистора;

U э (0,03...0,08)(Eп1 Eп2 ) – падение напряжения на эмиттерном сопротивлении Rэ.

Рассчитывают величины сопротивлений Задавая коэффициент нестабильности предоконечного каскада в пределах S (5...10), находят величины базовых резисторов Для построения линии нагрузки по постоянному току на выходных статических характеристиках транзистора (рис. 13) откладывают координаты точек A и B Для построения линии нагрузки по переменному току находят угол наклона линии нагрузки предоконечного каскада по переменному току и под этим углом проводят прямую через рабочую точку О. Данная прямая и будет линией нагрузки по переменному току транзистора предоконечного каскада. Ее рабочим участком является отрезок CD.

Из построений определяют:

I б max, I б min – максимальное и минимальное значения токов базы;

I б m 0,5[ I б max I б min ] – среднее амплитудное значение тока базы.

Рис. 13. Построение линий нагрузки транзистора Рис. 14. Определение параметров входного сигнала Перенеся значения базовых токов на входную статическую характеристику (рис. 14), находят:

бm – амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе;

об – напряжение покоя базы;

U бmmax – максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе;

После этого рассчитывают входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT определяют величину полного входного сопротивления Rвх оконечного каскада с учетом шунтирующего действия резисторов Rб1 и Rб и находят коэффициент усиления предоконечного каскада по напряжению Для уменьшения влияния разброса параметров транзистора на коэффициент усиления в эмиттерную цепь устанавливают сопротивление Rэ, не блокируемое конденсатором Cэ. Это сопротивление обычно принимают в пределах где rэ, m = 1 для германиевых транзисторов; m = 2 для кремI ок ниевых транзисторов; Т 25 103 B – тепловой потенциал при 20 С.

С учетом Rэ полное входное сопротивление предоконечного каскада возрастает и становится равным 7.3. Расчет входного и промежуточного каскадов Входной и промежуточный каскады (если есть необходимость в последнем) выполняются на операционных усилителях.

Схемы каскадов, как правило, идентичны и отличаются только номиналами элементов. Различия в номиналах элементов связаны с различными требованиями к входным сопротивлениям каскадов ( Rвх и Rвх ) и, возможно, к различным коэффициентам усиления по напряжению ( К u и К u ).

Входной каскад должен обладать большим входным сопротивВхК лением Rвх, поскольку выходное (внутреннее) сопротивление Rг источника сигнала велико (от сотен кОм до десятков Мом в зависимости от варианта задания).

В то же время требования к входному сопротивлению Rвх промежуточного каскада существенно ниже, так как выходное сопроВхК тивление входного каскада Rвых составляет единицы–десятки Ом.

Расчеты выходного и промежуточного каскадов идентичны, поэтому рассмотрим только расчет входного каскада, работающего на предоконечный каскад.

Исходными данными для расчета являются следующие параметры:

амплитудное значение напряжения U н m на нагрузке входного каскада;

сопротивление Rн нагрузки либо амплитудное значение тоВхК ка на нагрузке I н m ;

внутреннее сопротивление Rг источника сигнала;

коэффициент K u усиления входного каскада по напряжению;

нижняя граничная частота f н в частотном спектре усиливаемого сигнала;

допустимый фазовый сдвиг сигнала во входном каскаде Нагрузкой входного каскада в нашем примере является вход предоконечного каскада бестрансформаторного усилителя низкой частоты, поэтому справедливы следующие соотношения:

Задавшись значением коэффициента передачи входной цепи определяют величину необходимого коэффициента усиления Ku ' входного каскада по напряжению в предположении отсутствия промежуточного каскада в усилителе Анализируют величину требуемого коэффициента Ku ' усиВхК ления входного каскада по напряжению. Если K u ' 100, то недостающее усиление сигнала необходимо будет получить во втором усилительном каскаде – промежуточном. Коэффициент усиления же входного каскада в этом случае вычисляют как то есть выбирают коэффициент усиления по напряжению промежуПК точного каскада K u, равный коэффициенту усиления входного каскада.

Из компьютерной электронной базы кафедры и из справочной литературы [8] подбирают тип операционного усилителя.

Критерием пригодности операционного усилителя является следующая система неравенств где I вых – максимальный выходной ток операционного усилителя;

ния на выходе операционного усилителя; f воу – верхняя граничная частота операционного усилителя.

Рассчитывают номиналы резисторов и емкостей.

Схемы на операционных усилителях допускают широкий выбор номиналов резисторов цепи обратной связи R1, R 2, поэтому разработчики могут выбирать их номиналы в довольно широких пределах. Однако нежелательно применять в цепи обратной связи резистор R2 2МОм.

Для расчета схемы инвертирующего входного каскада на операционном усилителе (рис. 2) сначала задаются величиной резистора Уточняют значение коэффициента передачи входной цепи в области средних частот и вносят коррективы в величину коэффициента K u усиления входного каскада по напряжению.

После этого рассчитывают Если величина резистора R 2 получается более 2 МОм, то уменьшают величину резистора R1 и повторяют расчет R 2 и R 3.

Величину переменного резистора R 4 не рассчитывают, поскольку обычно применяют типовые схемы коррекции смещения нуля операционных усилителей, рекомендованные их изготовителями. Для операционных усилителей общего применения и прецизионных обычно величина резистора берется в пределах от 10 кОм до 100 кОм.

Величину резисторов R5 и R 6 находят, исходя из тока I потр потребления входного каскада от каждого источника питания Eп и Eп где U cm – напряжение стабилизации стабилитронов VD1,VD 2.

Напряжение U cm стабилизации должно быть равно требуемому напряжению питания операционного усилителя (при котором получается необходимый размах его выходного сигнала).

Напряжения источников питания выбирают как В схеме инвертирующего усилителя (рис. 2) конденсатор С влияет на амплитудно- и фазочастотную характеристики входного каскада.

Конденсаторы С2 и С3 служат для высокочастотной развязки по цепям питания. Теоретический расчет их номиналов очень сложен, поэтому обычно ограничиваются опытными величинами Расчет схемы неинвертирующего входного каскада (рис. 2) отличается тем, что сначала задаются величиной резисторов R 2 и R Величины сопротивлений R 2 и R3 не рекомендуется брать более 51 МОм.

После этого рассчитывают коэффициент передачи в области средних частот и вносят коррективы в величину требуемого коэффиВхК циента усиления K и входного каскада по напряжению.

Определяют В схеме неинвертирующего усилителя (рис. 2) на амплитудно- и фазочастотную характеристики входного каскада влияет не только конденсатор С1, но и С 2. Величины указанных емкостей рассчитывают по следующим формулам Целью данного расчета является определение величин емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов.

Наличие указанных реактивных элементов приводит к завалу амлитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот и, соответственно, к возникновению сдвига фаз между входным и выходным сигналом. В то же время, согласно заданию на проект, величина фазового сдвига не должна превышать доп. Обеспечить это требование можно, правильно распределив допустимые значения фазовых сдвигов, а именно:

ВК (0,3...0,4) f н – для выходного каскада;

ПОК (0,2...0,5) доп – для предоконечного каскада где доп – заданное допустимое значение фазового сдвига на весь усилитель.

Допустимый фазовый сдвиг i, вносимый одним реактивным сопротивлением в i-м каскаде определяется соотношением:

где N к – число реактивных элементов в i-м каскаде; к – допустимый фазовый сдвиг в каскаде.

С учетом выбранного распределения фазового сдвига емкости разделительных конденсаторов рассчитывают по формулам:

где R' Rвых Rвх Rвых – выходное сопротивление предыдущего каскада; Rвх – входное сопротивление последующего каскада (либо нагрузки); f н – нижняя граничная частота усилителя.

Величина емкости блокировочного конденсатора в цепи эмиттера транзисторов ( Cэ на рис. 4, а, C 3 на рис. 6 и 7) рассчитывают по формуле:

где Rэi – соответствующее сопротивление в цепи эмиттера ( Rэ на рис. 4, а, R 2 на рис. 6, 7);

Допустимые рабочие напряжения на разделительных конденсаторах выбирают из условия:

Полученное значение U C доп округляется в сторону большего стандартного значения для типовых значений напряжений.

Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий Кафедра электротехники и электроники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

«РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ»

по курсу “Электротехника и электроника»

группы Статические характеристики транзисторов Рис. 1. Статические характеристики транзисторов Рис. 2. Входные статические характеристики Рис. 3. Выходные статические характеристики Рис. 4. Выходные статические характеристики транзисторов КТ502А, В, Д, Е Рис. 5. Входные статические характеристики транзисторов КТ503А-Е Рис. 6. Выходные статические характеристики транзисторов КТ503А, В, Д, Е Рис. 7. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов:

Рис. 8. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов:

Рис. 9. Входные статические характеристики Рис. 10. Выходные статические характеристики транзисторов:

Рис. 11. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов:

Рис. 12. Входные статические характеристики транзисторов:

Рис. 13 Выходные статические характеристики Рис. 14. Выходные статические характеристики Рис. 15. Начальные участки выходных статических характеристик Рис. 16. Входные статические характеристики транзисторов:

Рис. 17. Входные статические характеристики транзисторов:

Рис. 18. Выходные статические характеристики транзисторов КТ818АМ-ГМ, КТ818А-Г Рис. 19. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов КТ818АМ-ГМ, КТ818А-Г Рис. 20. Выходные статические характеристики транзисторов КТ819А-Г, КТ819АМ-ГМ Рис. 21. Начальные участки выходных статических характеристик транзисторов КТ819АМ-ГМ, КТ819А-Г

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Изд-во стандартов, 1989.

2. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.: Высш. шк., 3. Гершунский Г.В. Справочник по расчету электронных схем. – Киев: Изд-во Киевского ун-та, 1983.

4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных интегральных схем / Пер. с анг. – М.: Мир, 1985.

5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Радио и связь, 1991.

6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1982.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы / Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985г.

8. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. – М.:

Радио и связь, 1990.

СОДЕРЖАНИЕ

3. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

СХЕМЫ

5. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

6. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

7. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОСНОВНЫХ

КАСКАДОВ УСИЛИТЕЛЯ

7.1. Расчет выходного каскада

7.1.1. Выбор выходных транзисторов

7.1.2. Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки

7.1.3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки

7.1.4. Определение основных параметров выходного каскада

7.2. Расчет предоконечного каскада

7.3. Расчет входного и промежуточного каскадов

7.4. Расчет элементов связи

П р и л о ж е н и е 1

П р и л о ж е н и е 2. Статические характеристики транзисторов..... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

РАСЧЕТ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов специальности _ Подписано в печать 27.10.2003. Формат 6084 1/16.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,26. Печ. л. 3,5. Уч.-изд. л. 3, _ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова,