Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра электротехники и электроники
РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО
КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ
Методические указания к курсовой работе для студентов, обучающихся по специальности 220301 и по направлению 220200 всех форм обучения Санкт-Петербург 2008 3 УДК 621.3 Дорошков А.В. Расчет выходного каскада усилителя: Метод.
указания к курсовой работе для студентов, обучающихся по специальности 220301 и по направлению 220200 всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2008. – 31 с.
Сформулирована цель курсовой работы и даны задания для расчета 30 вариантов бестрансформаторных выходных каскадов (усилителей мощности) переменного тока низкой частоты. Указаны требования к содержанию пояснительной записки и графической документации. Приведена методика расчета. В приложении даны статические характеристики ряда мощных биполярных транзисторов, применяемых в усилителях.
Рецензент Канд. техн. наук, доц. Ю.А. Рахманов Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы и задание для расчета Основной целью курсовой работы является овладение методикой и навыками инженерного расчета бестрансформаторных выходных каскадов (усилителей мощности) переменного тока на транзисторах. Работа выполняется в соответствии с учебным планом студентами, обучающимися по направлению подготовки бакалавров «Автоматизация и управление» и по направлению подготовки дипломированных специалистов 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств пищевой промышленности» всех форм обучения.Исходные данные для расчета выходного каскада приведены в табл. 1. В ней даны эффективные величины напряжений UН на нагрузке.
Выходной каскад должен быть спроектирован как функционально законченное устройство с минимальным числом источников питающих напряжений. В нем 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 Номинальное выходное Сопротивление источДопустимый фазовый температур tН…tВ, оС ника сигнала Rг, Ом Верхняя граничная Нижняя граничная напряжение UН, В Диапазон рабочих нагрузки RН, Ом Сопротивление Номер задания Номер задания Требования к пояснительной записке Пояснительная записка к курсовой работе выполняется рукописным или машинописным способом на одной стороне листа формата А в соответствии с требованиями действующих стандартов. Она должна содержать:
– Титульный лист (см. прил. 1).
– Задание на курсовую работу.
– Содержание.
– Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов (если они имеются).
– Выбор принципиальной схемы выходного каскада и описание ее работы.
– Выбор выходных транзисторов.
– Определение режима работы выходных транзисторов по постоянному току и построение линии нагрузки.
– Выбор предвыходных транзисторов.
– Определение режимов работы предвыходных транзисторов по постоянному току и построение линии нагрузки.
– Определение основных параметров выходного каскада.
– Расчет элементов межкаскадной связи.
– Заключение.
– 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 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.
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.
Электрическая схема по формату, условным графическим обозначениям, шрифтам и масштабам строго должна соответствовать требованиям действующих стандартов. Схема может быть выполнена в карандаше либо при помощи графопостроителя (плоттера) на формате А3 или А4. 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.
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 мощности и технические требования, предъявленные к нему в задании на работу.
– Пути решения поставленной задачи, выбор оптимальных вариантов построения.
– Состав и принцип действия усилителя.
– Реализация 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.
ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Принципиальную схему проектируемого выходного каскада составляют на основе типовой схемы (рис. 1). На данном этапе схема является ориентировочной, поскольку после выполнения расчетов может потребоваться ее корректировка. Например, для увеличения величины входного сопротивления проектируемого усилителя окажется необходимым увеличение числа транзисторов в плечах каскада и т. п.При составлении принципиальной схемы необходимо учесть следующее:
– Коэффициент усиления по напряжению бестрансформаторного выходного каскада меньше единицы и обычно лежит в следующих пределах:
где U вх m – амплитудное значение напряжения на входе входного каскада.
– Выходной каскад лучше следует выполнять на комплементарных парах транзисторов.
– В качестве элементов связи между источником сигнала, каскадами и нагрузкой проще всего использовать разделительные конденсаторы, которые устраняют взаимосвязь каскадов по постоянному току.
– Для питания усилителя целесообразно применять двуполярные источники питания.
Рис. 1. Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных транзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп) Расчет выходного каскада заключается в решении следующих основных задач:
– составление принципиальной схемы выходного каскада, позволяющей реализовать требуемые коэффициенты усиления сигнала по мощности и напряжению, а также обладающей КПД не менее 40…55 %;
– подбор транзисторов, исходя из требуемой мощности Pн в нагрузке, температуры окружающей среды tв и заданного либо выбираемого напряжения Eп источника питания;
– выбор оптимальных режимов работы транзисторов по постоянному току, обеспечивающих малый уровень нелинейных искажений в заданном интервале температур;
– определение 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 );
– нахождение минимально-необходимой площади S радиаторов.
Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT 3 (VT 4) (см. рис. 1) где U н – эффективное значение напряжения на нагрузке.
Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT 3 (VT 4) Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке Необходимое напряжение источника питания где 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, E, из компьютерной базы кафедры подбирают транзисторы VT 3 и VT 4, отдавая предпочтение приборам с малым обратным током I к 0.
Отбор выполняется в два этапа.
На первом этапе проверяют, удовлетворяют ли предельнодопустимые 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 где tк max tв (15...30) – максимальная температура коллекторного перехода, C; t в – верхнее значение диапазона рабочих температур, C.
Если оказывается, что то транзисторы подходят.
Из компьютерной базы 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;
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 VT 3 (VT 4) 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 Iок3 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 VT 3 (VT 4) строят нагрузочные прямые по переменному току с координатами (рис. 2):
Рис. 2. Построение нагрузочной прямой транзистора VT3 (VT4) В результате построения нагрузочной прямой находят ток покоя базы Iоб3, максимальный ток базы I б3 max и вычисляют амплитудное значение тока базы Перенеся соответствующие значения токов Iоб3 и I б3 max на входную характеристику (рис. 3), находят для транзисторов VT 3 (VT 4) напряжение покоя базы Uоб3, максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе U бm3 max и вычисляют амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе Рис. 3. Определение параметров входного сигнала После этого рассчитывают:
– входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT 3 (VT 4) – номиналы резисторов R3 и R R3 R4 (2...5)Rвхбэ3 (для маломощных транзисторов);
3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT 2) Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT 2) Соответственно амплитудное значение тока коллектора I кm1 I эm1, так как коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице.
Аналогично выбору выходных транзисторов VT 3 (VT 4) выбирают транзисторы VT1 и VT 2.
Транзисторы подходят, если выполняются неравенства:
Для построения линии нагрузки по постоянному току транзисторов VT1 (VT 2) выбирают следующие координаты точек A' и A'' (см. рис. 4):
где Uкm1 Uкm3 Uбm3.
Рис. 5. Определение параметров входного сигнала В результате построения нагрузочной прямой находят ток покоя базы Iоб1, максимальный ток базы I б1max и вычисляют амплитудное значение тока базы Перенеся соответствующие значения токов Iоб1 и I б1max на входную характеристику (рис. 5), находят для транзисторов VT1 (VT2) напряжение покоя базы Uоб1, максимальное значение напряжения на базоэмиттерном переходе U бm1max и вычисляют амплитудное значение напряжения на базоэмиттерном переходе 4. Определение основных параметров выходного каскада Входное сопротивление базоэмиттерного перехода транзистора VT1 (VT 2) Входные сопротивления верхнего и нижнего плеча выходного каскада в силу комплементарности транзисторов можно считать одинаковыми, поэтому входное сопротивление выходного каскада Амплитудное значение входного напряжения:
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 Iод через цепочку R1–VD1–VD2–R2, 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 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 VT 3 ( VT 4 ) 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.
Целью данного расчета является определение величин емкостей разделительных конденсаторов С1 и С2.
Наличие указанных реактивных элементов приводит к завалу амлитудно-частотной характеристики усилителя в области низких частот и, соответственно, к возникновению сдвига фаз между сигналами до и после разделительных емкостей.
Обозначим фазовый сдвиг, вносимый разделительным конденсатором C1 через 1, а фазовый сдвиг, вносимый разделительным конденсатором C 2 через 2. Согласно заданию на работу, общая величина фазового сдвига сигнала в выходном каскаде не должна превышать допустимую доп 1 2. Обеспечить это требование можно, правильно распределив допустимые значения фазовых сдвигов, вносимых разделительными конденсаторами С1 и С2.
На практике фазовый сдвиг 2, вносимый конденсатором C 2, трудно сделать малым из-за небольшой величины сопротивления нагрузки Rн. Для минимизации величины емкости конденсатора C принимают:
Емкости разделительных конденсаторов рассчитывают по формулам:
Допустимые рабочие напряжения на разделительных конденсаторах выбирают из условия:
Полученное значение U C доп округляется в сторону большего стандартного значения для типовых значений напряжений.
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра электротехники и электроникиПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
«РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ»
по курсу «Общая электротехника и электроника»Статические характеристики транзисторов Рис. 1. Статические характеристики транзисторов Рис. 2. Входная статическая характеристика Рис. 3. Выходные статические характеристики Рис. 4. Выходные статические характеристики транзисторов КТ502А, В, Д, Е Рис. 5. Входная статическая характеристика Рис. 6. Выходные статические характеристики транзисторов КТ503А, В, Д, Е Рис. 7. Входная статическая характеристика Рис. 8. Выходные статические характеристики транзисторов:
Рис. 9. Входные статические характеристики транзисторов:
Рис. 10 Выходные статические характеристики Рис. 11. Выходные статические характеристики Рис. 12. Начальные участки выходных статических характеристик Рис. 13. Входные статические характеристики транзисторов:
Рис. 14. Входные статические характеристики транзисторов:
Рис. 15. Выходные статические характеристики транзисторов КТ819А–Г, КТ819АМ, БМ, ВМ, ГМ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 2004. – 790 с.2. Дорошков А.В. Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты: Метод. указания к выполнению курсовой работы по курсу «Электротехника и электроника» для студентов спец. 210200 и специализации 210206 всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. – 51 с.
3. Дорошков А.В. Теория и компьютерное моделирование устройств электроники: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУНиПТ, 2006.
131 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕЦель работы и задание для расчета
Требования к пояснительной записке
Порядок защиты курсовой работы
1. Выбор выходных транзисторов
2. Выбор режима работы по постоянному току и построение линии нагрузки
3. Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы 5. Расчет элементов связи
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Форма титульного листа
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Статические характеристики транзисторов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
«