Проектирование усилителя низкой частоты

Находим максимальную мощность P_вх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления R_вх усилителя и внутреннего выходного сопротивления R_ген источника 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 _p= (1,11,3) 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

33

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= (1,011,1) коэффициент запаса по напряжению;

r_нас= (0,11) 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 I_0k3 транзисторов VT3 и VT4:

(2.8)

где I_kоmax (50C) =1500мкА берётся в справочнике [11].

I_0k3< I_kдоп 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_пU_km3); (2.9)

А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);

Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): U_бm3=0,54В амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U_0б3=0,6В напряжение покоя базы; U_б3max=1,14В максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; I_бm3=57мА амплитудное значение тока базы; I_0б3=1,78мА ток покоя базы; I_б3max=55.22мА максимальное значение тока базы.

Входное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзисторов VT3 (VT4):

(2.10)

Номинал резисторов R₃ и R₄ для мощных транзисторов:

(2.11)

Мощность, выделяемая на резисторах R₃ и R₄:

(2.12)

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

Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1):

(2.13)

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2):

(2.14)

Принимается . По следующим неравенствам выбираются транзисторы VT1, VT2:

По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ815Б (n-p-n) со следующими параметрами:

Для построения линии нагрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются следующие координаты точек A' и A”:

, (2.15)

.

Переносим точки A' и A" на входные характеристики транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4).

По графику (рис.2.4) определяются следующие параметры:

амплитудное значение напряжения на базе;

амплитудное значение тока базы;

ток покоя базы транзистора;

напряжение покоя базы.

Определение основных параметров выходного каскада

Выходное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2):

(2.16)

Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3:

 (2.17)

Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4:

(2.18)

Амплитудное значение входного напряжения:

верхнего плеча (VT1,VT3):

(2.19)

нижнего плеча (VT2,VT4):

(2.20)

Требуемое падение напряжения U_од на диодах VD1, VD2 при токе

(2.21)

равно:

(2.22)

По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА, прямое напряжение должно быть больше 1,815В. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами:

Средний прямой ток 8мА;

При токе 0,27мА на диоде происходит падение напряжения равное 0.7В, поэтому необходимо брать 3 диодов.

Сопротивление резисторов R₁ и R₂ делителя

(2.23)

Мощность, выделяемая на резисторах R₁ и R₂:

(2.24)

Входное сопротивление верхнего плеча каскада с учетом R₁ и R₂:

(2.25)

Входное сопротивление нижнего плеча каскада:

(2.26)

Коэффициент усиления по напряжению:

верхнего плеча:

(2.27)

нижнего плеча:

(2.28)

среднее значение:

(2.29)

Коэффициент полезного действия всего каскада:

(2.30)

Мощность на выходе каскада:

(2.31)

Поправка к схеме

Рисунок 2.5 Уточнённый бестрансформаторный выходной каскад

Выбирается транзистор VT0 КТ3102А со следующими параметрами:

Мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7):

Поскольку , то выбранный транзистор подходит.

Определяются следующие токи:

Нахождение сопротивления R_э и C_э:

(2.32)

(2.33)

Мощность, выделяемая на резисторе R_э:

(2.34)

Определение сопротивлений R' и R”:

 (2.35)

(2.36)

Мощность, выделяемая на резисторах R' и R^”:

(2.37)

Уточнённое значение мощности рассеивания одним транзистором VT3 (или VT4):

(2.38)

Тепловое сопротивление корпус-среда:

(2.39)

Площадь радиатора:

(2.40)

где K_T=0,00120,014 Втсм²град^-1 коэффициент теплоотдачи.

3. Расчет предоконечного каскада

6. Расчет элементов связи

Распределение фазовых сдвигов:

Для входного каскада:

(7.1)

Для предоконечного и промежуточных каскадов:

(7.2)

(7.3)

Для выходного каскада:

(7.4)

(7.5)

Литература