Загрузка...

Усилители


1. Теоретическая справка

Усилителем называется устройство, увеличивающие ток электрического сигнала, являясь неотъемлемой частью практически любого электрического устройства. Усилители по своим свойствам, функциям, схемам и характеристикам подразделяются на множество классов например: усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, полосовые усилители, малошумящие усилители, усилители тока, напряжения, двухтактные, операционные и т.д.
Для оценки работы усилителей используется ряд параметров, основными из которых являются коэффициент усиления (ku), полоса усиливаемых частот (Fmin – Fmax), коэффициент гармоник (kГ), динамический диапазон (D), коэффициент шума (kш), коэффициент полезного действия (?) и другие. Многие из перечисленных коэффициентов приводятся в децибелах. Связь между значениями коэффициентов в децибелах и разах следующая:
— для токов, напряжений ki,u (дб) = 201д ki,u (раз)
— для мощностей kp (раз) = 101 kp (раз)
Такое значение весьма удобно, поскольку при каскадном соединении усилителей, соответствующие коэффициенты, выраженные в децибелах, суммируются.
Транзистор, включенный по той или иной схеме способен усиливать сигналы, только если на его электродах обеспечены соответствующие начальные напряжения. Эти напряжения задают ток коллектора, а в отсутствии входного сигнала – ток покоя.
Совокупность всех элементов, обеспечивающих напряжение и ток покоя транзистора, принято называть каскадом.
Стабилизатор напряжения – это устройство, предназначенное для поддержания стабильного напряжения на нагрузке, при изменении питающего напряжения. Стабилизаторы напряжения делятся на 3 группы:
1) Параметрические;
2) Компенсационные;
3) Ключевые.
Основными показателями стабилизатора являются: коэффициент стабилизации (kст), выходное сопротивление (Rвых), коэффициент полезного действия (?)

2. Расчет схемы по постоянному току

Для своего усилителя я выбрал каскады с транзисторами соединенными по схеме с общим эмиттером (1-й и 3-й каскады) и каскад на составном транзисторе по схеме Дарлингтона (2-й каскад).
Во всех каскадах я использовал транзисторы средней мощности КТ315А с коэффициентом передачи тока (h21Э) равным 20…90, и емкостью база коллекторного перехода (Сбк), равным 7пФ. Эти транзисторы обеспечивают работу усилителя в заданных частотах.
В стабилизаторе питания, я использовал транзистор КТ206А с коэффициентом передачи тока (h21Эmin) равным 30, максимальным током коллектора (Ikmax) равным 20мА.
Резисторы все типа МЛТ и мощностью 0,125Вт.
Конденсаторы все типа МБП в металлокерамическом корпусе.

2.1 Расчет 1-го каскада усилителя

Этот каскад состоит из резисторов R1, R2 образующих делитель; R3 – задающего ток коллектора; R4 – служащего для уменьшения влияния температуры на работу транзистора; конденсатора C2 – служащего для блокировки действия отрицательной обратной связи по переменному току и исключения ее влияния на усиливаемый переменный сигнал; конденсатора C1 разделительный конденсатор, который предотвращает шунтирование электродов транзистора по постоянному току и беспрепятственно пропускает сигнал переменного тока, а также транзистора VT1.
Зададимся напряжением на резисторе R4 ( UR4= 2 В ). Найдем напряжение на всех остальных резисторах.
UR3 = (Eп-UR4)/2 = (10-2)/2 = 4 (В) ;
UR2 = UR4+0,6В= 2+0,6В = 2,6 (В) ;
UR1 = Eп-UR2 = 10-2,6 = 7,4 (В)
Так как этот каскад является входным, то необходимо получить входное сопротивление, соответствующее условию (Rвх=2кОм). Составим уравнение для Rвх:
1/Rвх = 1/R1+1/R2+1/h11Э
Rвх = (R1R2h11Э) / ( R2h11Э+R1 h11Э +R1R2)
Заменим в уравнении R1, R2, h11Э на:
R1 = UR1/3IБ ; R2 = UR2 /2IБ ; h11Э = 0,025 /IБ
тогда уравнение примет вид:
Rвх = (UR1UR20,025) / (3UR20,025+2UR10,025+UR1UR2)IБ =>
=> Rвх =0.481 / (19.805 IБ) => IБ=0.481 / (19.805 ? 2000) =>
=> IБ = 0.000012 (12 мкА)
Рассчитаем сопротивления резисторов R1, R2 и входное сопротивление транзистора VT1 (h11ЭVT1) :
R1 = UR1/3IБ = 7,4/(3?0,000012) = 205555 (Ом)
По справочнику определяю стандартное сопротивление: R1 = 3кОм
R2 = UR2 /2IБ = 2,6/(2?0,000012) =108333 (Ом) стандартное сопротивление R2 = 110 кОм
h11Э = 0,025 /IБ = 0,025/0,000012 = 2083 (Ом)
Нахожу ток коллектора следующим образом:
IК = IБ h21ЭVT1ср , где h21ЭVT1ср – средний коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером
h21ЭVT1ср = (20+90)/2 = 55 , тогда
IК = 0,000012?55=0,00066 (660 мкА)
Теперь можно найти сопротивления R3 и R4:
R3 = UR3 /IК = 4/0,00066 = 6060 (Ом) ,нахожу стандартное сопротивление: R3 = 6,2 кОм
R4 = UR4 /IК = 2/0,00066 = 3030 (Ом) ( R4 = 3,3 кОм )

2.2 Расчет 2-го каскада усилителя

Этот каскад использует схему Дарлингтона. Этот каскад состоит из резисторов R5, R6, R7, R8, транзисторов VT2 и VT3, а также конденсаторов C3 и C4. Он аналогичен предыдущему, поэтому все элементы несут смысловую нагрузку такую же, как и в первом каскаде.
Зададимся напряжением на резисторе R8 ( UR8 = 2 В ) и током коллектора IК ( IК = 2мА). Найдем сопротивление резисторов R7, R8 и напряжение на этих резисторах:
R8 = UR8 /IК = 2/0,002 = 1 (кОм) ;
UR7 = (Eп-UR8)/2 = (10-2)/2 = 4 (В) ;
R7 = UR7 /IК = 4/0,002 = 2 (кОм)
Найдем ток базы IБ: IБ = IК / h21ЭVT2,VT3ср
где h21ЭVT2,VT3ср – общий коэффициент передачи тока транзисторов VT2 и VT3. Он находится из соотношения
h21ЭVT2,VT3ср = h21ЭVT2ср + h21ЭVT3ср + h21ЭVT2ср?h21ЭVT3ср ,т.о.
h21ЭVT2,VT3ср = 55 + 55 + 55?55 = 3135
тогда ток базы будет равен : IБ = 0,002/3135 = 0,00000064 (0,64 мкА)
Зная ток базы можно найти общее сопротивление транзисторов VT2 и VT3 h11ЭVT2,VT3 :
h11ЭVT2,VT3 = 0.025/IБ = 0.025/0.00000064 =39246 (Ом)
Зададим ток делителя, как утроенный ток базы, тогда :
IД = 3?IБ = 3?0,00000064 = 0,0000019 (1,9 мкА)
Исходя из полученных данных найдем сопротивления оставшихся резисторов :
UR6 = UR8+1,2В= 2+1,2В = 3,2 (В) ;
UR5 = Eп-UR6 = 10-3,2 = 6,8 (В)
R6 = UR6/(IД — IБ) = 3,2/(0,0000019-0,00000064) = 2539682 (Ом)
по справочнику определяю стандартное сопротивление:
R6= 2,5 МОм
R5 = UR5 /IД = 6,8/0,0000019 = 3578947 (R5 = 3,6 МОм)
2.3 Расчет 3-го каскада усилителя

Этот каскад аналогичен 1-му каскаду.

Зададимся напряжением на резисторе R12 ( UR12 = 2 В ) и током коллектора IК ( IК = 2мА), тогда :
UR11 = Eп — UR12 = (10-2)/2 = 4 (В) ;
UR10= UR12+0,6В= 2+0.6В = 2.6 (В) ;
UR9 = Eп-UR10 = 10-2.6 = 7.4 (В)

Найдем ток базы IБ: IБ = IК / h21ЭVT4ср , при h21ЭVT2,VT3ср = 55 :
IБ = 0,002/55 = 0,000036 (36 мкА)
Нахожу сопротивление транзистора VT4 — h11ЭVT2,VT3 :
h11ЭVT4 = 0.025/IБ = 0.025/0.000036 = 694 (Ом)
Принимаю ток делителя, равным 3?IБ , тогда :
IД = 3?IБ = 3?0,000036 = 0,000108 (108 мкА)

По найденным параметрам, нахожу резисторы R9, R10, R11 и R12
R10 = UR10/(IД — IБ) = 2,6/(0,000108-0,000036) = 36111 (Ом)
по справочнику определяю стандартное сопротивление: R10= 36 кОм
R9 = UR9 /IД = 7,4/0,000108 = 68518 (R9 = 68 кОм)
R11 = UR11 /IК = 4/0,002 = 2 (кОм) ;
R12 = UR12 /IК = 2/0,002 = 1 (кОм)

Загрузка...