| Міністерство транспорту та зв’язку України
Українська Державна Академія Залізничного Транспорту
Кафедра “Транспортний зв’язок”
ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ
Пояснювальна записка курсового проекту
з дисципліни “Електроніка та мікросхемотехніка”
Харків
2008
Зміст
Вступ
1 Попередній розрахунок підсилювача
1.1 Типова структурна схема підсилювача
1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду
1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів
1.4 Розподіл спотворень по каскадах
2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду
2.1 Розрахунок схеми на комплементарних транзисторах
2.2 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах
3 Розрахунок вхідного і проміжного каскадів
3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму
3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ
3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах
4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ
4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача
4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача
Висновок
Список літератури
Вступ
У наш час однією із самих швидко розвиваючих і перспективних галузей науки та техніки є електроніка. Зараз практично неможливо знайти яку-небудь галузь промисловості у якій би не використовувалися електронні вимірювальні прилади, пристрої автоматики й обчислювальної техніки. Але всього цього не було б без винаходу напівпровідних пристроїв, у тому числі транзисторів і діодів, які є тими елементарними цеглинками, з яких і будується сучасний будинок електроніки. Спочатку, транзистор був розроблений саме як підсилювальний прилад, покликаний замінити громіздкі електронні лампи, а вже пізніше став використовуватись як основний елемент логічних схем. З тих пір практично всі електронні підсилювачі виконуються на основі транзисторів.
Пристрій, призначенний для підсилення вхідного сигналу за рахунок енергії джерел живлення називається підсилювачем. Важливим типом підсилювача є підсилювач потужності. Будучи або самостійними пристроями, або частиною більш складних апаратів, підсилювачі знайшли широке застосування в радіомовленні, звуковому кіно, техніці звукозапису, телебаченні, радіолокації й радіонавігації, ядерній фізиці, медицині й біології, системах автоматики й т.д. У даному курсовому проекті зроблений розрахунок підсилювача потужності на транзисторах і мікросхемі.
1 Попередній розрахунок підсилювача
1.1
Типова структурна схема підсилювача
Як вхідний каскад підсилювача використовують резистивний підсилювач на мікросхемі ОП. З метою одержання основного підсилення сигналу, яке здійснюється проміжним каскадом, використовують схему на транзисторі за схемою ЗЕ, отже саме він володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення.
З метою забезпечення в навантаженні  необхідної потужності  , в якості вихідного каскаду підсилювача використовуємо безтрансформаторну двотактну схему, яка володіє малими габаритами і широким діапазоном частот.
 
Рисунок 1.1 Типова структурна схема підсилювача
1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду
За відомою потужністю на виході =8 Вт і опором навантаження =4 Ом визначають амплітуду напруги на виході:
Розраховуються необхідні коефіцієнти підсилення за напругою і потужністю:
 ;
 ;
де , - ЕРС і внутрішній опір джерела сигналу;
 - потужність на вході підсилювача при вхідному опорі  .
Так як напруга джерела живлення  не задана, то її необхідно визначити зі співвідношення:
 ,
де  , n=1,  ;
 напруга насичення транзистора (0,5… 2 В);
 амплітуда напруги сигналу на виході;
 (3…5)В- запас напруги, що враховує температурну нестабільність каскаду.
 В
 В
З ряду номінальних джерел вибираємо двополярне джерело живлення:
 В  В  В.
Вибираємо схему каскаду за вихідною потужністю:
Вихідна потужність – більше 1…5 Вт,
Режим транзисторів – В,
Схема каскаду-двотактний без трансформаторний каскад з ЗЕ на складених транзисторах.
Транзистори для вихідного каскаду вибираються за потужністю розсіювання на колекторі при максимальній робочій температурі, за максимальними величинами напруги і струму, а також за верхньою робочою частотою.
Якщо підсилювач забезпечує в навантаженні потужність  , то орієнтовне значення потужності, що розсіюється на колекторі, буде дорівнювати:
 Вт
де,  - для без трансформаторного каскаду;
 - коефіцієнт використання транзистора;
 - коефіцієнт, що враховує тип схеми ( двотактна ).
Для забезпечення надійної роботи підсилювача потужність повинна бути менше граничної потужності розсіювання транзистора при максимальній температурі навколишнього середовища 
Вибір транзистора вихідного каскаду проведемо відповідно до наступних умов:
 Вт
Визначимо максимально допустиму напругу:
 В
Гранична частота підсилення струму транзистора в схемі з ЗЕ  в обраного транзистора повинна задовольняти умові:
 Гц
Транзистор повинен забезпечити в навантаженні амплітуду струму:
 А
Максимальний припустимий струм колектора  повинен задовольняти умові:
 А
Обраний транзистор КТ817А задовольняє умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.1 Параметри транзистора КТ817А
| Тип
|
Структура
|
 МГц
|
Макс. доп. Параметри
|
|
| Ркмакст, Вт
|
Iк, А
|
Uкэ, В
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
| КТ817А
|
n-р-n
|
3
|
25
|
3
|
25
|
20
|
Перевіримо умову:
 Гц
Для схеми на складених транзисторах, крім вихідного транзистора, необхідно вибрати комплементарну пару, що задовольняє наступним умовам:
1)  Вт
2)  А
3)  В
4)  Гц
Обрані транзистори ГТ402А, ГТ404А задовольняють умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.2 Параметри транзисторів ГТ402А, ГТ404А
| Тип
|
Структура
|
МГц
|
Макс. доп. Параметри
|
|
| Ркмакст, Вт
|
Iк, А
|
Uкэ, В
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
| ГТ402А
|
р-n-р
|
1
|
4
|
0,5
|
25
|
30
|
| ГТ404А
|
n-р-n
|
Перевіримо умову:
 Гц
На вихідних характеристиках транзистора будується лінія навантаження, що проходить через точки “P” – (  /b; 0 ) і “M” – (/b- ;  ), де b=2- для без трансформаторної схеми. Точки: “P” (12;0) “M”(4;2). Рисунок 2. Вхідні та вихідні характеристики транзистора КТ817А
За амплітудою базового струму за допомогою вхідної характеристики визначається амплітуда вхідної напруги  =1,1-0,65=0,45В, а за ними - вхідний опір вихідного каскаду  Ом і величина ЕРС передкінцевого каскаду з вихідним опором  Ом
 В
Коефіцієнт підсилення кінцевого каскаду за потужністю орієнтовано визначається за формулою:
 ;
Орієнтовано коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою дорівнює:
 ;
1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів
Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів полягає у визначенні числа каскадів, типів і схем включення транзисторів чи мікросхем.
Амплітуда вхідної напруги і струму кінцевого каскаду:
 В
Для передкінцевого каскаду вибирається транзистор з потужністю, яка розсіюється на колекторі ( стоці ),
 Вт,
і максимально припустимим струмом колектора ( стоку ),
 А
і максимально допустимою напругою колектор емітер:
 В
Обраний транзистор КТ815В задовольняє умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.3 Параметри транзистора КТ815А
| Тип
|
Структура
|
 МГц
|
Макс. доп. Параметри
|
|
| Ркмакст, Вт
|
Iк, А
|
Uкэ, В
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
| КТ815В
|
n-p-n
|
3
|
1
|
1,5
|
60
|
40
|
Перевіримо умову:
 Гц
Коефіцієнти підсилення проміжного каскаду по потужності та напрузі:
Амплітуда вхідного струму передкінцевого каскаду:
 А
Амплітуда вхідної напруги передкінцевого каскаду:
 В
Вхідний опір передкінцевого каскаду:
 Ом
Рисунок 3.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ815В Мікросхеми для вхідного і проміжного каскадів вибирають за величинами вхідного струму, напруги й опору наступного каскаду. У використовуваної мікросхеми припустимий опір навантаження повинен бути менше, а величини максимальної вихідної напруги і струму ( і  )- більше відповідних вхідних величин наступного каскаду.
Умови вибору мікросхеми:
Параметри обраної мікросхеми представлені в таблиці 1.4
Таблиця 1.4 Параметри мікросхеми КР140УД1
| Тип
|
Коефіцієнт підсилення, тис
|
Частота одиничного посилення, МГц
|
Швидкість наростання вихідної напруги, V В/мкс
|
Максимальний струм, мА
|
Максимальна напруга, В
|
Мінімальний опір, кОм
|
Напруга живлення, В
|
Струм споживання, мА
|
Максимальна вхідна напруга, В
|
Вхідний опір, кОм
|
Вихідний опір, Ом
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
| КР140УД1
|
2
|
5
|
0,5
|
3
|
6
|
1
|
12,6
|
8
|
1,5
|
300
|
100
|
Перевіримо умову вибору:
 Гц
1.4 Розподіл спотворень по каскадах
Нелінійні спотворення цілком відносять на вихідних каскад. Щоб забезпечити малий рівень нелінійних спотворень у проміжних каскадах величини струму колектора і напруги колектор-емітер у робочій точці вибирають у 1,3…1,7 рази більше амплітуд перемінних складових струму і напруги.
Орієнтовно рівень нелінійних спотворень кінцевого каскаду можна оцінити за коефіцієнтами підсилення по струму в точках “P”, “M”.
  , А, А,
 , А, А,
 ,
 ;
 %
Величина коефіцієнта нелінійних спотворень (КНС)  оцінюється за співвідношенням цих коефіцієнтів для двотактного каскаду з режимом В- вище приблизно в 1,5 рази.
 < 2%
Отже місцевий НЗЗ не потрібний.
Лінійні спотворення в області нижніх частот вносяться розділовими і блокувальними конденсаторами, а також трансформаторами ( при їх наявності). Знаючи число і тип каскадів, можна визначити число елементів, що вносять спотворення, і сумарну величину спотворень:
 дБ
 дБ
Так як  , то не треба вводити НЗЗ.
Спотворення в області верхніх частот:
 дБ,
 дБ,
 дБ;
де  .
Сумарна величина спотворень  (дБ) повинна бути менше припустимої  дБ.
0,24 дБ < 2 дБ, отже НЗЗ не потрібний.
2
Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду
2.1 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах
Схема простого двотактного безтрансформаторного підсилювача наведена на рисунку 4.
Рисунок 4. Схема простого двотактового безтрансформаторного підсилювача
Складений транзистор у кінцевому каскаді, маючи високий вхідний опір, полегшує роботу передкінцевого каскаду і дозволяє одержати від нього велику амплітуду сигналу.
Методика розрахунку схеми на складених транзисторах цілком збігається з розрахунком простої схеми на комплементарних транзисторах. При цьому використовують параметри складеного транзистора, які можна визначити з наступних співвідношень:
 Ом
 Ом
Номінальне значення R3=R4=33 Ом.
 В
де  параметри транзисторів VT1, VT2;
 параметри транзисторів VT3,VT4;
 напруги зсуву транзисторів VT1 і VT3.
Розрахунок починається з визначення параметрів робочої точки:  В і  А для режиму В. На вихідних статичних характеристиках обраних транзисторів у координатах  будується лінія навантаження, що проходить через точки  і  -
(12;0)і (0;3);
Рисунок 5.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ817A
Знаючи необхідну амплітуду напруги в навантаженні  , визначаємо  В,
За допомогою вхідної статичної характеристики обраного транзистора, визначаємо:
 А,
 В,  В,
 мА,
 А,
 В, В,
 В, В,
 мА; А,
 В;
Постійний струм бази  визначається зі співвідношення:
 А
Оцінюємо задану потужність:
 Вт
У схемі з ЗК діє місцевий НЗЗ, глибина якого:
 ,
де
Резистори R1, R2 і діод VD ставляться в схемі, якщо вихідний і перед кінцевий каскади розділені конденсатором. Тоді опори R1, R2 приймають однаковими з розрахунку:
 ,
де 
 Ом
 мА
Номінальне значення R1=R2=1200 Ом = 1,2 кОм
Розраховуємо потужність, що розсіюється:
 Вт;
Діод вибирають таким, щоб спадання напруги на ньому складало  В, при струмі  мА. Вибираємо два діода типу Рисунок 6. ВАХ діода КД520
Вхідний опір дорівнює  , якщо ставиться дільник R1,VD,R2, де  Ом і  вхідний опір транзистора, обумовлений за вхідною характеристикою поблизу точки  .
 Ом;
Амплітуда напруги вхідного сигналу дорівнює:
 ,
де 
 В
І амплітуда вхідного струму дорівнює:
 А = 17 мА;
Будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора  . При цьому необхідно враховувати, що для безтрансформаторного каскаду
 , де  Ом.
Таблиця 1.5 Наскрізна динамічна характеристика
| Точки
|
|
|
|
|
| 0
|
0
|
0
|
0,65
|
0,65
|
| 1
|
0,5
|
0,01
|
0,8
|
3,84
|
| 2
|
1
|
0,025
|
0,9
|
7,5
|
| 3
|
1,5
|
0,05
|
1,05
|
12,25
|
| 4
|
1,9
|
0,07
|
1,1
|
15,98
|
 В,
 В,
 В,
 В,
 В;
Рисунок 7. Наскрізна динамічна характеристика
За цією характеристикою визначають коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці  без обліку впливу НЗЗ.
З урахуванням дії місцевого НЗЗ коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці  . Нелінійні спотворення по другій гармониці в двотактних схемах компенсуються тим краще, чим менше коефіцієнт асиметрії струму (Х) у плечах схеми. У залежності від точності застосовуваних елементів і розкиду параметрів транзисторів Х=0,1…0,5. Тоді  і, з обліком НЗЗ,  . Повний коефіцієнт гармонік дорівнює:
 ;
Ємність розділового конденсатора (при його наявності) визначається за припустимою величиною лінійних спотворень  (у відносних одиницях) на частоті  . Величина лінійних спотворень:  ;
 мкФ
Номінальне значення -  мкФ.
Частотні спотворення на нижній граничній частоті будуть рівні:
 дБ
Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті діапазону визначається виразом:  дБ.
3. Розрахунок вхідного і проміжного каскадів
3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму
Вихідними даними для розрахунку є параметри наступного каскаду: амплітуда перемінної напруги  на вході і вхідний опір  .
Розрахунок проводиться в такому порядку. Визначаються параметри робочої точки транзистора, що задовольняє умовам:
 А = 21 мА;
 В;
Отримані значення округляємо до цілих значень:  мА та  В;
Визначається значення струму бази  :
 А = 0,52 мА;
Постійна напруга  =0,7 В визначається за вхідною статичною характеристикою обраного транзистора і розрахованим струмом  . Опір резистора  визначається з умови:
 , де  …0,2 для каскаду ЗЕ.
 Ом;
Номінальне значення -  Ом.
Опір резистора  вибирається як менше з двох значень:
 Ом ,
 Ом ,
 Ом
Номінальне значення  Ом = 0,5 кОм.
Фільтр  в схему включати не потрібно, так як  .
Резистори R1 і R2 визначаються за формулами:
 ,  Ом
 Ом
 Ом,
де  =24 В – при відсутності фільтра.
 вхідний опір транзистора, а значення  визначається за статичними вхідними характеристиками транзистора поблизу точки  .
Номінальні значення R1=1600 Ом, R2=240 Ом.
Для всіх резисторів розраховується потужність, що розсіюється:
 Вт,
 Вт,
 Вт,
 Вт;
3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ
Схема каскаду наведена на рисунку 8. Вихідними даними для розрахунку є амплітуда перемінної напруги  і вхідний опір  каскаду, що підключається до виходу даної схеми.
Рисунок 8. Схема проміжного каскаду
Розрахунок по постійному струму проводиться за методикою розділу 3.1 Розрахунок по перемінному струму починається з визначення еквівалентному опору колекторного навантаження перемінному струму:
 Ом;
Вхідний опір каскаду перемінному струму дорівнює:
 ,
де  Ом , вхідний опір транзистора.
 Ом;
Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі визначається за формулою:
 ,
де  вихідна провідність транзистора, обумовлена за вихідними характеристиками поблизу робочої точки  .
 см
Амплітудне значення вхідної напруги дорівнює:
 В;
Вхідна потужність дорівнює:
 Вт = 0,5 мВт;
Ємності конденсаторів визначають з нерівностей:
 ,
 мкФ
Номінальне значення С2=20 мкФ.
 ,
 мкФ
Номінальне значення  мкФ, де
 Ом;
 ;
 Ом;
 і  величини спотворень, внесених конденсаторами С2 і  , які виражені у відносних одиницях;
 вихідний опір попереднього каскаду чи внутрішній опір джерела сигналу для вхідного каскаду. Якщо попередній каскад з ЗК чи на мікросхемі, то  Ом
Фактична величина спотворень, що внесені елементами схеми з обраними номіналами, визначається за формулами:
 дБ,
 дБ
Сумарна величина лінійних спотворень на нижній частоті дорівнює:
 дБ
Величина лінійних спотворень на верхній граничній частоті дорівнює:
 дБ
3.3
Розрахунок каскадів на мікросхемах
Розрахунок каскадів підсилення на мікросхемах полягає у виборі типу мікросхеми, здатної забезпечити на опорі  амплітуду  із припустимою величиною лінійних спотворень  і  . Для підсилення сигналів широко використовують мікросхеми операційних підсилювачів (ОП). На цих мікросхемах, застосовуючи зворотній зв’язок, можна реалізувати різні види підсилювачів.
Розрахунок каскаду по постійному струму полягає у виборі резистора фільтра  . Так як необхідна напруга  для мікросхем більш за джерело живлення  , то фільтр не треба включати в схему. Схеми ОП у більшості випадків вимагають двох джерел живлення. Однак їх можна підключати до одного джерела  . Схема підсилювача на ОП з живленням від одного джерела наведена на рисунку 9.
Рисунок 9. Схема підсилювача на ОП
При розрахунку каскаду на ОП по перемінному струму задаються величиною R2 з умови:
 Ом = 3 кОм.
Номінальне значення R2=3 кОм.
Величину резистора R3 визначають за необхідною величиною коефіцієнта підсилення за напругою  .
 ,
 Ом
Номінальне значення R3=93 кОм.
Резистор R1 визначають з умови  .
 кОм.
Номінальне значення R1=100 кОм.
При цьому враховується, що потужність, що розсіюється на них, звичайно не перевищує 125 мВт.
Фактичний коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:
 ;
Вхідний і вихідний опори:
 ,  кОм.
де  коефіцієнт підсилення,  і  - вхідний і вихідний опори ОП.
 ;  Ом.
При цьому повинні виконуватися умови:
 - ,
 - ,
 - ;
Амплітуда вхідної напруги:
 В = 7мВ.
Конденсатор С3 призначений для запобігання можливого збудження ОП на частотах вище  . Його ємність дорівнює:
 пФ;
Номінальне значення: С3=33 пФ.
Конденсатор С2 призначений для збільшення глибини НЗЗ за постійним струмом, що зменшує дрейф нуля ОП і стабілізує роботу каскаду. Ємність конденсатора визначають з умови:
 мкФ;
Номінальне значення: С2=5 мкФ.
Ланцюжок  забеспечує стійкість підсилювача, його конфігурація та параметри визначаються типом мікросхеми і вибираються за довідником.
 Ом,  пФ.
Ємність розділового конденсатора С4 визначається за формулою:
 мкФ;
Номінальне значення: С4=200 мкФ.
Величина спотворень, фактично внесених на нижній граничній частоті  , дорівнює:
 дБ,
а на верхній граничній частоті дорівнює:  дБ.
4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ
4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача
Якість підсилювача характеризується ступенем його відповідності технічному завданню. Найбільшою мірою це відображає коефіцієнти підсилення К,  і величини спотворень  ,  і  .
Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як добуток коефіцієнтів підсилення за напругою окремих каскадів  , розрахованих раніше:
 ;
Цей коефіцієнт має бути більше необхідного:
Ємність першого розділового конденсатора  на вході підсилювача визначається зі співвідношення:
 ,
де  внутрішній опір джерела сигналу,
 вхідний опір першого (вхідного) каскаду.
 мкФ;
Номінальне значення:  мкФ.
Величина спотворень, внесених ємністю, дорівнює:
 дБ;
Тоді, 
 дБ.
 дБ
де  ,  - величини лінійних спотворень, внесених і-им каскадом. Отримані величини не повинні перевищувати заданих:
 ,  дБ
 ,  дБ
4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача
Величина споживаного струму  визначається за відомими з попередніх розрахунків величинами колекторних (стокових) струмів спокою вхідного і проміжного каскадів  , постійною складовою струму колектора вихідного каскаду  , а також за струмами дільників базового зсуву  всіх каскадів, включаючи вихідний ( при наявності):
 А.
У двотактному каскаді режиму В-  =0,637 .
Потужність, споживана від джерела живлення,
 Вт.
ККД підсилювача дорівнює:
Висновок:
В ході курсового проекту був розрахован трьохкаскадний підсилювач потужності. Був вибран двотактний безтрансформаторний каскад, зібраний по схемі з загальним емітером (ЗЕ) на складених транзисторах. Наведені принципові схеми, вольт-амперні характеристики (ВАХ) транзисторів, діода, наскрізна динамічна характеристика.
Список літератури:
1. Гусев В.Г. Злектроника. - М.: Высшая школа. 1991. 622с.
2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -К.: Техника 1984. 424с.
3. Методические указания к курсовой работе по дисцеплине «Злектронные устройства ЖАТС». Часть З -X.: ХИИТ, 1988. 37с.
4. Методичні вказівки до курсового проекту з дисципліни « Електроніка та мікросхемотехніка». Часть 1 - X.: УкрДАЗТ. 2003. 62с.
5. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Под. ред. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985. 560 с.
6. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова. Издание второе, переработанное.. М.: Знергоатомиздат 1985. 902 с.
|
