Усилитель мощности на дискретных элементах

Развитиеусилителейнеразрывносвязано с появлениеми совершенствованиемусилительныхэлементов –сначала ламп,затем транзисторов,интегральныхсхем и другихэлектронныхприборов, усиливающихэлектрическиесигналы.

Ламповаяусилительнаятехника сталаразвиватьсяв результатепоявления в1904г. вакуумногодиода, изобретенногоамериканскиминженеромФлемингом, ив особенности после изобретения Ли де Форестом в 1907г. вакуумноготриода.

Вразвитие теориии техники усилителейвнесли свойвклад и отечественныеспециалисты.Так, в 1910г. В.И.Коваленковсоздает усилительна триоде, а в1915г. демонстрируетна всероссийскомсъезде инженеров– электриковпервые в мире макеты телефонных усилителей для международнойсвязи, которыеоказалисьлучшими средианалогичныхусилителей,предложенныхспециалистамииз других стран.Усилители,разработанныеВ.И. Коваленковым, были использованы в 1922г. на телефоннойлинии между Москвой иЛенинградом,а в 1931г. – междуМосквой и Кузбассом.

В1918г. была основанаНижегородскаярадиолаборатория,руководимаяМ.А. Бонч – Брускевичем,которая освоилавыпуск маломощныхприемо - усилительных,а также маломощныхгенераторныхламп, используемых,соответственнов радиоприемнойи радиопередающейаппаратуре.Молодой сотрудникрадиолабораторииО.В. Лосев открылв 1922г. свойствокристаллическогодетектораусиливать и генерировать электрический колебания.Работы О.В. Лосева,несомненноспособствовалиизобретениюв будущем транзистора. В 1925г. А.И. Берг разработал теорию линеаризацииламповыххарактеристик,создал основыметодики инженерногорасчета усилителей.В первой крупноймонографииА.И. Берга «Основырадиотехнических расчетов усилителей» подробно анализировал все известныев то время ламповыекаскады. Дальнейшее развитие теории и расчета усилителей было отражено в работе М.Т.Марка «Усилителинизкой и высокойчастоты (расчети проектирование)»и «Усилителинизкой частоты».

Резкийскачек в улучшениипоказателейусилителейпроизошел врезультатепримененияв них отрицательнойобратной связи,предложеннойв 1927г. американскиминженером Х.Блеком.

Вовторой половине30-х годов начинаютсоздаватьсяширокополосныеусилителигармоническихи импульсныхсигналов,предназначенныедля телевидения,радиолокациии т.д. Значительноеместо в Разработкетаких усилителейзанимают работыГ.В. Брауде, атакже О.Б. Лурье,предложившегопроведениеих анализа ирасчета наоснове использованияпереходныххарактеристик.

Транзисторнаяусилительнаятехника получилавозможностьсвоего развитияпосле изобретенияв 1948г. американскимиучеными Дж.Бардин, У. Браттейноми У. Шокли трехэлектродногополупроводниковогоусилительногоэлемента –транзистора,ставшего быстровытеснятьэлектроннуюлампу из радиотехническихустройств.Большой вкладв развитиетеории усилителейвнесли такиеученые. Как Х.Найквест, атакже Р. Борде,перу которогопринадлежитизвестнаямонография«Теория цепейи проектированиеусилительныхустройств собратной связью».

Определеннуюроль в развитиитеории и практикиусилителейсыграли работыотечественныхученых Г.С. Цыпкина,Г.В. Войжвилло,С.Н. Кризе, Н.Л.Безладкова,А.Г. Муродянаи другие.

60-егоды нынешнегостолетияознаменовалисьсозданиемлауреатамиНобелевскойпремии академикамиН.Г. Басовым иА.М. Прохоровымквантовыхусилителей, способных работать как в оптическим, так и в радиодиапазоне.Эти усилителистали применятьв оптическихсистемах, системахсвязи, космическихсистемахрадиолокации,медицинскойтехнике и т.д.В этот же периодбыли продолжены(начатые ещев 1945г.) работы посозданию болеесовершеннойаппаратурыдля системпередачи сиспользованиемкабельныхлиний. Вследза разработанной(в период 1945-1960гг.)аппаратуройна 24 и 60 телефонных каналов к 1960г. было разработанои внедренооборудованиеболее сложнойсистемы К-1920 (на1920 каналов), позволяющимпередаватьнаряду с телефонными сигналами и телепрограммы. Эта системаимела спектр передаваемых частот 312 – 8524 кГц по однополосному способу. Вдальнейшем был создан усовершенствованный вариант этой системы К-1920У.

Ваппаратуресистем передачинемаловажнаяроль отводитсялинейным усилителям,входящих в еесостав, а также устройствамавтоматическогорегулированияусиления иамплитудно-частотнойкоррекции.

Впоследствиибыла созданасистема К-3600 ( на3600 каналов ), работающаяв диапазонечастот 0.8 .. 18 МГц.В свое времябыла разработанааппаратурасистемы К-5400 сполосой частотдо 30 МГц и системаК-10800 ( на 10800 каналов)

Стремлениек дальнейшемусовершенствованиюусилительнойтехники, улучшениюее показателей,привело в конце60-х гг. к созданиюусилителейна основе интегрально(планарной)технологии.Усилители,выполненныес помощью этойтехнологии,имеют малыегабариты иэнергопотребление,обладают высокойнадежностью,хорошимиэкономическимии качественнымипоказателями.В разработкуметодов анализаи расчета усилителейс использованиеминтегральныхмикросхемвнесли значительныйвклад работытаких ученых,как Л. Хьюлсман,Дж. Греш, Р. Видлар,Дж. Ленк, И. Достал.Из отечественныхспециалистовв этой областиможно отметитьработы В.А. Шило,А.Г. Алексеенко,Е.А. Калобеа,А.Г. Остапенко,Д.Е. Полынникова.

Впоследние годыбыстрыми темпамиразвиваетсяоптоэлектроника,представляющаярадел наукии техники,объединяющийкак оптические,так и электронныеявления, с созданиемна этой основеразличныхприборов, схеми систем. Вчастности, всешире используетсяволоконно-оптическиесистемы связи,в состав которыхвходят и усилительныеустройства.Заметную рольв развитиитехническогопрогрессавообще и усилительнойтехники в частностисыграло созданиеЭВМ. Машинноепроектированиеэлектронныхсхем, в том числеи электронныхусилителей,представляетсобой сравнительноновую областьнауки и техники– схемотехническоепроектирование.

ПервоначальноЭВМ использовалидля нахожденияоптимальныхрезультатовработы усилительныхэлементов,основных параметрови характеристик,в частностиаплитудо - частотныххарактеристики фазо - частотныххарактеристик.Впоследствиис помощью ЭВМстали решатьсязадач синтеза,в том числе икорректирующихLCR- элементов вцепях межкаскадныхсвязей, в цепяхобратной связи,а также вчастотноформирующихцепях на входе и выходе усилителя.

Сшироким применениеинтегральныхсхем машинноепроектированиемикроэлектронныхустройствприняло формусистемы автоматизированногопроектирования.

Классификацияусилителей

Делениена типы осуществляютпо назначениюусилителя,характерувходного сигнала,полосе и абсолютномузначению усиливаемыхчастот, видуиспользуемыхактивных элементов.

1. Посвоему назначениюусилителиусловно делятсяна усилителинапряжения,усилители токаи усилителимощности. Еслиосновное требование– усилениевходного напряжениядо необходимогозначения, тотакой усилительотносится кусилителямнапряжения.Если основноетребование– усилениевходного токадо нужногоуровня, то такойусилительотносят к усилителямтока. Следуетотметить, чтов усилителяхнапряженияи усилителяхтока одновременнопроисходитусиление мощностисигнала (иначевместо усилителядостаточнобыло бы применитьтрансформатор).В усилителяхмощности вотличие отусилителейнапряженияи тока требуетсяобеспечитьв нагрузкезаданный илимаксимальновозможныйуровень сигнала.

2. Взависимостиот характеравходного сигналаразличаютусилителигармонических(непрерывных)сигналов иусилителиимпульсныхсигналов. Кпервой группеотносятсяустройствадля усилениянепрерывныхгармоническихсигналов иликвазигармоническихсигналов,гармоническиесоставляющиекоторых изменяютсямного медленнеевсех нестационарныхпроцессов вцепях усилителя.Ко второй группеусилителейотносятсяустройствадля усиленияимпульсовразличнойформы и амплитудыс допустимымиискажениямиих форм. В этихусилителяхвходной сигнализменяетсянастолькобыстро, чтопроцесс установленияколебанийявляетсяопределяющимпри нахожденииформы сигнала.

3. Полосаи абсолютныезначения усиливаемыхчастот позволяютразделитьусилители наследующиетипы.
   Усилителипостоянноготока предназначеныдля усиленияэлектрическихколебаний впределах отнижней частоты,равной нулю,до верхнейрабочей частотыусилителя.Главным являетсято, что ониусиливаютпостоянныеи переменныесоставляющиевходного сигнала.
   Усилителипеременноготока предназначеныдля усилениялишь переменныхсоставляющихвходного сигнала.В зависимостиот граничныхзначений рабочегодиапазоначастот усилителипеременноготока могутбыть низкойи высокой частоты.По ширине полосыусиливаемыхчастот выделяютизбирательныеи широкополосныеусилители.

4. Породу применяемыхактивных элементовусилителиделятся натранзисторные,магнитные,диодные, ламповые,параметрическиеи др.
   В качествеактивных элементовв настоящеевремя в усилителяхчаще используютсяполевые илибиполярныетранзисторы,либо интегральныесхемы. Значительнореже применяютсяактивные элементыв виде нелинейныхемкостей илииндуктивностейи специальныетипы полупроводниковыхдиодов.

Режимыработы усилителей

Режимработы усилителяопределяетсяначальнымположениемрабочей точкина сквознойдинамическойхарактеристикеусилительногоэлемента, тоесть на характеристикезависимостивыходного токаусилительногоэлемента отЭДС входногосигнала.

Различаюттри основныхрежима работы– режимы А, В,С.

В режимеА рабочая точкаО выбираетсяна серединепрямолинейногоучастка сквознойдинамическойхарактеристики.Выходной сигналпрактическиповторяет формувходного сигналапри относительнонебольшойвеличине последнего.Нелинейныеискажения приэтом минимальны.Ток в выходнойцепи существуетв течение всегопериода входногосигнала. Приэтом среднеезначение выходноготока великопо сравнению амплитудойего переменнойсоставляющей.Поэтому КПДкаскада невысок– 20-30%.

В режимеВ рабочая точкавыбираетсятак, чтобы токчерез усилительныйэлемент протекалтолько в теченииполовины периодавходного сигнала.Усилительныйэлемент работаетс так называемойотсечкой. Токпокоя из-занижнего изгибасквознойхарактеристикиоказываетсяне равным нулю,и форма выходноготока искажаетсяотносительновходного. Вкривой токапоявляютсявысшие гармоники,что приводитк увеличениюнелинейныхискажений посравнению срежимом А. Среднеезначение выходноготока уменьшается,в результатечего КПД каскададостигает60-70%.

Существуетеще промежуточныйрежим АВ, когдарабочая точкавыбираетсяна сквознойхарактеристикениже, чем точкаА и выше, чем врежиме В. Поэтомуи показателиэтого режимаимеют промежуточноезначение междурежимами А иВ – КПД 40-50% приневысокомуровне нелинейныхискажений.

Типысвязи междуотдельнымиусилительнымикаскадами.

Можно выделитьследующие типысвязи междуотдельнымиусилительнымикаскадами:гальваническую(непосредственную);емкостную (спомощью RC0цепочек); трансформаторную;с помощьючастотно-зависимыхцепей; оптронную.

Для сравнительнонизкочастотныхусилителей чаще используютпервый и второйтип связи. Третийприменяют режеиз-за большихгабаритовтрансформаторов,невозможностиих микроминиатюризации,высокой стоимости,сложностиизготовление,повышенныхнелинейныхискажений.Четвертый типиспользуютпри созданииизбирательныхусилителей,а пятый применяетсясравнительноредко, тольков специальныхслучаях, когдапри низкойрабочей частотетребуетсяхорошая гальваническаяразвязка междукаскадами.

Обратная связь.

Обратнуюсвязь (ОС) называютотрицательной,если ее сигналвычитаетсяиз входногосигнала, иположительной,если сигналОС суммируетсяс входным. ПриотрицательнойОС коэффициентусиления уменьшается,а при положительной– увеличивается.Из-за схемныхособенностейусилителя вцепи ОС возможныварианты, когдаОС существуеттолько длямедленноизменяющегосясигнала, либотолько дляпеременнойсоставляющейего, либо всегосигнала. В этихслучаях говорят,что обратнаясвязь осуществленапо постоянному,по переменному,а так же как попостоянному,так и по переменномутокам.

В зависимости от способаполучениясигнала различаютобратную вязьпо напряжению,когда снимаемыйсигнал ОСпропорционаленнапряжениювыходной цепи;обратную связьпо току, когдаснимаемыйсигнал ОСпропорционалентоку выходнойцепи; комбинированнуюОС, когда снимаемыйсигнал пропорционаленкак и напряжению,так и току выходнойцепи.

По способувнедрения вовходную цепьсигнала обратнойсвязи различают:последовательнуюсхему введенияОС, когда напряжениегнала суммируетсяс входнымнапряжением;параллельнуюсхему введенияОС, когда токцепи суммируетсяс током входногосигнала; смешаннуюсхему введенияОС, когда с входнымсигналом суммируютсяток и напряжениецепи ОС.

Введение

Электронныеусилителинизкой частоты(УНЧ) предназначеныдля усилениясигналов переменноготока, частотыкоторых лежатв интервалеот низкой частотыfндо какой-точастоты fв.Они используютсяв разнообразнейшихпо назначению,техническихустройствах,различающихсяпо полосе рабочихчастот, по характерунагрузки, поусловиям применения.

ОсобенностиУНЧ, требованияк их показателямво многомопределяютсяхарактеромнагрузки иусловиями ихприменения.Нагрузка вподавляющембольшинствеслучаев носиткомплексныйхарактер, являясьэлектромагнитнымили электростатическимустройством.Условия примененияУНЧ определяютдиапазон измененийтемпературокружающейсреды, в которомусилительдолжен сохранятьполную работоспособность,вид механическихвоздействий,требованияк весовым иэнергетическимипоказателями.

Круг требованийк УНЧ с довольноширокой полосойрабочих частот связан, в основном,с интерваломрабочих частот,в пределахкоторого полезныйсигнал долженусиливатьсяс допустимымичастотнымии нелинейнымиискажениями.УНЧ с узкой илификсированнойрабочей частотой предназначены,в основном, дляработы надемодуляторыили двухфазныеиндукционныедвигатели.Основные требованияк таким усилителямсвязаны сфазо-частотнойхарактеристикой.Однако отмеченныеособенностиУНЧ не исключаютобщего подходак проектированию.

Рассмотренныеусилителихарактеризуютсяразличнымиконструктивнымии энергетическимипоказателями.К первым можноотнести веси габариты,выделениетепла, стойкостьк механическимвоздействиями прочим. Кэнергетическимследует отнестипоказатели,характеризующиережим работытранзисторов,свойства усилителейпо отношениюк сигналу переменноготока. Важнейшимииз них являютсякоэффициентусиления понапряжению(току, мощности),его стабильность,полоса рабочихчастот, коэффициентчастотныхискажений, уголсдвига фазымежду входными выходнымсигналом, входноеи выходноесопротивление,коэффициентнелинейныхискажений. Отаких показателяхУНЧ можно сказатьследующее. Еслив усилителене предусмотрены специальныемеры стабилизации,то его коэффициентусиления можетизменитьсяв широких пределахиз-за большоготехническогоразброса параметровтранзистора.

Транзисторныеусилители имеютсравнительнонебольшуюверхнюю граничнуючастоту усиления,если в оконечномкаскаде использованмощный транзистор.Вместе комплекснымицепями связиэто приводитк значительнымчастотнымискажениямусиливаемогосигнала. Нелинейностьвольтамперныххарактеристиктранзистораявляется источникомбольших нелинейныхискажений навыходе усилителя.Физическиесвойства транзисторакак усилительногоэлемента определяютнизкое входноеи высокое (приработе транзисторав активнойобласти) выходноесопротивлениеусилительногокаскада.

Для оценкивозможностииспользованиятаких транзисторныхусилителейсопоставимосновные параметрыс требованиями,которые к нимчасто предъявляются.Усилительсвязан входнойцепью с источникомсигнала, недопускающим,как правило,сколько-нибудьзначительныхнагрузок потоку. Это заставляетискать путиувеличениявходногосопротивлениятранзисторав десятки, сотнии тысячи раз.Входная цепьусилителяпередает усиленныйсигнал в нагрузку.Во многих случаяхудобно подаватьпитание в нагрузкулибо от источникатока (внутреннеесопротивлениеусилителястремитьсяк бесконечности),либо от источниканапряжения(внутреннеесопротивлениеусилителяблизко к нулю).Иначе говоря,одной из практическихзадач припроектированииусилителяявляется измененияего входногосопротивления.Требованияповышенияточности работысистемы в различныхклиматическихустройствахвынуждаютстабилизироватькоэффициентусиления. Вусилителях,работающихв радиотехническихсистемах, всегдажесткие требованияпредъявляютсяк частотнымискажениям,а в усилителяхсистемы автоматики,управляющихдвигателямипеременноготока, к уменьшениюфазового сдвига.Обычно,без специальныхмер, транзисторныеусилители неудовлетворяютэтим требованиям.

Таким образом,условия применениятранзисторныхусилителейв различныхэлектронныхустройствахнамечают определеннуюнаправленностьв изменениисвойств УНЧ.Эти задачиусложняютсятребованиямисохраненияработоспособности Усилителя вшироком температурномдиапазонеокружающейсреды и значительнымтехническимразбросампараметровтранзисторов.

1. Предварительныйрасчет УНЧ

Определениеамплитуды токаIн_mи напряженияUн_mна нагрузке:

,где Pн_max– мощностьнагрузки, Rн– сопротивлениенагрузки.

ОпределениевходногосопротивленияУНЧ.

Обычновеличину входногосопротивленияопределяютиз условия:

.Исходя изхудшего случая,входное сопротивлениеУНЧ беретсяравным Rг:Rвх=Rг.

Определениенеобходимогокоэффициентаусиления поЭДС Keи коэффициентусиления понапряжениюKu:

Расчетколичествакаскадовпредварительногоусиления(КПУ) также следуетпроизводить,ориентируясьна худший случай,т.е. при расчетенадо приниматьнаименьшийкоэффициентусиления понапряжению,обеспечиваемыйсхемами ОЭ иОИ: Ku_min= 10. Тогда,учитывая, чтоRвх= Rг,количествокаскадов КПУnвычисляетсяпо формуле:

.

Учитывая,что для заведенияотрицательнойобратной связи(ООС) разностьфаз между входными выходнымсигналом должнабыть кратна,где k– целое число,округляем nдо ближайшегоцелого нечетногочисла (в большуюсторону).

Определениенапряженияпитания УНЧEп.

Напряжениепитания УНЧопределяетсяпо следующейформуле:

,

где - падениенапряженияна переходеколлектор –эмиттер выходноготранзисторав режиме насыщения,В;

- падениенапряжениена резисторе,установленномна эмиттернойцепи выходноготранзистора,В.

Ориентировочнопринимаем = 1В, = 0.7В. ТогдаEп= 28.54В. Полученнуювеличину округляемк ближайшемуцелому числу,а затем принимаемиз стандартногоряда.

Eп =30В

2. РасчетУМ

ТранзисторыVT8,VT9:

Учитывая,что в режимепокоя ток нагрузкиравен нулю(т.к. токи покояVT8 иVT9 взаимовычитаются),амплитуду токаэмиттера данныхтранзисторовберем как амплитудутока нагрузки: .

Если принять,что на выходныхтранзисторах70% потерь мощности,то исходя изформулы

,

где - КПД, заданныйв техническомзадании,

Pн– мощностьнагрузки,

– мощностьэлектрическихпотерь,

- КПД максимальныйдвухтактногокаскада (см.литературу[1]),

томожно определитьмаксимальныйток покоя выходныхтранзисторов:

Увеличениеданных токовпозволяетснизить нелинейныеискажения наданных транзисторахпутем выводаточки покояна входныххарактеристикахвыходных транзисторовнаиболее близкок линейномурежиму.

ВыбираемтранзисторыVT8 иVT9

Исходнымиданными длявыбора транзистораслужат: амплитудаколлекторноготока Iк_max, максимальноенапряжениеколлектор-эмиттерUкэ_max, максимальнаячастота коллектора,режим работы,требуемыйкоэффициентусиления потоку, максимальнаярассеваемаямощность Pк_max.

Длявыбора транзисторовнеобходимособлюдатьследующиеусловия:

• мощность,рассеваемаяна коллекторетранзистораPк,не должна превышатьдопустимуюPк_доп;

• токколлекторане должен превышатьдопустимыйIк_доп;

• напряжениеколлектор -эмиттер недолжно превышатьдопустимоеUкэ_доп;

• верхняячастота недолжна превышатьграничную.

ВыбираемтранзисторыКТ819Г и КТ818Г. Иххарактеристикиприведены вприложенииВ.

По графикузависимостистатическогокоэффициентапередачи тока(h11э)от тока эмиттеранаходим:

• поамплитуде токаэмиттера коэффициентпередачи токав динамическомрежиме h11э₈=h11э₉=20;

• потоку покояэмиттера коэффициентпередачи токав режиме покояh11эп₈=h11эп₉=100.

Находимток базы покояIбп и амплитудутока базы Iбmвыходныхтранзисторов:

,

Рассчитываем резисторы R12и R13:

,

Полученноесопротивлениевыбираем изстандартногоряда R12=540Ом

ТранзисторыVT6,VT7:

КТ818Г

1Введение

Электронныеусилителинизкой частоты(УНЧ) предназначеныдля усилениясигналов переменноготока, частотыкоторых лежатв интервалеот низкой частотыfн до какой-точастоты fв. Онииспользуютсяв разнообразнейшихпо назначению,техническихустройствах,различающихсяпо полосе рабочихчастот, по характерунагрузки, поусловиям применения.

ОсобенностиУНЧ, требованияк их показателямво многомопределяютсяхарактеромнагрузки иусловиями ихприменения.Нагрузка вподавляющембольшинствеслучаев носиткомплексныйхарактер, являясьэлектромагнитнымили электростатическимустройством.Условия примененияУНЧ определяютдиапазон измененийтемпературокружающейсреды, в которомусилительдолжен сохранятьполную работоспособность,вид механическихвоздействий,требованияк весовым иэнергетическимипоказателями.

Круг требованийк УНЧ с довольноширокой полосойрабочих частот связан, в основном,с интерваломрабочих частот,в пределахкоторого полезныйсигнал долженусиливатьсяс допустимымичастотнымии нелинейнымиискажениями.УНЧ с узкой илификсированнойрабочей частотой предназначены,в основном, дляработы надемодуляторыили двухфазныеиндукционныедвигатели.Основные требованияк таким усилителямсвязаны сфазо-частотнойхарактеристикой.Однако отмеченныеособенностиУНЧ не исключаютобщего подходак проектированию.

Рассмотренныеусилителихарактеризуютсяразличнымиконструктивнымии энергетическимипоказателями.К первым можноотнести веси габариты,выделениетепла, стойкостьк механическимвоздействиями прочим. Кэнергетическимследует отнестипоказатели,характеризующиережим работытранзисторов,свойства усилителейпо отношениюк сигналу переменноготока. Важнейшимииз них являютсякоэффициентусиления понапряжению(току, мощности),его стабильность,полоса рабочихчастот, коэффициентчастотныхискажений, уголсдвига фазымежду входными выходнымсигналом, входноеи выходноесопротивление,коэффициентнелинейныхискажений. Отаких показателяхУНЧ можно сказатьследующее. Еслив усилителене предусмотрены специальныемеры стабилизации,то его коэффициентусиления можетизменитьсяв широких пределахиз-за большоготехническогоразброса параметровтранзистора.

Транзисторныеусилители имеютсравнительнонебольшуюверхнюю граничнуючастоту усиления,если в оконечномкаскаде использованмощный транзистор.Вместе комплекснымицепями связиэто приводитк значительнымчастотнымискажениямусиливаемогосигнала. Нелинейностьвольтамперныххарактеристиктранзистораявляется источникомбольших нелинейныхискажений навыходе усилителя.Физическиесвойства транзисторакак усилительногоэлемента определяютнизкое входноеи высокое (приработе транзисторав активнойобласти) выходноесопротивлениеусилительногокаскада.

Для оценкивозможностииспользованиятаких транзисторныхусилителейсопоставимосновные параметрыс требованиями,которые к нимчасто предъявляются.Усилительсвязан входнойцепью с источникомсигнала, недопускающим,как правило,сколько-нибудьзначительныхнагрузок потоку. Это заставляетискать путиувеличениявходногосопротивлениятранзисторав десятки, сотнии тысячи раз.Входная цепьусилителяпередает усиленныйсигнал в нагрузку.Во многих случаяхудобно подаватьпитание в нагрузкулибо от источникатока (внутреннеесопротивлениеусилителястремитьсяк бесконечности),либо от источниканапряжения(внутреннеесопротивлениеусилителяблизко к нулю).Иначе говоря,одной из практическихзадач припроектированииусилителяявляется измененияего входногосопротивления.Требованияповышенияточности работысистемы в различныхклиматическихустройствахвынуждаютстабилизироватькоэффициентусиления. Вусилителях,работающихв радиотехническихсистемах, всегдажесткие требованияпредъявляютсяк частотнымискажениям,а в усилителяхсистемы автоматики,управляющихдвигателямипеременноготока, к уменьшениюфазового сдвига.Обычно, безспециальныхмер, транзисторныеусилители неудовлетворяютэтим требованиям.

Такимобразом, условияприменениятранзисторныхусилителейв различныхэлектронныхустройствахнамечают определеннуюнаправленностьв изменениисвойств УНЧ.Эти задачиусложняютсятребованиямисохраненияработоспособностиусилителя вшироком температурномдиапазонеокружающейсреды и значительнымтехническимразбросампараметровтранзисторов.

2Основнаячасть

2.1Аналитическийобзор

Развитиеусилителейнеразрывносвязано с появлениеми совершенствованиемусилительныхэлементов –сначала ламп,затем транзисторов,интегральныхсхем и другихэлектронныхприборов, усиливающихэлектрическиесигналы.

Ламповаяусилительнаятехника сталаразвиватьсяв результатепоявления в1904г. вакуумногодиода, изобретенногоамериканскиминженеромФлемингом, ив особенности после изобретения Ли де Форестом в 1907г. вакуумноготриода.

В развитиетеории и техникиусилителейвнесли свойвклад и отечественныеспециалисты.Так, в 1910г. В.И.Коваленковсоздает усилительна триоде, а в1915г. демонстрируетна всероссийскомсъезде инженеров– электриковпервые в миремакеты телефонных усилителей для международнойсвязи, которыеоказалисьлучшими средианалогичныхусилителей,предложенныхспециалистамииз других стран.Усилители,разработанныеВ.И. Коваленковым, были использованыв 1922г. на телефоннойлинии между Москвой иЛенинградом,а в 1931г. – междуМосквой и Кузбассом.

В 1918г.была основанаНижегородскаярадиолаборатория,руководимаяМ.А. Бонч – Брускевичем,которая освоилавыпуск маломощныхприемо - усилительных,а также маломощныхгенераторныхламп, используемых,соответственнов радиоприемнойи радиопередающейаппаратуре.Молодой сотрудникрадиолабораторииО.В. Лосев открылв 1922г. свойствокристаллическогодетектораусиливать и генерировать электрический колебания.Работы О.В. Лосева,несомненноспособствовалиизобретениюв будущем транзистора. В 1925г. А.И. Берг разработал теорию линеаризацииламповыххарактеристик,создал основыметодики инженерногорасчета усилителей.В первой крупноймонографииА.И. Берга «Основырадиотехнических расчетов усилителей» подробно анализировал все известныев то время ламповыекаскады. Дальнейшееразвитие теории и расчета усилителей было отражено в работе М.Т.Марка «Усилителинизкой и высокойчастоты (расчети проектирование)»и «Усилителинизкой частоты».

Резкийскачек в улучшениипоказателейусилителейпроизошел врезультатепримененияв них отрицательнойобратной связи,предложеннойв 1927г. американскиминженером Х.Блеком.

Во второйполовине 30-хгодов начинаютсоздаватьсяширокополосныеусилителигармоническихи импульсныхсигналов,предназначенныедля телевидения,радиолокациии т.д. Значительноеместо в Разработкетаких усилителейзанимают работыГ.В. Брауде, атакже О.Б. Лурье,предложившегопроведениеих анализа ирасчета наоснове использованияпереходныххарактеристик.

Транзисторнаяусилительнаятехника получилавозможностьсвоего развитияпосле изобретенияв 1948г. американскимиучеными Дж.Бардин, У. Браттейноми У. Шокли трехэлектродногополупроводниковогоусилительногоэлемента –транзистора,ставшего быстровытеснятьэлектроннуюлампу из радиотехническихустройств.Большой вкладв развитиетеории усилителейвнесли такиеученые. Как Х.Найквест, атакже Р. Борде,перу которогопринадлежитизвестнаямонография«Теория цепейи проектированиеусилительныхустройств собратной связью».

Определеннуюроль в развитиитеории и практикиусилителейсыграли работыотечественныхученых Г.С. Цыпкина,Г.В. Войжвилло,С.Н. Кризе, Н.Л.Безладкова,А.Г. Муродянаи другие.

60-е годынынешнегостолетияознаменовалисьсозданиемлауреатамиНобелевскойпремии академикамиН.Г. Басовым иА.М. Прохоровымквантовыхусилителей, способных работать как в оптическим, так и в радиодиапазоне.Эти усилителистали применятьв оптическихсистемах, системахсвязи, космическихсистемахрадиолокации,медицинскойтехнике и т.д.В этот же периодбыли продолжены(начатые ещев 1945г.) работы посозданию болеесовершеннойаппаратурыдля системпередачи сиспользованиемкабельныхлиний. Вследза разработанной(в период 1945-1960гг.)аппаратуройна 24 и 60 телефонных каналов к 1960г. было разработанои внедренооборудованиеболее сложнойсистемы К-1920 (на1920 каналов), позволяющимпередаватьнаряду с телефонными сигналами и телепрограммы. Эта системаимела спектр передаваемых частот 312 – 8524 кГц по однополосному способу. Вдальнейшембыл создан усовершенствованный вариант этойсистемы К-1920У.

В аппаратуресистем передачинемаловажнаяроль отводитсялинейным усилителям,входящих в еесостав, а также устройствамавтоматическогорегулированияусиления иамплитудно-частотнойкоррекции.

Впоследствиибыла созданасистема К-3600 ( на3600 каналов ), работающаяв диапазонечастот 0.8 .. 18 МГц.В свое времябыла разработанааппаратурасистемы К-5400 сполосой частотдо 30МГц и системаК-10800(на 10800 каналов).

Стремлениек дальнейшемусовершенствованиюусилительнойтехники, улучшениюее показателей,привело в конце60-х гг. к созданиюусилителейна основе интегрально(планарной)технологии.Усилители,выполненныес помощью этойтехнологии,имеют малыегабариты иэнергопотребление,обладают высокойнадежностью,хорошимиэкономическимии качественнымипоказателями.В разработкуметодов анализаи расчета усилителейс использованиеминтегральныхмикросхемвнесли значительныйвклад работытаких ученых,как Л. Хьюлсман,Дж. Греш, Р. Видлар,Дж. Ленк, И. Достал.Из отечественныхспециалистовв этой областиможно отметитьработы В.А. Шило,А.Г. Алексеенко,Е.А. Калобеа,А.Г. Остапенко,Д.Е. Полынникова.

В последниегоды быстрымитемпами развиваетсяоптоэлектроника,представляющаярадел наукии техники,объединяющийкак оптические,так и электронныеявления, с созданиемна этой основеразличныхприборов, схеми систем. Вчастности, всешире используетсяволоконно-оптическиесистемы связи,в состав которыхвходят и усилительныеустройства.Заметную рольв развитиитехническогопрогрессавообще и усилительнойтехники в частностисыграло созданиеЭВМ. Машинноепроектированиеэлектронныхсхем, в том числеи электронныхусилителей,представляетсобой сравнительноновую областьнауки и техники– схемотехническоепроектирование.

ПервоначальноЭВМ использовалидля нахожденияоптимальныхрезультатовработы усилительныхэлементов,основных параметрови характеристик,в частностиаплитудо - частотныххарактеристики фазо - частотныххарактеристик.Впоследствиис помощью ЭВМстали решатьсязадач синтеза,в том числе икорректирующихLCR - элементовв цепях межкаскадныхсвязей, в цепяхобратной связи,а также вчастотноформирующихцепях на входе и выходе усилителя.

С широкимприменениеинтегральныхсхем машинноепроектированиемикроэлектронныхустройствприняло формусистемы автоматизированногопроектирования.

Классификацияусилителей

Делениена типы осуществляютпо назначениюусилителя,характерувходного сигнала,полосе и абсолютномузначению усиливаемыхчастот, видуиспользуемыхактивных элементов.

1. Посвоему назначениюусилителиусловно делятсяна усилителинапряжения,усилители токаи усилителимощности. Еслиосновное требование– усилениевходного напряжениядо необходимогозначения, тотакой усилительотносится кусилителямнапряжения.Если основноетребование– усилениевходного токадо нужногоуровня, то такойусилительотносят к усилителямтока. Следуетотметить, чтов усилителяхнапряженияи усилителяхтока одновременнопроисходитусиление мощностисигнала (иначевместо усилителядостаточнобыло бы применитьтрансформатор).В усилителяхмощности вотличие отусилителейнапряженияи тока требуетсяобеспечитьв нагрузкезаданный илимаксимальновозможныйуровень сигнала.

2. Взависимостиот характеравходного сигналаразличаютусилителигармонических(непрерывных)сигналов иусилителиимпульсныхсигналов. Кпервой группеотносятсяустройствадля усилениянепрерывныхгармоническихсигналов иликвазигармоническихсигналов,гармоническиесоставляющиекоторых изменяютсямного медленнеевсех нестационарныхпроцессов вцепях усилителя.Ко второй группеусилителейотносятсяустройствадля усиленияимпульсовразличнойформы и амплитудыс допустимымиискажениямиих форм. В этихусилителяхвходной сигнализменяетсянастолькобыстро, чтопроцесс установленияколебанийявляетсяопределяющимпри нахожденииформы сигнала.

3. Полосаи абсолютныезначения усиливаемыхчастот позволяютразделитьусилители наследующиетипы.
   Усилителипостоянноготока предназначеныдля усиленияэлектрическихколебаний впределах отнижней частоты,равной нулю,до верхнейрабочей частотыусилителя.Главным являетсято, что ониусиливаютпостоянныеи переменныесоставляющиевходного сигнала.
   Усилителипеременноготока предназначеныдля усилениялишь переменныхсоставляющихвходного сигнала.В зависимостиот граничныхзначений рабочегодиапазоначастот усилителипеременноготока могутбыть низкойи высокой частоты.По ширине полосыусиливаемыхчастот выделяютизбирательныеи широкополосныеусилители.

4. Породу применяемыхактивных элементовусилителиделятся натранзисторные,магнитные,диодные, ламповые,параметрическиеи др.
   В качествеактивных элементовв настоящеевремя в усилителяхчаще используютсяполевые илибиполярныетранзисторы,либо интегральныесхемы. Значительнореже применяютсяактивные элементыв виде нелинейныхемкостей илииндуктивностейи специальныетипы полупроводниковыхдиодов.

Режимыработы усилителей

Режимработы усилителяопределяетсяначальнымположениемрабочей точкина сквознойдинамическойхарактеристикеусилительногоэлемента, тоесть на характеристикезависимостивыходного токаусилительногоэлемента отЭДС входногосигнала.

Различаюттри основныхрежима работы– режимы А, В,С.

В режимеА рабочая точкаО выбираетсяна серединепрямолинейногоучастка сквознойдинамическойхарактеристики.Выходной сигналпрактическиповторяет формувходного сигналапри относительнонебольшойвеличине последнего.Нелинейныеискажения приэтом минимальны.Ток в выходнойцепи существуетв течение всегопериода входногосигнала. Приэтом среднеезначение выходноготока великопо сравнению амплитудойего переменнойсоставляющей.Поэтому КПДкаскада невысок– 20-30%.

В режимеВ рабочая точкавыбираетсятак, чтобы токчерез усилительныйэлемент протекалтолько в теченииполовины периодавходного сигнала.Усилительныйэлемент работаетс так называемойотсечкой. Токпокоя из-занижнего изгибасквознойхарактеристикиоказываетсяне равным нулю,и форма выходноготока искажаетсяотносительновходного. Вкривой токапоявляютсявысшие гармоники,что приводитк увеличениюнелинейныхискажений посравнению срежимом А. Среднеезначение выходноготока уменьшается,в результатечего КПД каскададостигает60-70%.

Существуетеще промежуточныйрежим АВ, когдарабочая точкавыбираетсяна сквознойхарактеристикениже, чем точкаА и выше, чем врежиме В. Поэтомуи показателиэтого режимаимеют промежуточноезначение междурежимами А иВ – КПД 40-50% приневысокомуровне нелинейныхискажений.

Типысвязи междуотдельнымиусилительнымикаскадами.

Можно выделитьследующие типысвязи междуотдельнымиусилительнымикаскадами:гальваническую(непосредственную);емкостную (спомощью RC0 цепочек);трансформаторную;с помощьючастотно-зависимыхцепей; оптронную.

Для сравнительнонизкочастотныхусилителей чаще используютпервый и второйтип связи. Третийприменяют режеиз-за большихгабаритовтрансформаторов,невозможностиих микро миниатюризации,высокой стоимости,сложностиизготовление,повышенныхнелинейныхискажений.Четвертый типиспользуютпри созданииизбирательныхусилителей,а пятый применяетсясравнительноредко, тольков специальныхслучаях, когдапри низкойрабочей частотетребуетсяхорошая гальваническаяразвязка междукаскадами.

Обратнаясвязь.

Обратнуюсвязь (ОС) называютотрицательной,если ее сигналвычитаетсяиз входногосигнала, иположительной,если сигналОС суммируетсяс входным. ПриотрицательнойОС коэффициентусиления уменьшается,а при положительной– увеличивается.Из-за схемныхособенностейусилителя вцепи ОС возможныварианты, когдаОС существуеттолько длямедленноизменяющегосясигнала, либотолько дляпеременнойсоставляющейего, либо всегосигнала. В этихслучаях говорят,что обратнаясвязь осуществленапо постоянному,по переменному,а так же как попостоянному,так и по переменномутокам.

В зависимости от способаполучениясигнала различаютобратную вязьпо напряжению,когда снимаемыйсигнал ОСпропорционаленнапряжениювыходной цепи;обратную связьпо току, когдаснимаемыйсигнал ОСпропорционалентоку выходнойцепи; комбинированнуюОС, когда снимаемыйсигнал пропорционаленкак и напряжению,так и току выходнойцепи.

По способувнедрения вовходную цепьсигнала обратнойсвязи различают:последовательнуюсхему введенияОС, когда напряжениегнала суммируетсяс входнымнапряжением;параллельнуюсхему введенияОС, когда токцепи суммируетсяс током входногосигнала; смешаннуюсхему введенияОС, когда с входнымсигналом суммируютсяток и напряжениецепи ОС.

2.2Предварительныйрасчет

Определениеамплитуды токаIн_m и напряженияUн_m на нагрузке:

, (2.2.1)

гдеPн_max – мощностьнагрузки,

Rн– сопротивлениенагрузки.

ОпределениевходногосопротивленияУНЧ.

Обычновеличину входногосопротивленияопределяютиз условия: .Исходя изхудшего случая,входное сопротивлениеУНЧ беретсяравным Rг: Rвх=Rг.

Определениенеобходимогокоэффициентаусиления поЭДС Ke и коэффициентусиления понапряжениюKu:

(2.2.2)

Расчетколичествакаскадовпредварительногоусиления (КПУ)также следуетпроизводить,ориентируясьна худший случай,т.е. при расчетенадо приниматьнаименьшийкоэффициентусиления понапряжению,обеспечиваемыйсхемами ОЭ иОИ: Ku_min = 10. Тогда,учитывая, чтоRвх = Rг, количествокаскадов КПУn вычисляетсяпо формуле:

(2.2.3)

.

Учитывая, чтодля заведенияотрицательнойобратной связи(ООС) разностьфаз между входными выходнымсигналом должнабыть кратна,где k – целоечисло, округляемn до ближайшегоцелого нечетногочисла (в большуюсторону).

Определениенапряженияпитания УНЧEп.

Напряжениепитания УНЧопределяетсяпо следующейформуле:

, (2.2.4)

где - падениенапряженияна переходеколлектор –эмиттер выходноготранзисторав режиме насыщения,В;

- падение напряжениена резисторе,установленномна эмиттернойцепи выходноготранзистора,В.

Ориентировочнопринимаем = 1В, = 0.7В. Тогда Eп =28.54В. Полученнуювеличину округляемк ближайшемуцелому числу,а затем принимаемиз стандартногоряда: Eп = 30В.

2.3Составлениеструктурнойсхемы усилителя

Структурнаясхема усилителяприведена нарисунке 2.1

выход

в

ВхК

КПУ1

КПУ2

УМ

ООС

Рис2.1 – Структурнаясхема УНЧ

ВхК - входнойкаскад осуществляетпередачу входногосигнала отисточника вовходную цепьпервого последующегокаскада. Основнойфункцией входногокаскада являетсяобеспечениенеобходимоговходногосопротивления.Соответственно,при выборе входного каскадаследует ориентироватьсяна следующиеданные: Схемас общим эмиттеромимеет входноесопротивление,равное 10³..10⁴Ом, схема с общимколлектором– 10⁴..10⁵ Ом,дифференциальныйусилитель набиполярныхтранзисторах- 10³..10⁴ Ом, усилительныйкаскад на полевомтранзисторе– 10⁵..10⁷ Ом. Приэтом следуетучитыватьснижение илиповышениевходногосопротивленияза счет введенияобратных связей.

КПУ - каскадыпредварительногоусиленияпредназначеныдля усилениянапряжения,тока и мощностидо значения,необходимогодля подачи навход усилителямощности. Количествокаскадовпредварительногоусиления определяетсянеобходимымусилением.

УМ - каскад усилениямощности долженобеспечитьподачу в нагрузкузаданной мощностисигнала приминимальныхискаженияхего формы.

ООС - Отрицательнаяобратная связьпредназначенадля стабилизациирежима по постоянномутоку, заданиятребуемогокоэффициентаусиления, атакже снижениякоэффициентанелинейныхискажений.Осуществляетсяона путем передачисигнала извыходной цепиво входную впротивофазе,то есть выходнойсигнал вычитаетсяиз входного.

2.4Разработкапринципиальнойэлектрическойсхемы усилителя

Принципиальнаясхема усилителяприведена нарисунке 2.2

Сучетом требованийк функциональнымузлам схемыусилителя,приведенныхв пункте 2.3, выбираемсхемы соответствующихкаскадов.

Входнойкаскад – каскадна полевомтранзисторе,включенномпо схеме с общимистоком (ОИ);работающийв режиме А. Данныйкаскад имеетбольшое входноесопротивление,значительноеусиление какпо току, так ипо напряжению,имеет малыенелинейныеискажения.

Каскадыпредварительногоусиления –каскады набиполярныхтранзисторах,включенныепо схеме с общимэмиттером (ОЭ),работающийв режиме А. Данныекаскады имеютхарактеристикинесколько хуже,чем ОИ (небольшоевходное сопротивление,большие нелинейныеискажения),однако биполярныетранзисторыболее надежныи дешевы.

Межкаскаднаясвязь выбранагальванической,т.к. она не вноситнелинейныхискажений.

Выходнойкаскад –бестрансформаторныйдвухтактныйусилительмощности, собранныйна биполярныхтранзисторах,включенныхпо схеме с общимколлектором.Данный каскадпозволяетосуществитьнепосредственнуюсвязь с нагрузкой,что дает возможностьобойтись безгромоздкихтрансформаторови разделительныхконденсаторов,имеет хорошиечастотные иамплитудныехарактеристики.Кроме того, всвязи с отсутствиемчастотно-зависимыхэлементов вцепях связимежду каскадамиможно вводитьглубокие общиеотрицательныеобратные связи,что существенноулучшаетпреобразовательныехарактеристикивсего каскада.

Присоставлениисхем выходногои предоконечногокаскадов, необходимоучесть следующиемоменты:

- Врежиме покоянапряжениебаза-эмиттеркаждого транзисторавыходногокаскада должноварьироватьсяот 0 до, приблизительно,0.7В. С учетом тогофакта, что потенциалыэмиттеровданных транзисторовравны 0, потенциалбазы долженсоответственноварьироватьсяот 0 до 0.7В. Потенциалбазы задаетсяколлекторнымрезисторомпредоконечногокаскада. Приэтом на предоконечныйкаскад необходимоподать двуполярноепитание. Приэтом следуетучитывать, чтос увеличениемнапряжениябаза - эмиттерувеличиваетсяток коллекторасоответствующеготранзистора,что приводитк уменьшениюнелинейныхискаженийданного каскада,но в тоже времяи к уменьшениюКПД.

- Также необходимоучитыватьограниченияпо масса – габаритнымпоказателямкак нелинейных,так и линейныхэлементов. Одноиз ограничений - максимальнаямощность резисторовне должна превышать2Вт. В связи стем, что выбранагальваническаямежкаскаднаясвязь, то кколлекторномурезисторупредоконечногокаскада будетприкладыватьсянапряжение,равное Eп (т.к.необходимозадать нулевойпотенциал базытранзистороввыходногокаскада) и черезнего будетпротекать ток,немногим большийамплитудывходного токавыходногокаскада. С учетомчего рассчитываемминимальныйкоэффициентпередачи токатранзистороввыходногокаскада h21э_умmin о формуле:

, (2.4.1)

гдеEп – напряжениеисточникапитания,

Iн_m– амплитудавыходного токаусилителя.

Данныйкоэффициентпередачи тока мощных транзисторовможно получитьпутем применениятранзисторовс высоким h11э(составныетранзисторы), либо заменивтранзисторывыходногокаскада схемойДарлингтона.

Отрицательнаяобратная связь– параллельнаяОС по напряжению.Применениеданного видаОС объясняетсятем, что в качестве выходногокаскада применяетсядвухтактныйусилительмощности сдвуполярнымпитанием, вкотором потенциалвыхода в режимепокоя равеннулю (ток выходапокоя отсутствует),а в качествевходного –каскад на полевомтранзисторе,входной токкоторого близокк нулю. Все этообуславливаетневозможностьпримененияОС по току иликомбинированнойОС.

Прирасчете усилителяследует учитывать,что параллельнаяООС уменьшаетвходное сопротивлениекаскада, увеличиваяте самым коэффициентусиления понапряжениюусилителя.

Входнойкаскад собранна транзистореVT1, включенномпо схеме ОИ.Резистор R1 служитвходным сопротивлениемусилителя, атак же для заданияпотенциалазатвора VT1. Резисторявляется R2 стоковойнагрузкойтранзистораVT1. Резистор R3задает токстока транзистораVT1 в режиме покоя.Каскады предварительногоусиления собранына транзисторахVT2 и VT3 по схеме собщим эмиттером.Резисторы R4 иR6 служат коллекторныминагрузкамисоответствующихкаскадов. Выходнойкаскад собранпо схеме двухтактногоусилителямощности натранзисторахVT6 – VT9. Диод VD1 и резисторR7 образуют цепьсмещения. РезисторыR8 и R9 служат длякомпенсациитепловых токовтранзисторовVT8 и VT9 в режимепокоя. Защитапо току собранана транзисторахVT4 и VT5 и резисторахR10 и R11, предназначенныхдля отпираниясоответсвующихтранзисторовпри превышениитоков коллекторовVT8 и VT9. РезисторыRoc1 и Roc2 и конденсаторыCoc1 и Coc2 образуютцепь отрицательнойобратной связипо напряжению.КонденсаторC1 разделят входнуюцепь усилителяи цепь источникасигнала попостоянномутоку. ЦепочкаC2R5 представляетсобой фильтр.

Рисунок2.2 – Принципиальнаясхема усилителя.

2.5Электрическийрасчет

2.5.1Расчетвыходногокаскада

Учитывая,что основныенелинейныеискажениявозникают навыходныхтранзисторах,найдем максимальнодопустимыйток коллекторапокоя Iкп₈.Увеличениеэтих токовпозволит вывеститочку покоякак можно ближек линейномуучастку входнойхарактеристикивыходныхтранзисторов,что и уменьшаетнелинейныеискажения.Увеличениетока покояограничиваетсязаданным КПД.

Допустимуюполную суммуколлекторныхтоков всегоусилителя рассчитываемпо формуле:

, (2.5.1)

где - заданный КПДусилителя,

Pн – мощностьнагрузки,

Eп –напряжениепитания.

Задаемся,Iкп₈составляет80% от . Тогда находим поформуле

(2.5.2)

При данномтоке покоявыходные транзисторыбудут находитсяв классе близкомк В*, соответственномощность,рассеиваемаяна выходныхтранзисторахбудет составлять0.17 от мощностинагрузки.

По данным,полученнымв предварительномрасчете, выбираеттранзисторыVT8 и VT9.

Исходнымиданными длявыбора транзистораслужат: амплитудаколлекторноготока Iк_max , максимальноенапряжениеколлектор-эмиттерUкэ_max , максимальнаячастота коллектора,режим работы,требуемыйкоэффициентусиления потоку, максимальнаярассеваемаямощность Pк_max.

Для выборатранзисторовнеобходимособлюдатьследующиеусловия:

- мощность,рассеваемаяна коллекторетранзистораPк, не должнапревышатьдопустимуюPк_доп;

- токколлекторане должен превышатьдопустимыйIк_доп;

- напряжениеколлектор -эмиттер недолжно превышатьдопустимоеUкэ_доп;

- верхняячастота недолжна превышатьграничную.

(2.5.3).

ВыбираемтранзисторыКТ819В и КТ818В (параметрыприведены вприложенииА).

Расчетпроводим дляодной полуволнывходного сигнала.

Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллектораопределяемкоэффициентпередачи токав статическомрежиме h21эп₈=108и в динамическомh21э₈=20.

Находимток базы покояи амплитудутока базы транзистораVT8:

,(2.5.4)

По входнойхарактеристикенаходим напряжениебаза - эмиттерпокоя транзистораVT8 Uбэп₈ = 0.52В, а также при максимальномзначении токабазы Uбэm₈ = 1.37 В.

Определяемвходное сопротивлениетранзистораVT8 в режиме покояh21эп₈:

.(2.5.5)

Рассчитываемрезистор R8. Данныйрезистор служитдля компенсациитеплого токатранзистораVT8:

.(2.5.6)

По даннымрасчета выбираемстандартныйрезисторМЛТ–0.125Вт–1кОм.

Рассчитываемток эмиттерапокоя транзистораVT6 Iэп₆.

(2.5.7).

Рассчитываемамплитуду токаэмиттера транзистораVT6 Iэm₆. Учитывая,что Iбm₈ многобольше Iбп₈, следовательноh11э₈ много меньшеh11эm₈, то Iэm₆принимаемравным Iэm₈,т.к. ток в резистореR8 близок нулю.

.(2.5.8)

ВыбираемтранзисторыVT6 и VT7 по следующимпараметрам

(2.5.9).

ВыбираемтранзисторыКТ815В и КТ814В (параметрыприведены вприложенииА).

Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллектораопределяемкоэффициентпередачи токав статическомрежиме h21эп₆=69и в динамическомh21э₆=40.

Находимамплитуду токабазы транзистораVT6:

,(2.5.10)

По входнойхарактеристикенаходим напряжениебаза - эмиттерпокоя транзистораVT6 Uбэп₆ = 0.62В, а также при максимальномзначении токабазы Uбэm₆ = 0.86 В

Находимнапряжениесмещение транзисторовVT6 VT8.

.(2.5.11)

Находимвходное сопротивлениевыходногокаскада примаксимальномзначении входноготока.

,(2.5.12)

гдеU_R10 – падениенапряженияна эмиттерномрезисторетранзистораVT8.

2.5.2Выбортранзисторовкаскадовпредварительногоусиления ивходного каскада

Прирасчете данныхкаскадов принимаем,что амплитудаколлекторного(стокового)тока данноготранзистораравна амплитудевходного токаследующеготранзистора.Для сведениянелинейныхискажений кминимуму, минимальныйток коллекторакаждого транзисторавыбираем примаксимальномзначении коэффициентапередачи тока,при этом желательно,чтобы транзисторнаходился вклассе А.

2.5.2.1Расчеткаскада натранзистореVT3

ВыбортранзистораVT3 производитсяпо следующимпараметрам:

, (2.5.13)

гдеIк_min – ориентировочноезначение минимальноготока для транзисторовсредней мощности.

ВыбираемтранзисторКТ815В (параметрыприведены вприложенииА).

Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллектораопределяеммаксимальныйкоэффициентпередачи тока h21э₃ и ток коллекторапри данномкоэффициентеIк_min3: h21к₃ = 75, Iк_min3= 20мА.

По полученнымзначениямрассчитываемтоки коллектораи базы покоятранзистораVT3:

,(2.5.14)

Находимтоку амплитудутока базы покоятранзистораVT3:

,(2.5.15)

Повходной характеристикенаходим напряжениебаза - эмиттерпокоя транзистораVT3 Uбэп₃ = 0.74В.

Рассчитываемрезистор R6:

,(2.5.16)

гдеUсм – напряжениесмещения транзисторовVT6 и VT8.

Пополученнымданным выбираемрезисторМЛТ-1Вт-910Ом .

2.5.2.2Расчеткаскада натранзистореVT2

ВыбортранзистораVT2 производитсяпо следующимпараметрам:

, (2.5.17)

гдеIк_min – ориентировочноезначение минимальноготока для транзисторовмалой мощности,

U_Ф1– напряжение,падающее нарезисторефильтра.

ВыбираемтранзисторКТ208В (параметрыприведены вприложенииА).

Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллектораопределяеммаксимальныйкоэффициентпередачи тока h21э₂ и ток коллекторапри данномкоэффициентеIк_min2: h21э₂ = 148, Iк_min2= 5мА.

По полученнымзначениямрассчитываемтоки покояколлектораи базы покоятранзистораVT2:

,(2.5.18)

Находимтоку амплитудутока базы и токбазы покоятранзистораVT2:

,(2.5.19)

Повходной характеристикенаходим напряжениебаза - эмиттерпокоя транзистораVT2 Uбэп₃ = 0.648В.

Рассчитываемрезистор R4:

.(2.5.20)

Пополученнымданным выбираемрезисторМЛТ-0.125Вт-160Ом .

2.5.2.3Расчеткаскада натранзистореVT1

ТранзисторVT1 выбираетсямаломощный,с условием,что:

. . (2.5.21)

Ввидумалой мощностивходного сигналаостальнымипараметрамиможно пренебречь.

ВыбираемтранзисторКП303А (параметрыприведены вприложенииА).

Задаемсязначением токастока покоятранзистораVT1 Iсп=0.8мА

Рассчитываемрезистор R2:

.(2.5.22)

Пополученнымданным выбираемрезисторМЛТ-0.125Вт-820Ом .

Позависимоститока стока отнапряжениязатвор – истокнаходим напряжениезатвор – истокпокоя Uзип = 0.042В.

Рассчитываемрезистор R3 поформуле:

.(2.5.23)

Пополученнымданным выбираемрезисторМЛТ-0.125Вт-51Ом .

Позависимостикрутизны отнапряжениязатвор-исток определяемкрутизну транзистораVT1 S=2.5 мА/В.

2.5.3Расчеткоэффициентаусиления безобратной связи

Определяемамплитудувходного напряженияусилителя:

.(2.5.24)

Определяемамплитуду токастока транзистораVT1 Iсm согласноформуле 4.85 излитературы[1]:

,(2.5.25)

гдеS – крутизнатранзистораVT1,

R_СИдиф = 0.8МОМ- дифференциальноесопротивлениесток-истоктранзистораVT1,

M=S R_Сидиф=2кОм.

Определяемамплитудувходного токаследующегокаскада Iбm₂по формуле:

,(2.5.26)

гдеh11э_диф2 – дифференциальноевходное сопротивлениетранзистораVT2.

Данное выражениебыло полученона основаниивыражений

,(2.5.27)

где - мгновенноезначение токаколлектора(стока) текущеготранзистора,

- мгновенноезначение токабазы следующеготранзистора,

- мгновенноезначение напряжениябаза - эмиттер следующеготранзистора,

- коллекторная(стоковая) нагрузкатекущего транзистора,

h11э_диф– дифференциальноевходное сопротивлениетранзистора.

Определяемамплитуду токаколлекторатранзистораVT2 Iкm₂:

(2.5.28)

Определяемамплитудувходного токаследующегокаскада Iбm₃аналогичнопредыдущемуслучаю:

,(2.5.29)

гдеh11э_диф3– дифференциальноевходное сопротивлениетранзистораVT3.

Определяемамплитуду токаколлекторатранзистораVT3 Iкm₃:

(2.5.30)

Определяемамплитудувходного токаусилителямощности:

, (2.5.31)

Пренебрегаятоками на резисторахR8 и R9, определяемамплитудувыходного токаусилителя:

, (2.5.32)

Рассчитываемвыходное напряжениеусилителя:

, (2.5.33)

Находимкоэффициентусиления понапряжениюбез ООС Ku_р:

, (2.5.34)

2.5.4Расчетфильтров и цеписмещения

Рассчитываемсопротивлениефильтра R5:

, (2.5.35)

где U_Ф1– падение напряженияна резисторефильтра.

Пополученнымданным выбираемрезисторМЛТ-0.125Вт-3.3кОм .

Конденсаторфильтра выбираемтакой емкости,чтобы он даваллинейные искаженияна частотемного меньшейfн:

, (2.5.36)

Пополученнымданным выбираемконденсаторК10-7В - 50В – 0.082мкФ .

Выбор диодадля цепи смещенияVD1 производитсяпо следующимусловиям:

- максимальноеобратное напряжениене должно превышатьдопустимое;

- максимальныйпрямой ток недолжен превышатьдопустимый.

Выбираем диодVD1 Д220Б.

По зависимостипрямого окаот прямогонапряжениянаходим напряжениепадение наданном диодепри минимальномзначении токаколлекторатранзистораVT3: Uпр= 1.6В.

Рассчитываемсопротивлениерезисторасмещения R7:

, (2.5.37)

Пополученнымданным выбираемрезистор СП-44А– 0.25Вт – 33Ом.

2.5.5Расчетзащиты по току

ВыбираемтранзисторыVT4 VT5 КТ814В –КТ815В.

Рассчитываемрезисторы R10и R11:

, (2.5.38)

где U_Бэпор– пороговоевходное напряжениетранзисторовзащиты по токуVT4 и VT5.

Пополученнымданным выбираемдва параллельновключенныхрезистораС5-16МВ - 3Вт-0.1Ом .

2.5.6Расчетнелинейныхискажений

2.5.6.1Расчетнелинейныхискажений натранзистореVT2.

Определяемамплитудунапряжениябаза-эмиттертранзистораVT2:

, (2.5.39)

где h11эдиф2 –дифференциальноевходное сопротивлениетранзистораVT2,

Iбm2 –амплитудатока базы транзистораVT2.

Таккак VT2 работаетв классе А,нелинейныеискажениярассчитаемметодом пятиординат.Рассчитываемзначенияколлекторноготока при различныхзначенияхнапряжениябаза-эмиттер.

Порядокопределениятока коллекторапо напряжениюбаза-эмиттер.

1. Повходной характеристикеопределяемток базы Iб.

2. Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллектораопределяемтакой ток коллектораIк икоэффициентпередачи токаh21э, чтобыони удовлетворялиусловию:

, (2.5.40)

РассчитываемImin

, (2.5.41)

РассчитываемI1

, (2.5.42)

РассчитываемI0

, (2.5.43)

РассчитываемI2

, (2.5.44)

РассчитываемImax

, (2.5.45)

Рассчитываемамплитудыгармоник:

, (2.5.46)

РассчитываемкоэффициентнелинейныхискаженийтранзистораVT2 Kf₃:

. (2.5.47)

2.5.6.2Расчетнелинейныхискажений натранзистореVT3.

Определяемамплитудунапряжениябаза-эмиттертранзистораVT3:

, (2.5.48)

где h11эдиф₃ –дифференциальноевходное сопротивлениетранзистораVT3,

Iбm₃– амплитудатока базы транзистораVT3.

Расчетпроводим аналогичнопредыдущемуслучаю:

РассчитываемImin

, (2.5.49)

РассчитываемI1

, (2.5.50)

РассчитываемI0

, (2.5.51)

РассчитываемI2

, (2.5.52)

РассчитываемImax

, (2.5.53)

Рассчитываемамплитудыгармоник:

, (2.5.54)

РассчитываемкоэффициентнелинейныхискаженийтранзистораVT2 Kf₃:

. (2.5.55)

2.5.6.3Расчетнелинейныхискажений наусилителемощности.

Расчет проводитсяметодом двухординат.

Методрасчета входногонапряжения.

1. Находимток эмиттератранзистораVT8 при максимальномзначении напряжениянагрузки Uнm:

, (2.5.56)

2. Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллекторанаходим h21э₈= 18.

3. Определяемток базы транзистораVT8:

, (2.5.57)

4. Повходной характеристикеопределяемнапряжениебаза-эмиттерVT8: Uбэ₈ = 1.48В.

5. Находимвходное сопротивлениетранзистораVT8 h11э_8:

, (2.5.58)

6. Рассчитываемток эмиттератранзистораVT6:

, (2.5.59)

7. Позависимостикоэффициентапередачи токаот тока коллекторанаходим коэффициентпередачи VT6h21э₆ = 40.

8. Определяемток базы VT6:

, (2.5.60)

9. Повходной характеристикеопределяемнапряжениебаза-эмиттерVT6: Uбэ₆ = 0.9В.

10. Определяемвходное напряжение:

, (2.5.61)

Строимхарактеристикупо вышеописаннойметодике:

По данномуграфику определяемзначение Uвых₀при Uвх=Uвх_max/2:Uвых₀=13.1В.

Рассчитываемкоэффициентнелинейныхискажений дляусилителямощности:

, (2.5.62)

2.5.6.4Расчетнелинейныхискажений навсем усилителебез ООС

, (2.5.63)

2.5.7Расчетобратной связи

Рассчитываемкоэффициентпередачи обратнойсвязи по переменномутоку:

, (2.5.64)

где Kup – расчетныекоэффициентусиления понапряжению,

Kuoc – требуемыйкоэффициентусиления понапряжению.

Так как Roc1влияет на входноесопротивление,принимаем егомного большеR1:

, (2.5.65)

РассчитываемRoc2:

, (2.5.66)

Выбираем резисторысоответственноМЛТ – 0.125Вт – 150кОм.и МЛТ – 0.125Вт –75Ом .

2.5.8Расчетдинамическихи энергетическихпоказателейусилителя.

Петлевоеусиление:

(2.5.67)

Коэффициентнелинейныхискажений собратной связью:

(2.5.68)

Входноесопротивлениеусилителя собратной связью:

(2.5.69)

2.5.9Расчетконденсаторов,построениеАЧХ и ФЧХ

Длярасчета емкостиконденсаторовраспределяемкоэффициентылинейных искажений.

Длянижних частот:

, (2.5.70)

гдеM_ОС1 и M_ОС2– коэффициентылинейных искажений,создаваемые,соответственно,конденсаторамиС1 и С2.

Дляверхних частот:

, (2.5.71)

где Мос1 - коэффициентлинейных искажений,создаваемыйконденсаторомС3.

Рассчитываемпостоянныевремени:

, (2.5.72)

Рассчитываемконденсаторы,учитывая влияниеОС:

, (2.5.72)

(2.5.73)

Приводимконденсаторык стандартномуряду:

С1 –K10-7А – 25В –1.5нФ,

С2 –К10-47А – 25В – 1.2мкФ,

Сос1– К10 – 47В – 25В –0.68мкФ,

Сос2– К10 – 17В – 50В – 27пФ.

СкорректированныеАЧХ и ФЧХ приведеныв приложенииБ.

2.5.10 Расчетохладителя

Исходнымиданными прирасчете охладителяявляются:

- предельнаятемпературарабочей областиполупроводниковогоприбора t_p;

- рассеиваемаяприбором мощностьP;

- внутреннеетепловоесопротивлениепереход-корпусP_Tn-p;

- тепловоесопротивлениеконтакта междуприбором иохладителемRк;

Рисунок2.5.1 – коэффициенттеплоотдачиохладителей.

Расчетохладителейдля транзисторовVT8 VT9.

Определяемтепловоесопротивлениеконтакта междуприбором иохладителемR_К:

, (2.5.74)

гдеS_К – площадьконтактнойповерхности,м².

Определяемперегрев местакрепленияприбора с охладителемпо формуле:

, (2.5.75)

где P₈– мощность,рассеиваемаяна транзистореVT8 (VT9).

Определяемв первом приближениисредний перегревоснованияохладителяпо формуле:

, (2.5.76)

По рисунку2.5.1 выбираемохладитель,обеспечивающийпри заданномперегревекоэффициенттеплоотдачиВт/(м²К).

Параметрывыбранногоохладителя:H=20мм, Sш=10мм,L1=L2=40мм.

Уточняемразмер основанияпо форуле:

м².(2.5.77)

Определяемразмер основанияL2:

мм² (2.5.78)

Расчетохладителядля транзистораVT3.

Определяемтепловоесопротивлениеконтакта междуприбором иохладителемR_К:

, (2.5.79)

гдеS_К – площадьконтактнойповерхности,м².

Определяемперегрев местакрепленияприбора с охладителемпо формуле:

, (2.5.80)

где P₃– мощность,рассеиваемаяна транзистореVT3.

Определяемв первом приближениисредний перегревоснованияохладителяо формуле:

, (2.5.81)

По рисунку2.5.1 выбираемохладитель,обеспечивающийпри заданномперегревекоэффициенттеплоотдачиВт/(м²К).

Параметрывыбранногоохладителя:H=20мм, Sш=10мм,L1=L2=40мм.

Уточняемразмер основанияпо форуле:

мм².(2.5.82)

Определяемразмер основанияL2:

мм² (2.5.83)

3Заключение

Разработанныйусилительнизкой частотыимеет следующиедостоинстваи недостатки:

1. Коэффициентнелинейныхискаженийнесколькопревышаетдопустимый,хотя и находитсяв пятипроцентноминтервале.

2. Усилительимеет достаточнонизкое входноесопротивление

3. Усилительимеет достаточновысокие массо-габаритныепоказатели,в связи с тем,что охладительна транзисторахвыходногокаскада выбранне совсем корректно.

Методы улучшенияпараметров:

1. Уменьшитьнелинейныеискаженияможно путемуменьшенияамплитудывходного токавыходногокаскада, т.е.повысив коэффициентпередачи токавыходныхтранзисторов.

2. Дляувеличениявходногосопротивленияможно применитьпоследовательнуюОС.

ПриложениеА.

Параметрытранзисторов

А.1Полевые транзисторы

А.2Биполярныетранзисторы

Разработкапринципиальнойэлектрическойсхемы

Выходнойкаскад

Выходнойкаскад создаетсяпо схемебестрансформаторногодвухтактногоусилителямощности (УМ)на биполярныхтранзисторах.Данная схема позволяетосуществитьнепосредственнуюсвязь с нагрузкой,что дает возможностьобойтись безгромоздкихтрансформаторови разделительныхконденсаторов;имеют хорошиечастотные иамплитудныехарактеристики;легко могутбыть выполненыпо интегральнойтехнологии.

Транзисторыусилителямощности включаютсяпо схеме с общимколлектором,что позволяетсущественноснизить нелинейныеискажениякаскада.

Исходяиз соотношенийкоэффициентанелинейныхискажений (Kf)и коэффициентаполезногодействия (КПД),а также учитываямощность исопротивлениенагрузки, заданныхв техническомзадании, выбираетсярежим работытранзисторовB*. Данныйрежим обеспечиваетсниженный Kfпри высокомКПД.

Расчетнелинейныхискажений наУМ

РЕФЕРАТ

Объектомпроектированияявляется усилительнизкой частоты.

Цельработы – разработкаусилителянизкой частоты,соответствующегозаданным параметрам.

Впроцессе работыпроведеныразработкаи расчет структурнойи принципиальнойсхем усилителя.

Основныетехнико-эксплутационныепоказатели:надежность,высокие энергетическиепоказатели,защита по току.

Усилительможет применятьсяв качествеусилителязвуковых частотв диапазонеот 40 Гц до 12,5 кГц.Наив

УСИЛИТЕЛЬНИЗКОЙ ЧАСТОТЫ, РЕЗИСТОР,КОНДЕНСАТОР,ОТРИЦАТЕЛЬНАЯОБРАТНАЯ СВЯЗЬ.

Списоклитературы

1. Гусев В.Г.,Гусев Ю.М. Электроника:Учеб. пособиедля приборостроит.спец. вузов. – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: Высш.шк. 1991. – 622с.: ил.

2. МалаховВ.П. Электронныецепи непрерывногои импульсногодейстия. – К.:Одесса: Лыбидь,1991. – 256с.

3. ЗабродинЮ.С. Промышленнаяэлектроника:учебник длявузов. – М.: Высш.школа, 1982. – 496с.: ил.

4. УсатенкоС.Т. и др. Выполнениеэлектрическихсхем по ЕСКД:Справочник.– М.: Издательствостандартов,1989. – 325с.

5. ЛаврененкоВ.Ю. Справочникпо полупроводниковымприборам. 9-еиздание перераб.К. Технiка,1980. – 464с.; ил.

6. Полупроводниковыеприборы. Транзисторымалой ощности./А.А. Зайцев идр.: Под ред. А.В.Голомедова.– М. Радио и связь,КубК-а 1994. – 384 с.; ил.

7. Полупроводниковыеприборы. Транзисторысредней и большоймощности./А.А. Зайцев идр.: Под ред. А.В.Голомедова.– М. Радио и связь,КубК-а 1994. – 384 с.; ил.

Sheet 1: КТ818

Sheet 2: КТ815

Sheet 3: КП303

Sheet 4: КП902