close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ucheb posob po kurs proekt po ucheb disc shemoteh analog elektr ustr

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ
ЭЛЕКТРОННАЯ
БИБЛИОТЕЧНАЯ СИСТЕМА
Самара
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики»
_________________________________________________
Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения
В.А.Галочкин
Учебное пособие
по курсовому проектированию
по учебной дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»
Самара
2012 г
2
УДК
Г
Галочкин В.А. Учебное пособие по курсовому проектированию по учебной
дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» - Самара:
ГОУВПО ПГУТИ, 2012г - 129 с.
Пользуясь данным учебным пособием, студенты в дополнение к лекционным материалам могут более основательно изучать материалы дисциплины, осваивая методики анализа работы схем, расчетов, применяя компьютерное моделирование.
Методическое пособие разработано для студентов очной и заочной форм обучения в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлениям подготовки
«Радиотехника» (компетенции ОК-10, ОК-12, ПК-17 ПК-19 и др.), и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» для бакалавров и магистров и
утвержденной рабочей программы по дисциплине «Схемотехника аналоговых
электронных устройств».
Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики»
© Галочкин В.А., 2012
3
Содержание
Курсовой проект «Компьютерное моделирование
влияния отрицательной обратной связи на показатели
резистивного усилителя»
Стр.
1. Постановка задачи по разработке курсового
2. Краткие теоретические сведения об обратных
проекта.....…6
связях в усилительных устройствах………………………………….7
3. Принципиальная схема для исследования
с использованием компьютерного моделирования………………...14
4. Исходные данные
4.1.Варианты заданий для выполнения курсового проекта…16
4.2.Требования по выбору программного обеспечения………….17
4.3.Требования к составу проекта для его защиты………..17
4.4.Требования содержанию пояснительной записки…….. 18
5. Методические указания по выполнению
теоретических расчетов
5.1.Расчет показателей усилителя без ООС……………19
5.2.Расчет показателей усилителя с частотнонезависимой последовательной отрицательной обратной
связью по току ООС …………………………………………….23
6. Методические указания по выполнению
экспериментального исследования влияния отрицательной
обратной связи на показатели резистивного усилителя
с использованием компьютерного моделирования……………25
Задание 1. Исследование влияния ООС на усилительные
свойства усилителя и стабильность сквозного коэффициента
усиления напряжения……………………………………………25
Задание 2. Исследование влияния ООС на амплитудночастотные характеристики (АЧХ) усилителя…………………30
Задание 3. Исследование влияния ООС на входное
сопротивление усилителя……………………………………….32
Задание 4. Исследование влияния ООС на выходное
сопротивление усилителя……………………………………….32
7. Контрольный пример по теоретическому
и экспериментальному исследованию влияния отрицательной обратной связи на показатели резистивного усилителя с использованием компьютерного моделирования………35
8. Рекомендуемая литература……………………………49
9. Требования к оформлению пояснительной записки..49
10. Приложение 1. Логарифмическая шкала частот……50
11. Приложение 2. Форма титульного листа…………….51
4
Курсовой проект «Усилитель аудисигналов»
Постановка задачи по разработке курсового проекта ………………52
Краткие теоретические сведения по схемотехнике
построения усилительных устройств и основам их расчетов………………3
3. Исходные данные
3.1.Варианты заданий для выполнения курсового проекта………...96
3.2. Требования к проекту. ……...................................................98
3.3.Требования к содержанию пояснительной записки………………….99
4. Методические рекомендации по проектированию, расчетам и контрольный пример проектирования усилителя аудисигналов……………………….100
4.1.Выбор структурной и принципиальной схем усилителя……………100
4.2. Описание работы усилителя и расчет
необходимого коэффициента усиления……………………….100
4.2.1. Краткое описание каскадов усилителя,
выполненных на операционных усилителях (ОУ)……………100
4.2.2 Описание работы усилителя по
принципиальной схеме…………………………………………102
4.2.3 Расчет коэффициента усиления тракта……..104
4.3. Расчет параметров и номиналов элементной базы
оконечного каскада……………………………………………...105
4.3.1.Выбор (разработка) и обоснование схемы ОК..105
4.3.2. Расчет ОК и выбор его элементной базы…….107
4.4. Расчет коэффициента полезного действия………..112
4.5. Расчет каскадов предварительного усиления
4.5.1 Выбор усилительных элементов и расчет
их режима в усилителе………………………………………….112
4.6. Расчет регулятора усиления ………………………...113
4.7. Расчет АЧХ усилителя………………………………116
4.8. Составление схемы источника питания…………..122
4.9. Выводы по результатам разработки курсового
проекта…………………………………………………………...123
5. Рекомендуемая литература…………………………….123
6. Приложение 1. Структурная схема……………………124
7. Приложение 2. Принципиальная схема……………….125
8. Приложение 3. Схема источника питания ……………126
9. Требования к оформлению пояснительной записки…127
10.Приложение 4. Форма титульного листа……………..129
1.
2.
Курсовой проект «Компьютерное моделирование
5
влияния отрицательной обратной связи на показатели резистивного
усилителя»
1. Постановка задачи
1. Изучить по указанной в разделе 8 литературе:
- виды и принцип действия обратных связей;
- схемотехнику применения (получения, введения) отрицательных
обратных связей;
-влияние ООС на усилительные свойства усилителя и стабильность
сквозного коэффициента усиления напряжения;
- влияние ООС на нелинейные искажения;
- влияние ООС на линейные искажения;
- способы корректирования АЧХ усилителя с помощью частотнозависимой ООС;
- влияние ООС на входные и выходные сопротивления усилителя;
2. Требуется рассчитать для усилительного каскада:
- сквозной коэффициент усиления по напряжению;
- входное сопротивление;
- выходное сопротивление;
- верхнюю граничную частоту.
Расчеты провести:
- для каскада без ООС:
- для каскада с последовательной частотно-независимой ООС по
току.
3. Экспериментально проверить с использованием компьютерного моделирования основные положения теории усилительных устройств в ООС:
3.1. Исследовать влияние ООС на усилительные свойства усилителя и
стабильность сквозного коэффициента усиления напряжения:
- в режиме работы усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению;
- в режиме работы усилителя с последовательной отрицательной
обратной связью по току;
- в режиме работы усилителя с комбинированной по входу и выходу отрицательной обратной связью;
3.2. Исследовать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ)
усилителя:
- АЧХ усилителя без ООС;
- АЧХ усилителя с частотно-независимой последовательной ООС
по току;
6
- АЧХ усилителя с частотно-зависимой ООС (последовательной, по
току);
3.3. Исследовать влияние ООС на входное сопротивление усилителя:
- для усилителя с последовательной по входу ООС;
- для усилителя с параллельной по входу ООС;
- для усилителя с комбинированной по входу ООС.
3.4. Исследовать влияние ООС на выходное сопротивление усилителя:
- для усилителя с ООС по току (по выходу);
- для усилителя с ООС по напряжению (по выходу);
- для усилителя с ООС, комбинированной по выходу.
2. Краткие теоретические сведения об обратных связях в усилительных устройствах
Обратной связью называется связь, при которой происходит передача сигнала
(напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную (рис).
В усилительных устройствах широко применяется отрицательная обратная связь (ООС), которая используется для уменьшения искажений, повышения стабильности усиления и режима работы усилительных элементов.
Как видно из рисунка, в узле 1 суммируются сигналы (U,I) от источника и от
выхода усилителя.
Если фазы этих сигналов совпадают, то их общая амплитуда возрастает как в
точке 1, так и в точке 2 – это положительная обратная связь.
При противоположной фазе – отрицательная обратная связь, вносящая ослабление.
ООС – частотно-независимая, если коэффициент передачи напряжения (тока)
цепи ОС не зависит от частоты, в отличие от частотно-зависимой.
Если цепь, элемент ОС является неотъемлемой частью усилителя, такая ОС –
внутренняя. Если ОС охватывает один каскад многокаскадного усилителя, то
это местная ОС, в отличие от общей ОС, охватывающей весь усилитель в целом.
Рассмотрим влияние ООС на коэффициенты усиления, охваченного последовательной обратной связью по напряжению.
В структурную схему входит цепь прямой передачи и цепь обратной связи
(цепь обратной передачи). Предполагается, что указанные цепи линейные. На
7
усилитель с обратной связью подается внешний синусоидальный входной сигнал uвх1, а на цепь прямой передачи — сигнал uвх2.
Цепь прямой передачи характеризуется комплексным коэффициентом усиления
по напряжению K u (коэффициентом прямой передачи):
K u
U вых
,
U вх 2
где U вых , U вх 2 — соответственно комплексные действующие значения напряжений
uвх2 и uвых.
Цепь обратной связи характеризуется комплексным коэффициентом обратной
связи  :

U ос
U вых
где U ос — комплексное действующее значение напряжения обратной связи uос.
Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. определяется по
формуле
K uос
U вых
U вх1
где U вх1 -комплексное действующее значение напряжения uвх1.
Легко заметить, что при отрицательной обратной связи
K uос
K u
1  K u
т.е. коэффициент усиления по напряжению при последовательной отрицательной обратной связи уменьшается.
Коэффициент усиления по току при этом виде обратной связи не изменяется:
Ki
I вых
I вх
Kiос
const ,
полагая при этом, что Uвх2 и Rвх (т.е. Iвх) усилителя не изменяются при введении обратной связи.
Рассмотрим влияние ООС на коэффициенты усиления, охваченного параллельной обратной связью по напряжению:
8
Так как для этого вида обратной связи
Uвх1 Uвх 2 Uос ,
то коэффициент усиления по напряжению при этом виде обратной связи не
изменяется:
Ku
U вых
U вх
Kuос
const
Коэффициент усиления по току при этом виде обратной связи (отрицательной):
I вх 2
I вх1 I ос
I вх1
I вх 2
I ос
и, соответственно,
Kiос
I вых
I вх1
I вых
I вх 2
I ос
- уменьшается.
При комбинированной по входу ОС составляющая последовательной ОС влияет только на коэффициент усиления по напряжению, а составляющая параллельной ОС – только на коэффициент усиления по току.
Величину 1  K u называют глубиной обратной связи, а величину  K u называют петлевым усилением. Если глубина обратной связи достаточно велика, то
1  K u » 1 и
K uос
1

Отсюда можно сделать следующий очень важный вывод: если глубина отрицательной обратной связи достаточно велика, то коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью Киос, зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств в цепи прямой передачи
9
Как видно, усилитель и цепь ОС составляют замкнутое кольцо, которое принято называть петлей обратной связи. Для анализа свойств ОС вводятся показатели:
- глубина обратной связи (отрицательной) F = 1  K u
- комплексный коэффициент обратной связи 
- коэффициент петлевого усиления KП
- величина возвратного отношения T
При этом глубина ООС:
F
1 KП
U ос
U вых
.
Ku
KП .
1 T
Величина возвратного отношения Т – комплексная величина, характеризуется
модулем Т и аргументом Т - фазой обратной связи.
Модуль глубины ОС F определяется через Т и Т:
F
1 T ej
T
1 2T cos
T
T2 .
Данное соотношение позволяет анализировать влияние обратной связи на устойчивость усилителя, используя критерий Найквиста.
Отрицательная обратная связь уменьшает в F раз нестабильность qe сквозного
коэффициента усиления при воздействии дестабилизирующих факторов:
qе
qеос
F
Относительную нестабильность сквозного коэффициента усиления можно рассчитать:
Kе
Kе
q
Ке1 Ке2
,
Ке1
где Ке1 и Ке2 - сквозные коэффициенты усиления, соответствующие разным
состояниям дестабилизирующих факторов.
Достаточно просто можно показать, что для последовательной отрицательной обратной связи
Z вхос
Z вх 1 KU
т.е. входное сопротивление по модулю увеличивается.
При параллельной отрицательной обратной связи при сохранении U вх1 const
входной ток увеличивается на величину тока обратной связи, что приводит к
уменьшению входного сопротивления:
Z вхос
Z вх
1 KU
10
При этом изменения входного сопротивления не зависят от способа получения
обратной связи на выходе усилителя.
При комбинированной по входу ОС две составляющие сигнала ОС действуют в противоположных направлениях. Значение входного сопротивления после введения
ОС зависит от соотношения составляющих обратной связи в сигнале комбинированной ОС.
Влияние ООС на входные и выходные сопротивления легко определять по
формуле Блекмана:
ZF
Z
Fкз
Fхх
,
где Z F и Z - сопротивления (входные или выходные) при наличии или отсутствии обратной связи, а Fкз и Fхх - глубина обратной связи при бесконечно
малом или бесконечно большом сопротивлении источника сигнала или нагрузки, соответственно.
Влияние ООС на АЧХ определяется тем, что верхняя граничная частота усиления
ВF
В
(1
K)
- увеличивается в F раз.
Аналогично показывается расширение частотного диапазона в области НЧ.
Т.о., уровень линейных искажений уменьшается в F раз.
Напряжение гармоник или помех в усилителе с ООС уменьшается:
Uпос
Uп
F
где Uп - напряжение гармоник и помех до введения ОС.
3. Принципиальная схема для исследования с использованием компьютерного моделирования
Для полной характеристики усилителя с ОС необходимо указать:
1) - способ введения напряжения ОС на его вход; 2) - знак ОС; и 3) - способ
получения напряжения ОС на выходе усилителя.
На рис. 1 приведены указанные в разделе 2 три схемы формирования ОС по
входу усилителя:
- параллельная ОС - напряжение ОС через резистор 1,9 кОм подается
на вход усилителя (с помощью переключателя «D» - переключатель замкнут)
параллельно с сигналом;
- последовательная ОС – напряжение ОС, снимаемое с резистора R0,
подается на вход усилителя последовательно с сигналом (конденсаторы «С» в
эмиттерной цепи усилителя отключены);
- комбинированная по входу ОС – работают одновременно обе схемы.
11
рис. 1
На рис. 1 также приведены три схемы формирования ОС по выходу
усилителя:
- ОС по напряжению - напряжение ОС, пропорциональное выходному
напряжению, снимается с резистора (нагрузки) Rк и через резистор 1,9 кОм
подается на вход усилителя с помощью переключателя «D» - переключатель
замкнут;
- ОС по току – напряжение ОС снимается с резистора R0, включенного
последовательно с нагрузкой Rк (переключатели «А», «В» «С» и «D» - разомкнуты);
- комбинированная по выходу ОС - одновременно работают обе схемы
формирования ОС.
Таким образом, в схеме по рис. 1 приведены три схемы ОС:
- параллельная ООС по напряжению;
- последовательная ООС по току;
- комбинированная по входу ООС, комбинированная по выходу.
12
4. Исходные данные; варианты заданий для выполнения курсового
проекта; требования к проекту.
4.1. Варианты исходных данных приведены в таблице 4-1 и в таблице 4-2.
Наименование основных параметров.
ед-ца измер.
Паспортные данные для транзистора2N3904 (КТ375Б):
1.
h21эмин
50
2.
h21эмах
280
3.
Ск
5pF
4.
fгр
250 Мгц
5.
300 пс;
к
6.
Rкэ ( в режиме насыщения)
от 40 до 60
Ом
7.
Rвых транз (собств)
15 - 30 кОм
Данные для
Наименование основных параметров (вариан- контрольного
ты)
примера
Ikо , мА (см. примечание)
Rг, кОм
Rк, Ом
Rб1, кОм
Rб2, кОм
Rо. Ом
Rнагр, Ом
Таблица 4-1
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
7,5мА
1,0 кОм
510 Ом
101 кОм
15 кОм
520 Ом
360 Ом
Таблица 4-2
Парамет
р
1
2
(номер)
8.
9. 0, 0,
5 6
10. 5 52
1 0
0
3
4
Номер варианта
5
6
7
8
9
10
0, 0, 0,9 1,0 1.1 1,2 1,3 1,4
7 8
53 5 55 56 57 58 59 600
0 4 0
0
0
0
0
0
13
11.
12.
13.
14.
1
0
1
1
5
5
2
0
3
6
0
10 11
5 0
14 13
51 51
5 0
37 38
0 0
Пара11 12
метр
(номер)
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
1,
4
60
0
12
0
10
52
5
45
0
1
1
5
1
2
5
0
5
3
9
0
13
12
0
11
5
11
0
10
5
10
0
110
11
10
11
12
13
14
50
0
50
5
51
0
51
5
52
0
515
40
0
41
0
42
0
43
0
44
0
450
14
Таблица 4-2 (продолж.)
Номер варианта
15 16 17 18 19 20
1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7
0,6
0,5
59
0
11
5
11
53
0
44
0
520
51
0
11
0
10
57
5
36
0
58
0
11
0
12
53
5
43
0
57
0
10
0
13
54
0
42
0
56
0
10
5
14
54
5
41
0
55
0
11
0
15
55
0
40
0
54
0
11
5
14
56
0
39
0
53
0
12
0
13
56
5
38
0
125
12
570
370
Таблица 4-2 (продолж.)
Параметр
(номер)
8.
9.
10.
21
22
23
24
Номер варианта
25
26 27 28
1,0 0,9 0,8 0,7 0,5
55 56 57 58 590
0
0
0
0
1,5 1.4 1,3
600 51 520
0
29
30
1,2 1,1
530 54
0
14
11.
12.
13.
14.
11
5
10
57
5
40
0
12
0
15
57
0
41
0
10
0
11
56
5
42
0
10
5
14
56
0
43
0
110
120
12
555
13
550
440
450
10
5
14
54
5
36
0
110
115
15
540
10
535
370
380
12
0
11
53
0
39
0
Примечание: значение тока Iко определяется экспериментально в каждом конкретном варианте по режиму схем моделирования.
4.2. Моделирование при выполнении курсовой работы может проводиться с использованием программного обеспечения Multisim-11 (Electronics
Workbench).
4.3. Для защиты курсового проекта должны быть представлены:
- пояснительная записка;
- диск с программным обеспечением по выполнению задания по моделированию.
4.4. Требования к содержанию пояснительной записки:
Введение. Постановка задачи.
Краткие теоретические сведения.
3.Исходные данные; требования к проекту. Принципиальная схема для
исследования.
4. Выполнению теоретических расчетов:
4.1. Расчет показателей усилителя без ООС
4.2.Расчет показателей усилителя с частотнонезависимой последовательной отрицательной обратной
связью по току ООС
5.. Выполнение экспериментального исследования влияния отрицательной
обратной связи на показатели резистивного усилителя с использованием
компьютерного моделирования:
5.1. Исследование влияния ООС на усилительные
свойства усилителя и стабильность сквозного коэффициента
усиления напряжения
5.2. . Исследование влияния ООС на амплитудночастотные характеристики (АЧХ) усилителя
5.3. Исследование влияния ООС на входное
сопротивление усилителя
5.4. Исследование влияния ООС на выходное
1.
2.
15
сопротивление усилителя
6. Заключение. Выводы
7. Список литературы
8. Приложение. Диск с программой выполнения работы.
5. Методические указания по выполнению
теоретических расчетов
5.1. Расчет показателей усилителя без ООС.
Физическая эквивалентная схема транзистора, представляющая собой электрическую модель транзистора и отражающая его физические свойства – схема
Джиаколетто - может быть представлена в следующем виде (рис.5.1):
Рис. 5.1
1). Определяем среднее значение параметра h21э:
h21Э
h21Э мин h21Эмахх
2). Определяем значение параметра h11э:
h11э = rб rб э ,
где rб - сопротивление базы транзистора, представляющее собой распределенное (объемное) сопротивление участка кристалла, примыкающего к
электроду; rб э – сопротивление эмиттерного перехода;
rб =
rб э =
где
1
,
Т
к
/Ск
1 h 21э
Iк0
-температурный потенциал, равный 26 мВ при комнатной
Т
температуре.
Таким образом, расчетное значение параметра h11э составляет:
3). Определим расчетное значение входного сопротивления усилительного
каскада с учетом сопротивлений Rб1 и Rб2:
16
Rвх
где
h11э Rб
h11э Rб
Rб
Ом
Rб1 Rб 2
Rб1 Rб 2
кОм.
Расчетное значение входного сопротивления Rвх усилительного каскада с
учетом сопротивлений Rб1 и Rб2 заносим в табл.6-6 для сравнения с экспериментальными данными.
4). Определим расчетное значение выходного сопротивления усилительного
каскада.
- значение параметра Y22 составляет:
1
Y22
Rвыхтр
Ом
1
;
Выходное сопротивление усилительного каскада по переменному току
представляет собой параллельное соединение Rвых транзистора, и сопротивления в цепи коллектора Rк;
Rвых
Rk Rтр
Rk
Rтр
ра
Ом.
ра
Заносим это значение Rвых в табл. 6-7 для сравнения с экспериментальными
данными.
Определим (для проверки) порядок Rвых каскада по формуле:
Rвых
где rэ
Т
I ko
Ом;
Rкэ (1
h 21э rэ
),
rэ rб
rб - см. выше; I ko , Rкэ - см. исходные данные;
5). Определим величину сквозного коэффициента усиления Ке:
Ke
h 21э Rн
,
Rг h11э
где Rн представляет собой параллельное соединение ранее рассчитанного
Rвых и сопротивления внешней нагрузки Rнагр:
Заносим это значение Ке в табл. 6-1 для сравнения с экспериментальными
данными.
17
Можно проверить значение Ке по формуле:
Ke
где
Y 21э Rн
1 Y 11э Rг
Y 21э
,
h 21э
h11э
Ом
1
h11э
Ом
Y 11э
1
1
В эквивалентной схеме емкость коллекторного перехода Ск объединяют с
емкостью эмиттерного перехода Сб’э:
Свх экв = Сб’э + Ск (1 + Sп Rн),
или
Свх экв = Сб’э + Ск * К,
где Sп – крутизна характеристики выходного тока по напряжению на эмиттерном переходе,не зависящая от частоты
h 21э
rб э
SП
Ом 1 .
Коэффициент усиления по напряжению К:
h 21э Rн
h11э
K
Емкость эмиттерного перехода Сб’э:
Сб ' э
где
1
2
f h 21э
f h 21э rб э
Cк
pF,
fгр
Мгц
h 21э
8) Определим верхнюю граничную частоту усилительного каскада fв гр:
fвгр
Rг rб ' rб э
мГц.
2 Cэкв ( Rг rб ' ) rб э
Сравниваем это расчетное значение fв гр с данными эксперимента (табл.63).
18
5.2. Расчет показателей усилителя с частотно-независимой последовательной отрицательной обратной связью по току.
1). Определим глубину обратной связи для исходных данных:
F
1
Rо (1 h21э)
,
Rбг Rвх
где Rбг – параллельное соединение сопротивлений Rб1; Rб2 и Rг:
2). Определим верхнюю граничную частоту с учетом действия ООС:
fгр(ос) = fгр(без ос) * F
Заносим это значение в табл.6-4 для сравнения с экспериментальными данными.
3). Определим значение сквозного коэффициента усиления по напряжению с учетом ООС:
Kеос
Kе
F
Проверим это значение по формуле:
h 21э Rнагр
Rо h 21э
h11э (1
)
h11э
Kеос
Заносим это значение Ке
данными.
в табл. 6-1 для сравнения с экспериментальными
4). Определим значение входного сопротивления Rвх для каскада с
учетом ООС (чистое, без внешних элементов схемы):
R вхос
h11э (1 h21э) Rо
R вхос
h11э (1 h21э
или
Rо
)
h11э
С учетом сопротивления Rбг входное сопротивление составит:
Rвхос
Rвхос Rбг
Ом.
Rвхос Rбг
И для генератора Ег нагрузка будет составлять:
19
Rвхос = Rг + R вхос
Заносим это значение в табл. 6-6 для сравнения с результатом эксперимента.
5). Определим значение выходного сопротивления Rвых для каскада с
учетом ООС (с учетом внешней нагрузки Rк):
1
Rо h21э
1
 Rк
h22э
h11э Rэ
R выхос
где
h22э =
1
Rвыхтр
Ом
1
и Rк - см. исходные данные.
ра
Заносим этот результат в табл.6-7 для сравнения с экспериментальными данными.
6. Методические указания по выполнению экспериментального исследования влияния отрицательной обратной связи на показатели резистивного
усилителя с использованием компьютерного моделирования.
Задание 1. Исследование влияния ООС на усилительные свойства усилителя
и стабильность сквозного коэффициента усиления напряжения.
1.1Режим работы усилителя без ООС (рис. 6.1):
Рис. 6.1
- ключом «С» подключить конденсатор 500 nF;
- ключи «D» , «А» и «В» установить в разомкнутом положении.
- подключить в исследуемой схеме (см. рис. 6.1) ключом «N» сопротивление нагрузки Rн;
- ключом «Р» установить напряжение питания +30В;
20
- установить частоту генератора f = 3 кГц;
- установить напряжение источника сигнала (рис. 6.2) такой величины,
чтобы сигнал на выходе (рис. 6.3) был неискаженным (Ег =1-10 мВ);
- замерить входное напряжение Uвх;
- замерить выходное напряжение Uвых.
Занести значения Ег, Uвх; Uвых,
Ке
Uвых
Eг
в табл. 6-1
Рис. 6.2
Рис. 6.3
1.2. Режим работы усилителя с параллельной отрицательной обратной
связью по напряжению (рис. 6.1):
- ключом «D» подключить резистор 1,9 кОм;
- ключом «С» подключить конденсатор 500 nF;
- ключи «A» и «В» установить в разомкнутом положении.
- подключить в исследуемой схеме (см. рис. 6.1) ключом «N» сопротивление нагрузки Rн;
- ключом «Р» установить напряжение питания +30 В;
- установить частоту генератора f = 3 кГц;
- установить напряжение источника сигнала (рис. 6.2) такой величины, чтобы сигнал на выходе (рис. 6.3) был неискаженным (Ег =1-10 мВ);
-- замерить входное напряжение Uвх;
- замерить выходное напряжение Uвых.
21
Занести значения Ег, Uвх; Uвых,
Ке
Uвых
Eг
в табл. 6-1
1.3. Режим работы усилителя с частотно-независимой
ной отрицательной обратной связью по току (рис. 6.1):
последователь-
- ключом «С» отключить конденсатор 500 nF;
- ключи «A» «В» и «D» установить в разомкнутом положении.
- подключить в исследуемой схеме (см. рис. 6.1) ключом «N» сопротивление нагрузки Rн;
- ключом «Р» установить напряжение питания +30 В;
- установить частоту генератора f = 3 кГц.
- установить напряжение источника сигнала (рис. 6.2) такой величины, чтобы сигнал на выходе (рис. 6.3) был неискаженным (Ег =1-10 мВ);
- замерить входное напряжение Uвх;
- замерить выходное напряжение Uвых.
Занести значения Ег, Uвх; Uвых,
Ке
Uвых
Eг
в табл. 6-1
1.4. Режим работы усилителя с комбинированной по входу и выходу
отрицательной обратной связью (рис. 6.1):
- ключом «D» подключить резистор 1,9 кОм;
- ключом «С» отключить конденсатор 500 nF;
- ключи «A» и «В» установить в разомкнутом положении.
- подключить в исследуемой схеме (см. рис. 6.1) ключом «N» сопротивление нагрузки Rн;
- ключом «Р» установить напряжение питания +30В;
- установить частоту генератора f = 3 кГц.
- установить напряжение источника сигнала (рис. 6.2) такой величины, чтобы сигнал на выходе (рис. 6.3) был неискаженным (Ег =1-10 мВ);
- замерить входное напряжение Uвх;
- замерить выходное напряжение Uвых.
Занести значения Ег, Uвх; Uвых,
Без
ООС
Параллельная ООС
по напряжению
Ке
Uвых
Eг
в табл. 6-1
Табл. 6-1
ПоследовательКомбинированная ООС
ная по входу и выходу
по току
ООС
Eг, мВ
22
Uвх,
мВ
Uвых,
мВ
Ке
Uвых
Eг
Расчетное
значение Ке
Ке =
Ке =
1.5. Режим работы усилителя без ООС и с последовательной ООС по
току при напряжении питания усилителя +6 В
1.5.1. Усилитель с ООС:
- ключом «С» отключить конденсатор 500 nF;
- ключи «A» «В» и «D» установить в разомкнутом положении.
- подключить в исследуемой схеме (см. рис. 6.1) ключом «N» сопротивление нагрузки Rн;
- ключом «Р» установить напряжение питания +6 В;
- установить частоту генератора f = 3 кГц.
- установить напряжение источника сигнала (рис. 6.2) такой величины, чтобы сигнал на выходе (рис. 6.3) был неискаженным (Ег =1-10 мВ);
- замерить выходное напряжение Uвых.
1.5.2. Повторить измерения по п. 1.1 (усилитель без обратной связи) с Еп =
6 В.
Занести значения Ег, Uвых,
Ке
Uвых
Eг
в табл. 6-2.
1.6.
Сформировать по данным п. 1.1, п. 1.3 (напряжение питания +30
В) и данным п. 1.5 (напряжение питания +6 В) таблицу 6-2 и рассчитать
относительную нестабильность q сквозного коэффициента усиления Ке
при отсутствии ООС и при наличии ООС:
23
Табл. 6-2
Еп = +30В
без ООС с ООС
Еr
мВ
Uвых.
мВ
Еп = +6 В
без ООС с ООС
Ке=Uвых/Еr
q
Kе
Kе
Ке1 Ке2 ,
Ке1
где Ке1 и Ке2 - сквозные коэффициенты усиления при питании +30 В и +6 В,
соответственно.
Сделать выводы по полученным результатам о влиянии ООС на относительную нестабильность коэффициента усиления.
Задание 2. Исследование влияния ООС на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) усилителя
2.1. Выполнить коммутацию схемы рис. 6.1 по п. 1.1 (усилитель без
ООС);
- снять АЧХ усилителя и результаты измерений занести в табл. 6-3
Час… fнг …
тота,
р=
МГц
Uвых,
мВ
К=
Uвых/
Eг
Y=K/
0,7
K0
07
…
fср=
3кГц
1
Табл.6-3
…
…
fвгр=
…
0,707
2.2. Выполнить коммутацию схемы рис. 1 по п. 1.3 (усилитель с частотнонезависимой последовательной ООС по току);
- снять АЧХ усилителя и результаты измерений занести в табл. 6-4.
24
Табл.6-4
Частота,
МГц
Uвых,
мВ
К=
Uвых/
Eг
Y=K/K
0
… fнг
р=
…
…
0,70
7
fср
=
3к
Гц
…
… fвгр …
=
1
0,70
7
2.3. Скоммутировать в схеме рис. 6.1 частотно-зависимую ООС (последовательную, по току), для чего:
- ключом «С» отключить конденсатор 500 nF;
- ключом «А» подключить конденсатор 2 nF;
- ключи «D» и «В» установить в разомкнутом положении.
- снять АЧХ усилителя и результаты измерений занести в табл.6-5
Частота,
МГц
Uвых
, мВ
К=
Uвых
/Eг
Y=K/
K0
… fнг
р=
0,70
7
…
…fср
=
3кГ
ц
Табл.6-5
… … fвгр …
=
1
0,70
7
Примечания:
1. Шкала частот – логарифмическая (см. приложение):
2. За среднюю частоту принять f = 3 кГц;
Обработка результатов эксперимента:
1. Построить все три АЧХ для сравнения на одном графике;
2. На графиках показать граничные частоты (верхние и нижние);
3. Привести расчетные значения верхних граничных частот:
25
- для схемы без ООС fвгр =
- для схемы с ООС fвгр =
и сравнить их значения, с полученными экспериментальным путем.
4. Отметить на графике с частотно-зависимой ООС частоту коррекции АЧХ.
5. Сделать выводы о влиянии ООС на полосу пропускания усилителя и возможности коррекции АЧХ.
Задание 3. Исследование влияния ООС на входное сопротивление усилителя
По данным табл. 6-1 выполнить расчет входного сопротивления усилителя
при отсутствии ООС и при различных способах подачи ООС во входную
цепь; для данного усилителя принято Rг = 1,0 кОм.
Результаты расчетов свести в табл. 6-6:
Rвх
без
ООС
Rг
Uвх
Eг Uвх
Табл. 6-6
посл. по
пар. по вхо- комбинир. по вховходу
ду ООС
ду ООС
ООС
Uвх, мВ
Ег, мВ
Rвх, Ом
(эксперим.)
Расчетное
значение
Rвх, Ом
Задание 4. Исследование влияния ООС на выходное сопротивление усилителя
Провести дополнительные измерения и выполнить расчет выходного сопротивления усилителя при отсутствии ООС и при различных способах формирования напряжения ООС в выходной цепи.
26
4.1. Выполнить коммутацию схемы рис. 6.1 по п. 1.1 (усилитель без ООС);
- измерить Uвых. при подключенной нагрузке Rн;
- измерить Uвых. при отключенной нагрузке Rн;
4.2. Выполнить коммутацию схемы рис. 6.1 по п. 1.2 (усилитель с параллельной ООС по напряжению);
- измерить Uвых. при подключенной нагрузке Rн;
- измерить Uвых. при отключенной нагрузке Rн;
4.3. Выполнить коммутацию схемы рис. 6.1 по п. 1.3 (усилитель с последовательной ООС по току);
- измерить Uвых. при подключенной нагрузке Rн = 360 Ом;
- измерить Uвых. при отключенной нагрузке Rн = 360 Ом;
4.4. Выполнить коммутацию схемы рис. 6.1 по п. 1.4 (усилитель с комбинированной по входу и выходу ООС);
- измерить Uвых. при подключенной нагрузке Rн = 360 Ом;
- измерить Uвых. при отключенной нагрузке Rн = 360 Ом;
Выходное сопротивление усилителя определяется:
Rвых
Rн (
U * вых
1) ,
Uвых
где U * вых - напряжение на выходе усилителя без нагрузки;
Uвых - напряжение на выходе усилителя с подключенной нагрузкой.
Результаты расчетов свести в табл. 6-7:
без
ООС
Табл. 6-7
ООС по то- ООС по напр.
ку (вых)
(вых)
комб. по вых.
ООС
U * вых ,мВ
Uвых, мВ
Rвых, Ом
(эксперим.)
Расчетное значение Rвых, Ом
27
По результатам исследования (табл. 6-6 и 6-7) сделать выводы о влиянии видов
ООС на входное и выходное сопротивление усилителя.
7. Контрольный пример по теоретическому и экспериментальному исследованию влияния отрицательной обратной связи на показатели резистивного усилителя с использованием компьютерного моделирования
7.1. Принципиальная схема для исследования с использованием компьютерного моделирования приведена на (рис. 7.1):
Рис.7.1
Исходные данные для моделирования приведены в табл.4-1.
7.2. Расчет показателей усилителя без ООС
Физическая эквивалентная схема транзистора, представляющая собой
электрическую модель транзистора и отражающая его физические свойства –
схема Джиаколетто - может быть представлена в следующем виде (рис.7.2):
Рис. 7.2
28
1). Определяем среднее значение параметра h21э:
h21Э
h21Э мин h21Эмахх
=
50 280
= 118.
2). Определяем значение параметра h11э:
rб
h11э =
rб э ,
где rб , - сопротивление базы транзистора, представляющее собой распределенное (объемное) сопротивление участка кристалла, примыкающего к
электроду; rб э – сопротивление эмиттерного перехода;
rб =
1 h 21э
Iк0
rб э =
где
1
,
к
Т
300
= 60 Ом;
5
(1 118) 26
= 412 Ом,
7,5
/Ск =
=
-температурный потенциал, равный 26 мВ при комнатной
Т
температуре.
Таким образом, расчетное значение параметра h11э составляет:
h11э = 60 +412 =472 Ом
3). Определим расчетное значение входного сопротивления усилительного
каскада с учетом сопротивлений Rб1 и Rб2:
Rвх
где
Rб
h11э Rб
h11э Rб
Rб1 Rб 2
Rб1 Rб 2
472 13000
472 13000
101 15
101 15
13
455
Ом
кОм.
Расчетное значение входного сопротивления усилительного каскада с учетом
сопротивлений Rб1 и Rб2 Rвх = 455 Ом заносим в табл. 7- 6 для сравнения
с экспериментальными данными.
4). Определим расчетное значение выходного сопротивления усилительного
каскада.
- значение параметра Y22 составляет:
Y22
1
Rвыхтр
1
15000
0, 07 10 3 Ом
1
;
29
Выходное сопротивление усилительного каскада по переменному току
представляет собой параллельное соединение Rвых транзистора, равное
15 кОм и сопротивления в цепи коллектора Rк = 510 Ом;
510 15000
510 15000
Rвых
Ом.
493
Заносим это значение Rвых = 493 Ом в табл. 7-7 для сравнения с экспериментальными данными.
Определим (для проверки) порядок Rвых каскада по формуле:
Rкэ (1
Rвых
где rэ
Т
Iko
26
7,5
3,5 Ом;
h 21э rэ
),
rэ rб
rб = 60 Ом; Rкэ = 60 Ом (см. исходные дан-
ные);
Rвых
60 (1
118 3,5
)
3,5 60
Ом
452,8
5). Определим величину сквозного коэффициента усиления Ке:
Ke
h21э Rн
Rг h11э
118 207
1000 472
16,5 ,
где Rн представляет собой параллельное соединение Rвых = 493 Ом и Rн =
360 Ом:
Rн
493  360
207
Ом
Заносим это значение Ке = 16,5 в табл. 7-1 для сравнения с экспериментальными данными.
Можно проверить значение Ке по формуле:
Ke
где
Y 21э Rн
1 Y11э Rг
0, 25 207
1 2,1 10 3 103
Y 21э
h 21э
h11э
118
472
0, 25 Ом
Y 11э
1
h11э
1
472
2,1 10
3
16,7
,
1
Ом
1
30
В эквивалентной схеме емкость коллекторного перехода Ск объединяют с
емкостью эмиттерного перехода Сб’э:
Свх экв = Сб’э + Ск (1 + Sп Rн),
или
Свх экв = Сб’э + Ск * К,
где Sп – крутизна характеристики выходного тока по напряжению на эмиттерном переходе,не зависящая от частоты
h21э
rб э
SП
118
412
0, 28 Ом 1 .
Коэффициент усиления по напряжению К:
h21э Rн
h11э
K
118 207
472
51, 75
Емкость эмиттерного перехода Сб’э:
Сб ' э
где
1
2
f h 21э
f h 21э rб э
fгр
h21э
Cк
250
118
1
5 179 pF,
6, 28 2,1 106 412
2,1
Мгц
Значение Свх экв составляет:
Свх экв = 179 + 5 * 51,75= 437,75 pF,
8) Определим верхнюю граничную частоту усилительного каскада fв гр:
fвгр
Rг rб '
2 Cэкв ( Rг
rб э
rб ' ) rб э
1000 60 412
6, 28 437, 75 10 12 1060 412
1, 29
мГц.
Сравниваем это расчетное значение fв гр с данными эксперимента
(табл. 7-3).
7.3. Расчет показателей усилителя с частотно-независимой
тельной отрицательной обратной связью по току (рис. 7.1):
последова-
1). Определим глубину обратной связи для исходных данных:
31
F
1
Rо (1 h21э)
,
Rбг Rвх
где Rбг – параллельное соединение сопротивлений Rб1 = 101 кОм; Rб2 = 15
кОм и Rг = 1,000 кОм:
Rбг 101 15 1, 0
928
Ом;
Ro = 520 Ом – сопротивление для получения ООС (см. исходные данные).
При этом глубина ООС составляет:
F
520 (1 118)
928 455
1
45, 7
2). Определим верхнюю граничную частоту с учетом действия ООС:
fгр(ос) = fгр(без ос) * F = 1,29 * 45,7 = 58,9 МГц.
Заносим это значение в табл. 7-4 для сравнения с экспериментальными данными.
3). Определим значение сквозного коэффициента усиления по напряжению с учетом ООС:
Kеос
Kе
F
16,5
45,7
= - 0,36.
Проверим это значение по формуле:
h21э Rнагр
Rо h21э
h11э (1
)
h11э
Kеос
118 207
520 118
472 (1
)
472
0,39
Заносим это значение Ке = 0.36 в табл. 7-1 для сравнения с экспериментальными данными.
4). Определим значение входного сопротивления Rвх для каскада с
учетом ООС (чистое, без внешних элементов схемы):
R вхос
h11э
(1 h21э) Rо
472
(1 118) 520
62352 Ом
или
R вхос
h11э (1 h21э
Rо
)
h11э
472 (1 118
520
)
472
61832 Ом.
32
С учетом сопротивления Rбг = 928 Ом входное сопротивление составит
61832 928
R вхос
914 Ом.
61832 928
И для генератора Ег нагрузка будет составлять:
Rвхос = Rг + R вхос =1000 + 914 =1914 Ом.
Заносим это значение в табл. 7-6 для сравнения с результатом эксперимента.
5). Определим значение выходного сопротивления Rвых для каскада с
учетом ООС (с учетом внешней нагрузки Rк =510 Ом):
R выхос
1
Rо h21э
1
 Rк
h22э
h11э Rэ
1
Rэ h21э
1
h22э
h11э Rэ
1
0, 07 10
где по исходным данным h22э =
3
1
15ком
1
520 118
472 520
= 0,07 10 3
942,8 103
Ом
1
Ом,
и Rк = 510 Ом.
Таким образом,
R выхос
942,8 103 510
942,8 103 510
509, 7
Ом.
Заносим этот результат в табл. 7-7 для сравнения с экспериментальными данными.
7.4. Экспериментальная часть примера
Задание 1. Результаты экспериментальных исследований и расчетов по
экспериментальным данным по заданию 1 раздела 6 «Исследование влияния
ООС на усилительные свойства усилителя и стабильность сквозного коэффициента усиления напряжения» заносим в табл. 7-1 и табл.7- 2:
Eг, мВ
Табл. 7-1
Без
Параллельная
ПоследоваООС
ООС
тельная ООС
по напряжению
по току
5
5
5
Комбинированная ООС
5
33
Uвх, мВ
1,54
0,123
3,24
1,92
Uвых, мВ
83,8
5,98
1,87
0,8
16,76
1,
0,37
0,16
Ке
Uвых
Eг
Расчетное
значение
Ке
16,5
0,36
Еr
мВ
Табл. 7-2
Еп = + 30 В
без
с ООС
ООС
5
5
Uвых.
мВ
83,8
1,87
7,3
1,5
16,76
0,37
1,46
0,3
Ке=Uвых/Еr
Еп = +6 В
без
с ООС
ООС
5
5
Рассчитываем относительную нестабильность q сквозного коэффициента усиления Ке при отсутствии ООС и при наличии последовательной
ООС по току:
q
Kе
Kе
Ке1 Ке2
Ке1
а) без обратной связи:
q
16, 76 1, 46
16, 76
0,9 ;
б) с обратной связью
qоос
0,37 0,3
0,37
0,189
34
Задание 2. Результаты экспериментального исследования АЧХ усилителя
2.1. АЧХ усилителя без ООС (табл. 7-3):
Частота,
МГц
Uвых
, мВ
К=
Uвых
/Eг
Y=K/
K0
напряжение Ег=5 мВ
… fнгр
…
… fср …
=
=
240
3кГ
Гц
ц
Табл.7-3
… fвгр …
=
2,3
МГ
ц
59.2
59,2
83,8
11,8
16,7
6
11,8
0,707
1
0,70
7
Расчетное значение верхней граничной частоты составляет fвгр = 1,3 МГц
Рис. 7.3. АЧХ каскада без ООС
2.2. АЧХ усилителя с частотно-независимой
ООС по току (табл. 7-4):
последовательной
Напряжение Ег = 5мВ
Час- …fнгр
тота,
=
МГц
180
Гц
… …fср .
=
3к
Гц
…fвг
р=
55
МГ
ц
Табл.7-4
…
35
Uвы
х,
мВ
К=
Uвы
х/Eг
Y=K
/K0
1,32
1,8
7
1,3
2
0,26
0,3
7
0,2
6
0,70
7
1
0,7
07
Расчетное значение верхней граничной частоты составляет fвгр = 58,9 МГц.
Рис. 7.4. АЧХ каскада с частотно-независимой
последовательной ООС по току
2.2.
АЧХ усилителя с частотно-зависимой последовательной ООС
по току (табл. 7-5):
Напряжение Ег = 5мВ
Час- … fнгр
… …fср …
тота,
=
=
МГц
180
3кГ
Гц
ц
Uвых
1,32
1,87
, мВ
К=
0,26
0,37
Uвых
/Eг
Y=K/
0,707
1
K0
Табл.7-5
…fвгр=
145
МГц
…
1,32
0,26
0,707
Частота коррекции АЧХ составляет fкорр = 39,8 МГц
36
Рис. 7.5. АЧХ каскада с частотно-зависимой последовательной ООС по току
(с эмиттерной вч коррекцией)
Задание 3. Исследование влияния ООС на входное сопротивление усилителя (табл. 7-6)
Rвх
Rг
Uвх
Eг Uвх
Uвх, мВ
1,54
3,24
Табл. 7-6
пар. комб.
ООС по
входу
ООС
0,123 1,92
Ег, мВ
5
5
5
5
Rвх, Ом
445
1840
25
623
Расчетное 455
значение
Rвх, Ом
1914
без
посл.
ООС ООС
Задание 4. Исследование влияния ООС на выходное сопротивление усилителя (табл.7-7)
Rвых
Rн (
U * вых
1) ,
Uвых
где U * вых - напряжение на выходе усилителя без нагрузки;
Uвых - напряжение на выходе усилителя с подключенной нагрузкой.
37
без
ООС
ООС по току
Табл.7- 7
комб.
по вых.
ООС
1,5
198,4
4,515
ООС
по
напр.
6,37
Uвых, мВ
83,8
1,87
5,98
0,8
Rвых, Ом
492
509
23,47
315
Расчетное
значение
Rвых, Ом
493
509,7
U * вых
,мВ
8. Рекомендуемая литература
1.―Схемотехника аналоговых электронных устройств»‖. Конспект лекций.
Галочкин В.А. ПГУТИ. Кафедра РРТ. Самара. 2011 г
2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств.- М.: Радио и связь 1997.
3. Методическая разработка к лабораторным работам по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Галочкин В.А. ПГУТИ. Кафедра РРТ. Самара. 2011 г.
9. Требования к оформлению пояснительной записки
Содержание пояснительной записки должно соответствовать
требованиям раздела 4.4 данной методической разработки;
Текст пояснительной записки должен быть набран в текстовом редакторе, файлы должны быть формата *.doc
Текст пояснительной записки должен быть выполнен с применением печатающих и
графических устройств вывода ЭВМ на одной стороне листа белой бумаги формата
А4 (210 × 297 мм). При выполнении текста пояснительной записки необходимо соблюдать равномерную плотность, контрастность и четкость изображения по всему
тексту.
9.2.
Текст должен быть выровнен по ширине. Абзацный отступ стандартный
по всему тексту (1,25 см).
Текст записки рекомендуется печатать, соблюдая следующие размеры полей:
- левое – 30 мм;
- верхнее и нижнее - 20 мм;
- правое - 15 мм;
9.1.
38
Вносить в текст записки отдельные слова, формулы, условные знаки, буквы латинского и греческого алфавита, символы рукописным способом
не допускается. Опечатки, описки, графические неточности, помарки, повреждения листов пояснительной записки не допускаются.
9.4.
Страницы текста пояснительной записки следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему документу. Номер
страницы проставляют внизу в правом углу (кроме титульного листа).
9.5.
Набор текста должен быть произведен в текстовом редакторе.
Тип шрифта: Times New Roman Cyr.
Шрифт основного текста - обычный, размер 12 пт.
Шрифт заголовка структурной единицы "Раздел" - полужирный, размер 14 пт.
Шрифт заголовка структурной единицы "Подраздел" - полужирный, размер 12
пт.
Межсимвольный интервал - обычный. Междустрочный интервал - одинарный.
9.6.
Формулы должны быть оформлены в редакторе формул и вставлены в документ как объект.
9.7.
Подрисуночные надписи выполняются тем же шрифтом размером
12 пт.
9.8.
Рисунки должны быть представлены в формате *.gif или *.jpg.
9.9.
Список рекомендуемой литературы должен быть оформлен с указанием полных библиографических данных.
9.3.
10.
Приложение 1. Данные для построения логарифмической
шкалы при исследовании АЧХ усилителя:
L, мм – выбранный размер интервала (1-10);
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
1-8
1-9
110
L*0,3 L*0,47 L*0,6 L*0,7 L*0,78 L*0,85 L*0,9 L*0,95 L
39
11. Приложение 2. Форма титульного листа
Федеральное агентство связи
Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики
_______________________________________________________
Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения
Срок сдачи на проверку «___»_____20 г
Сдан на проверку________«___»_____20 г.
Допустить к защите_____ «___»_____20 г.
Курсовой проект по дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств
_______________________________________________________
наименование темы курсового проекта
Пояснительная записка на ______листах
Студент_________
группа__________
_______ «___»___20
Оценка
__________
Руководитель ___________
Члены комиссии _________
«___»______20 г
Самара 20 _г
40
Курсовой проект «Усилитель аудисигналов»
1. Постановка задачи по выполнению курсового проекта «Усилитель аудисигналов»
1.1. Изучить по указанной в разделе 5 литературе:
- виды и принцип действия усилителей звуковой частоты, построенных
на современной элементной базе;
- схемотехнику применения операционных усилителей и мощных транзисторов в выходных каскадах усилителей:
1.2. Требуется рассчитать:
- коэффициент усиления тракта;
- режимы работы каскадов предварительного усиления и их элементную базу;
- регулятор усиления;
- режим работы оконечного каскада и его элементную базу;
- коэффициента полезного действия;
- АЧХ усилителя.
2. Краткие теоретические сведения
современных усилительных устройств
и основам их расчетов.
по
схемотехнике
построения
2.1. Принцип электронного усиления
Рассмотрим исходное положение при отсутствии сигнала на входе транзистора Uвх 0 (рис.2-1). При этом напряжение на базе равно напряжению
смещения Eсм , а на коллекторе в рабочей точке (по постоянному току)
Uк( рт)
Eпит Rк Iк ( рт)
При подаче на вход переменного напряжения
Uвх Umвх sin t
в первый полупериод входное напряжение на базе будет дополнительно открывать транзистор, а во второй полупериод – закрывать.
41
Рис. 2-1
В результате ток коллектора будет изменяться:
iк Iк( рт) Im к Sin
t
Переменное напряжение на коллекторе:
Uкэ Uк( рт) Umк Sin
t,
где Umк Im к Rк - амплитуда его переменной составляющей.
При достаточно большом RК амплитуда Umк > Umвх , т.е. каскад усиливает
по напряжению. Процесс управления током iк транзистора может быть
рассмотрен как результат изменения его внутреннего сопротивления Ri , в
результате чего происходит непрерывное перераспределение напряжения
источника питания между транзистором и нагрузкой, а управление Ri осуществляется за счѐт изменения Uвх .
2.2 Режимы работы усилительных элементов
Режим А (рис.2-2) характеризуется тем, что рабочая точка А выбирается на
линейном участке характеристики при сравнительно большом токе.
Рис. 2-2
Ток коллектора не прерывается в течение всего периода входного колебания. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения.
42
Данный режим применяется только в каскадах предварительного усиления
из-за низкого коэффициента полезного действия. Половина длительности импульса выходного сигнала, выраженная в радианах (или градусах) текущей
фазы, называется углом отсечки Θ. Для данного режима Θ = 1800.
Режим В. Рабочая точка совмещается с началом входной характеристики
(точка 0, рис.2-3).
Рис.2-3
В отсутствии сигнала Iк 0 , что делает режим покоя экономичным. Ток Iк
протекает в течение положительной половины каждого периода входного
сигнала. Вторая полуволна не пропускается данным транзистором. Для ее
усиления ставится другой транзистор - получается двухтактный усилитель.
Для данного режима Θ = 900.
В режиме В получается высокий КПД.
Однако из-за кривизны начального участка появляются искажения выходного тока. Из-за прерывистости тока возникают дополнительные искажения,
обусловленные переходными процессами.
Режим АВ. Рабочая точка А1 устанавливается примерно по середине криволинейного участка входной характеристики (рис. 2-3).
Рис. 2-3
43
В результате импульсы выходного тока оказываются шире половины периода и угол отсечки Θ > 90˚ . Этот режим - основной для двухтактных
каскадов. Здесь потребляется некоторый ток покоя, но КПД несколько ниже, чем в режиме В. Преимущество - лучшая линейность (меньше искажений).
Режим С. Рабочая точка А1 (рис. 2-4) находится в области запирания; Θ <
90˚.
Рис.2-4
Этот режим применяется в основном в радиопередающих устройствах и
специальных усилителях с повышенным КПД.
2.3. Динамические и нагрузочные характеристики
Динамическая характеристика – связь между мгновенными значениями тока и напряжения при наличии нагрузки RН.
По ней выбирают рабочую точку, определяют выходную мощность Р ВЫХ,
КПД, нелинейные искажения.
Рис.2-5
Для схемы (рис.2-5) постоянное напряжение на коллекторе U K E ПИТ iK RK это формула нагрузочной характеристики или линии нагрузки для постоянного тока.
Линия нагрузки по постоянному току представлена на
рис.2-6 – это линия ВС, с точками ЕПИТ /RК и ЕПИТ по осям координат. Угол
наклона еѐ υ = arctg RК. Однако проще строить еѐ по указанным точкам B и
C.
44
Рис.2-6
Задавая смещение, устанавливают рабочую точку А на прямой ВС. Еѐ координаты: I К (Р.Т.) и U К (Р.Т.) = ЕПИТ – RК IК(Р.Т.) .
Для переменной составляющей линия нагрузки будет другой (рис.2-7).
Так как
сопротивление разделительного конденсатора СР. выбирается
X Ср 1
0 , то для переменной составляющей коллекторного тока соСр
противления RК и RН соединены параллельно и составляют RНТ.= RК || RН
транз.
Рис.2-7
При мгновенном изменении ΔiК напряжение на коллекторе уменьшится на
величину
U КЭ
i K R Н ТРАНЗ .
- это уравнение нагрузки для переменного тока.
Угол еѐ наклона:
~
arctg (
U КЭ
iK
) arctg R Н ТРАНЗ .
45
С помощью линий нагрузок определяют рабочую точку,
ikmax , Ukmax и т.д. Если RН чисто активное, то при синусоидальной форме
входного напряжения и тока iК напряжение UКЭ изменяется тоже синусоидально (кривая I), а линия нагрузки – прямая В'C'.
В случае резистивно-ѐмкостной нагрузки фаза напряжения UКЭ отстаѐт по
фазе (кривая II), тогда рабочая точка движется против часовой стрелки по
эллипсу (точки 1,2,3,4 …).
При индуктивно-резистивной нагрузке фазовый сдвиг UКЭ опережает, и рабочая точка будет двигаться (1,2,3…) по часовой стрелке по эллипсу.
При резистивной нагрузке эллипс выражается в прямую В'C'
2.4. Резисторный апериодический предварительный усилитель напряжения
Предварительный усилитель (ПУ) предназначен для усиления сигналов до
уровня, достаточного для управления оконечным или предоконечным каскадом. В ПУ уровни сигналов малы, и параметры транзисторов можно считать постоянными, а нелинейные искажения очень малыми.
Принципиальные (полные) схемы приведены на рис.2-8: а) - схема с общим
эмиттером и б) – схема с общей базой.
По постоянному току – схемы одинаковы: они построены по схеме с эмиттерной стабилизацией. По переменному току в первой схеме эмиттер «закорочен» конденсатором С3, а входное напряжение подаѐтся на базу через
конденсатор С1. Во второй схеме блокировочный конденсатор С3 «закорачивает» на землю базу, а входное напряжение подаѐтся через к онденсатор
С1 на R3 в цепь эмиттера.
Выходное напряжение снимается через конденсатор С2. Каскад с ОЭ – инвертирующий Каскад с ОБ – не даѐт усиления по току.
а)
б)
Рис.2-8
46
2.4.1. АЧХ резисторного
Начальные условия
каскада
на
биполярном
транзисторе.
Для упрощения:
1) не принимаем во внимание блокировочный конденсатор С3:
1
X c3
С 0
3
(и R3 – закорочен);
2) нагрузка - только RНСН ; (включая ѐмкость монтажа).
Тогда упрощенная схема будет иметь вид (рис.2-9):
Рис.2-9
2.4.2. Область верхних частот:
Заменим транзистор эквивалентным двухполюсником (рис.2-9):
Здесь:
RНТ =RК || RН;
X Cр
1
Ср
0,
X С3
1
С 0
3
Рис.2-9
Обозначим:
RН ЭКВ.
Ri || RН Т
СН ЭКВ. СН С22
С22
выходная ѐмкость транзистора
47
С
С
С
С
22
22 R
22 R
(1 К )
0
К
Г
0
С
(1 S r )
К
С
Г
К
(1
)
Тогда
z
R
Н .ЭКВ.
1
Н .ЭКВ.
j
Н .ЭКВ.
,
где τН.ЭКВ. = RН.ЭКВ.СН.ЭКВ. – постоянная времени цепи нагрузки генератора на
эквивалентной схеме.
Кроме того, учтѐм крутизну транзистора:
S
S
1
0
j
,
S
где S0 – н.ч. значение крутизны, τS - постоянная времени крутизны.
Тогда нормированный комплексный коэффициент передачи на ВЧ:
yв
Кв
К
0
(1
j
S
1
) (1
j
н экв. )
где К0 = S0RЭКВ. – это коэффициент усиления на средних частотах.
Учитывая, что
ω2 τS τН.ЭКВ.<< 1 ,
получаем
1
yв
1
j
,
в
где τВ = τS + τН.ЭКВ. - постоянная времени каскада на ВЧ.
Модуль нормированного коэффициента передачи
yв
Кв
К
0
1
1
2
2
в
Спад характеристики (рис.2-10) обусловлен уменьшением крутизны S и сопротивления zН.ЭКВ. из-за наличия С.
48
Рис.2-10
При уровне отсчѐта d на граничной частоте ωВ (yВ = d на ω = ωВ)
1
в
в
В частности при d = 1/√2= 0.707
в
1
2
d
1
1 .
в
При RН.Т. → 0, то в τВ = τН S + τН.ЭКВ. в нуль обращается только τН.ЭКВ. и ωВ
увеличивается до величины
1
S
(
S
S
- частота, на которой S=0,707S0)
2.4.3. Область низких частот.
Упрощенная схема остаѐтся прежней.
Однако сопротивлением разделительного конденсатора нельзя пренебрегать,
так как оно сильно влияет на частотную характеристику.
Поэтому эквивалентная схема для НЧ (рис.2-11):
Рис. 2-11
Ёмкости С22 и СН не учитываются ввиду малости влияния их сопротивлений (они, сопротивления) очень велики и слабо шунтируют нагрузку). Крутизна транзистора на НЧ не является комплексной и равна S0. Так как СР
и RН последовательны, то можно представить эквивалентную схему (левая
часть тоже последовательна – рис.2-12).
49
Рис. 2-12
где RiК = Ri || RК; EК = S0 UВХ RiК.
Тогда комплексный коэффициент передачи на НЧ:
К
U ВЫХ
U ВХ
КН
1
1
0
,
j
Н
где К0 = S0(RiК|| RН) = S0RН.ЭКВ. – коэффициент усиления в области средних
частот, τН. = С0(RiК +RН) - постоянная времени каскада на НЧ.
Нормированная АЧХ или модуль относительного усиления:
КН
К
0
yН
1
1
2 2
1
Н
Рис.2-13
Спад характеристики в области НЧ (рис.2-13) обусловлен влиянием емкости СР. В пределе (ω → 0, КН = 0, yН = 0).
Если yН = d, то
Н
Н
1
.
1
1
d2
В частности при d = 0,707
1
Н
.
Н
Тогда требуемое значение
50
1
Ср
Н
где М Н
1
yН
1
d
(R
ik
RН )
М Н2
1
- коэффициент частотных искажений на частоте ωН..
Выражение для АЧХ во всей полосе - y = yН yВ
(рис.2-14):
Рис.2-14
2.5. Анализ и схемотехника выходных мощных каскадов усиления
Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель
при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную
мощность.
В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в
том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы,
содержащие ту или иную информацию о входных. В качестве примера можно назвать
устройства, определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором
помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе. Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на
себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.
На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является.
Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного
действия усилителя мощности. Другой важной проблемой является уменьше51
ние габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.
Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда
амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики.
При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают
нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.
Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик
транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально
возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса
А, а максимально возможный КПД — в режиме классов В или АВ /1/.
Основная особенность работы выходных каскадов — высокий уровень сигналов, что накладывает на них ряд специфических требований.
2.5.1. Требования к оконечным усилительным каскадам
Назначение выходного каскада — обеспечить:
1)при заданном значении сопротивления нагрузки требуемый уровень сигнала. Если нагрузка активна, то необходимо обеспечить требуемую РВЫХ; если
нагрузка содержит реактивность, то необходимо обеспечить требуемое значение напряжения UВЫХ.
2)требуемый уровень сигнала на выходе должен обеспечиваться при допустимых линейных и нелинейных искажениях.
Кроме того:
3)необходимо обеспечить минимум потребления от ИП или
4)максимум КПД.
При этом
5)необходимо обеспечить минимум потери на УЭ и, соответственно,
6)обеспечить требуемый температурный режим УЭ.
Обычно в оконечных каскадах применяются мощные УЭ. При этом необходимо
7)максимально использовать УЭ (по мощности, по току - для минимизации
потерь на нем). Рекомендуется выбирать менее мощный с максимумом его использования по допустимым параметрам.
52
2.5.2. Схемы выходных каскадов
Существуют следующие виды практических схем усилителей:
1)Простая схема;
2)Двухтактная схема;
3)Трансформаторная схема;
4)Дроссельная схема.
Как было рассмотрено в лекции 6, в зависимости от типа схемы выходного каскада используются один из вариантов схем включения УЭ.
Транзисторы в трансформаторных схемах мощного усиления обычно включают по схеме с ОЭ или ОБ.
При включении по схеме с ОЭ получают максимум усиления по мощности;
при этом требуется минимум мощности от предоконечного каскада, что удешевляет схему.
При включении по схеме с ОБ получают минимум коэффициента гармоник и
хорошую стабильность каскада при изменении температуры, нестабильности
источника питания, старении. Но при этом велик входной ток, приходится
«умощнять» предоконечный каскад.
Включение по схеме с ОК в трансформаторных схемах применяют редко — не
имеет преимуществ по сравнению с ОБ.
Достоинство простой схемы непосредственного включения нагрузки RН — ее
простота, отсутствие дополнительных деталей, потерь мощности в выходном
устройстве, широкая полоса частот.
Недостатки — протекание постоянной составляющей тока через нагрузку; высокий потенциал ЕП на RН; невысокий КПД ≤ 20% для транзисторных усилителей (≤ 12% для тетродов; ≤ 7% для триодов ламповых). Схема редко используется в выходных каскадах. Простая схема выходного каскада с RC-цепью
(рис.2-15):
Рис.2-15
Ток питания не проходит через сопротивление нагрузки RН. Нагрузка соединена с землей одним концом, что часто удобно. Достоинство схемы – ее простота.
Недостатки — низкий КПД ≤ 5÷6% для транзисторных; ≤ 2÷3% для ламповых
каскадов. Применяют при уровне (10÷100) милливатт выходной мощности
Трансформаторные (дроссельные) выходные каскады (рис.2-16) имеют более
высокий КПД.
53
Рис.2-16
Ток питания не течет через нагрузку. Максимальный КПД в два раза выше, чем
у резисторного каскада с непосредственным включением и приблизительно в 6
раз больше, чем у каскада с RC-цепью. Однако полоса усиливаемых частот у
дроссельного каскад меньше, чем у резисторного. У трансформаторного —
еще меньше. А стоимость и габариты — больше. Трансформаторные каскады
могут работать практически на любое, достаточно низкое сопротивление RН.
Особенности анализа: способ расчета зависит от схемы каскада, типа УЭ, его
режима; выбора ЕП, RН, RВХ, UВХ и т. д.; при расчете необходим учет заданного
коэффициента нелинейных искажений.
2.5.3. Трансформаторный каскад мощного усиления в режиме А
2.5.3.1. Общие соотношения
Мощность полезного сигнала Р~,, которую должен отдать УЭ, должна быть
больше выделяемой мощности в нагрузке РН, так как часть мощности теряется в
выходном трансформаторе:
PН
Р~
,
ТР
где для расчетов ηТР определяется из табл.2-1:
Табл.2-1
к.п.д. η трансформатора
тип трансформа- в стационар- в портативтора
ных устрой- ных устройствах
ствах
Входные (до1Вт) 0,7 ÷ 0,8
0,6 ÷ 0,75
- межкаскадные,
выходные малой
мощности
0,75 ÷ 0,85
0,7 ÷ 0,8
Многокаскадные
и выходные до
10 Вт
0,84 ÷ 0,93
0,92 ÷ 0,96
Выходные
0,95 ÷ 0,98
0,75 ÷ 0,85
0,85 ÷ 0,9
—
54
от 10 до 100 Вт
≥ 0,97
от 100 Вт до 1
кВт
от 1 до 10 кВт
выше 10 кВт
—
Так как точка покоя в режиме А находится на середине прямолинейной части
нагрузочной прямой, то форма выходного тока и напряжения при синусоидальном входном сигнале близка к синусоиде (рис.10-3).
При этом (для идеального трансформатора его сопротивление по постоянному
току R= = 0), напряжение покоя U0 равно напряжению питания Е0. Для этого
случая максимальная отдаваемая мощность УЭ:
Р~ max = 0,5 Uвых m ∙Iвых m = 0,5∙ξ ∙ψ ∙U0∙ I0
где
U в ыхm — коэффициент использования напряжения питания;
U0
I в ыхm — коэффициент использования
I0
тока покоя.
Рис.2-17
1 — нагрузочная прямая постоянного тока для R= = 0;
2 — нагрузочная прямая переменного тока для переменного тока R~.
При этом среднее значение выходного тока УЭ равно току покоя УЭ:
IСР ≈ I0.
Сопротивление нагрузки по переменному току (при синусоидальном входном
сигнале):
R~ = Uвых m / Iвых m = ξ ∙ U0 / ψ ∙ I0
55
Потребляемая выходной цепью мощность (от источника питания):
P0 = IСР ∙ Е ≡ I0 ∙ U0
(при потерях на Rакт обмотки трансформатора = 0).
Максимальное КПД трансформаторного каскада в режиме А:
ηА max = Р~ max / P0 =
и при ψ ∙ ξ
1
0,5
U0 I0
U0 I0
ηА max
0,5
,
50%.
Как видно из рис. 2-17 - при синусоидальном сигнале Umax ≈ в 2 раза больше
напряжения источника питания. Это объясняется тем, что при убывании тока
Umax складывается из U0 и противоэдс индуктивности L1 обмотки трансформатора, стремящейся поддержать убывающий ток.
При импульсных сигналах с крутыми фронтами может быть
Umax ≈(5 ÷ 10) Е.
Поэтому для трансформаторных каскадов, особенно транзисторных, берут U0 ≈
(0,3 ÷ 0,4) UДОП транзистора.
Мощность, выделяемая на электродах УЭ:
Р = Р0 - Р~.
Для режима А при отсутствии сигнала (Р~ = 0) выделяемая на УЭ мощность
максимальна Р = Р0 . Поэтому выбирают:
Р0 = U0 ∙ I0 ≤ Рmax (справочное),
I0 ≤ Рmax / U0 (справочное).
Радиатор рассчитывают по Р0 .
2.5.3.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного
усиления в режиме А
1.
2.
Выбор схемы и выбор способа включения УЭ.
Определяют отдаваемую транзистором мощность
Р~ = РН / ηТР-Р .
Выбирают транзистор с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе
транзистора РК max ≥ 3 Р~ .
3.
56
Напряжения U0 и ток I0 определяются по допустимой РК max (желательно, чтобы они были максимальны, так как при этом обеспечивается минимум нелинейных искажений). Для схемы с ОЭ при этом минимальна входная мощность
РВХ. Выбирается
U0 ≈ (0,3 ÷ 0,4) Uдоп. max (справочное).
4.
Определяют
R~ =
5.
U0
I0
Минимально допустимый ток покоя:
I0
6.
U в2ыхm
2P~
U в ыхm
I в ыхm
1
2P~
U 0 U ост
2P~
1 0.95 U 0 U ост
Коэффициент трансформации определяют:
RH
n
ТР Р
,
R~
где
RH
1
3
B
1
C0
,
20 f B C0
а fв — верхняя рабочая частота каскада,
С0 = СН + СМ + СТР-Р .
(СТР-Р — собственная емкость трансформатора, СМ — емкость монтажа);
СТР-Р =15÷40 пФ для маломощных трансформаторов,
СТР-Р =40÷150 пФ для трансформаторов средней мощности (расчету не поддается; или измеряется, или определяется из таблиц — справочное);
СМ ≈10 ÷ 30 пФ.
Верхняя точка нагрузочной прямой — на верхнем изгибе характеристики;
нижняя точка — на уровне (0.01÷0.05)I0 .
По характеристикам уточняют отдаваемую Р~ :
7.
Р~ = 0.125(IВЫХ max - IВЫХ min)2 R~ = 0.125(2UВЫХ max ∙ 2IВЫХ min).
По входной характеристике определяют напряжение сме- щения U0
амплитуду входного сигнала
8.
ВХ
и
57
2Um ВХ = UВХ max - UВХ min.
9.
Необходимая амплитуда входного тока:
I ВХm
I ВЫХm
h21Э min
— для схемы с ОЭ.
Ток покоя:
I0 ВХ = (1.02 ÷1.05) IВХ m .
(если схема с ОБ, то необходим использовать соответствующие параметры
h21Б min , h21Э, h21Б).
10.
Определяют:
РВХ ~ = 0.125(2 IВХ m ∙2UВХ m).
RВХ транз = 2UВХ m /2 IВХ m ;
Коэффициент усиления по мощности
Км
11.
12.
13.
14.
15.
РН .
РВХ ~
Определяют методом 5 ординат коэффициент гармоник/1/.
Определяют параметры стабилизации .рабочей точки.
Мощность, рассеиваемая на УЭ: Р0 = I0 ∙U0
Рассчитывают параметры радиатора.
Необходимое напряжение источника питания:
где
Е= U0 + I0 ∙r1 + I0ЭRЭ,
I0Э = I0К + I0Б,
r1 — активное сопротивление обмотки трансформатора.
Выполняется электрический расчет трансформатора, включая расчет
тотной характеристики трансформатора.
17. Выполняется расчет блокировочных элементов.
16.
час-
2.5.3.3. Особенности расчета двухтактного каскада мощного усиления
в режиме А
Особенности двухтактного каскада мощного усиления:
58
1. Компенсация четных гармоник позволяет применять режим В, как более
экономичный; применение режима В зволяет лучше использовать УЭ, получая
большую мощность при том же уровне КГ;
2. Компенсация помех и фона, поступающих от синфазных источников;
3. Больший динамический диапазон;
4. Компенсация постоянного подмагничивания сердечника выходного
трансформатора, следовательно, меньше габариты, масса и стоимость трансформатора;
5. Компенсация синфазных наводок сигнала в ИП, что обеспечивает уменьшение паразитных межкаскадных связей через ИП, проще в изготовлении сетевые фильтры и фильтры ИП.
Двухтактный каскад — это каскад, содержащий два генератора, работающих на
общую нагрузку (рис.2-18):
- схема с ОЭ и предыдущим резисторным каскадом (рис.2-18а);
- схема с ОБ и предыдущим трансформаторным каскадом (рис. 2-18б).
Расчет ведут на одно плечо, на половину заданной мощности (как для однотактного каскада). При этом необходимо учитывать следующие особенности:
Рис.2-18 а)
Рис. 2-18 б)
59
1)Мощность, которую должен отдать усилительный элемент:
РН
Р~ =
2
.
ТР РА
2)Сопротивление нагрузки R~ определяют как в предыдущем случае.
В идеальном случае (полная симметрия) четные гармоники отсутствуют.
В реальности — учитывается коэффициент асимметрии, который зависит от
способа включения транзистора, от соотношения
в = RВХ / RГЕН.
Для схемы с ОБ и RiГ >>RВХ обычно ―в‖ ≤ 0,05; при RiГ ≈ RВХ ―в‖ ≈0,15÷0,25.
Для схем с ОЭ транзисторы в плечах подбирают по h21Э . При отношении h′21Э /
h′′21Э (для плеч каскада) = 1,2 обычно ―в‖ ≈ 0,1.
При этом коэффициент гармоник, рассчитываемый по методу 5 ординат, составляет:
КГ
в I 2m
2
I 32m
I 1m
в I 4m
2
.
где I1m , I2m , … , I4m — амплитуды соответствующих гармоник, ―в‖— коэффициент асимметрии.
3) Два плеча не только отдают удвоенную мощность, но и потребляют удвоенные ток и мощность.
4) Электрический расчет выходного трансформатора в режиме А ведут также, но нужна замена:
R~ на 2R~ ; Ri на 2Ri ; RКБ на 2RКБ .
5)Напряжение источника питания определяют, заменяя
r1 на r1ПЛЕЧА = 0,5∙r1 .
6)Эмиттерная стабилизация происходит или с индивидуальными делителями
подачи смещения, или с общим делителем (при входном трансформаторе). Для
уменьшения разбалансировки плеч или при нагреве транзисторов в эмиттеры
плеч нередко ставят резисторы (пунктир на схемах) величиной
(0,1 ÷ 1)RЭО , включенного в общий провод. Для выравнивания плеч иногда
один из резисторов делителя делают регулируемым.
60
2.5.3.4. Трансформаторный каскад в режиме В
В режиме В плечи двухтактного каскада работают поочередно, каждое — в течение полупериода сигнала, когда ток в выходной цепи одного УЭ достигает
максимума, другой УЭ в этот момент заперт, и наоборот. Полпериода в режиме
В плечо как бы отключено. Поэтому расчет каскада ведется для половины периода по семействам характеристик УЭ одного плеча, получая при этом данные по всему каскаду за весь период сигнала.
Из рисунка 2-19 видно, что в режиме В УЭ полностью используется при сопротивлении нагрузки выходной цепи плеча по переменному току:
R~ плеча
где
=
U в ыхм
I м ах
U0 ,
I м ах
U в ыхm — коэффициент использования напряжения
U0
питания.
Рис.2-19
Мощность, отдаваемая одним плечом за полупериод, и соответственно, всем
каскадом за период:
Р~ max = 0.5I2max R~ п = 0.5 I′max ∙UВЫХ m
Среднее значение тока выходной цепи одного плеча в режиме В при максимальном сигнале:
I ср
1
I max
0.318 I max ,
а среднее значение потребляемого каскадом тока
61
I ср
2
I max .
2
I max U 0 ;
Потребляемая мощность:
Р0
КПД
max
P~ max
P0
4
0.785
,
что примерно в 1,5 раза выше, чем в режиме А.
Выделяемая (рассеиваемая) на электродах УЭ мощность
(рис.2-20):
Р = 0.5(Р0 - Р~) = 0,318 I′2max ∙ U0 – 0,25I′2max R~ плеча.
Рис.2-20
1-я составляющая выражения для Р — 1я степень амплитуды UВХ; 2-я составляющая — 2я степень (см. рис.2-20).
Таким образом (из рис.2-20), РРАССЕИВ равна максимуму при определенном
значении UВХ, а не при UВХ = 0.
РРАС max = 0.101 U02 / R~ плеча ,
при ξ = 0.637.
а значение ξ зависит от схемы включения УЭ и типа УЭ.
У транзисторов и экранированных ламп обычно при UВХ max
ξ >0,637.
Поэтому расчет радиаторов производят по формуле:
62
РРАСС max = 0.101 U02 / R~ плеча (т. е. для ξ = 0.637).
Если каскад работает при ξ <0.637 при UВХ max , то расчет ведут по РРАСС.
Внимание! В режиме А, если нагрузка RН не активна, ее уменьшение до 0 (короткого замыкания) не приводит к увеличению РРАСС по сравнению с режимом
покоя.
В режиме В — все выше приведенные соотношения справедливы только при
активной RН.
Если нагрузка имеет комплексный характер, или RН = 0, то мощность, рассеиваемая на электродах, равна потребляемой мощности от источника, что может
привести к перегреву УЭ. Поэтому применяют специальные схемы защиты от
перегрева
Эмиттерную стабилизацию в транзисторных каскадах, работающих в режиме В,
использовать нельзя. Смещение необходимо подавать от низкоомного делителя.
Расчет коэффициента гармоник КГ производят по методу 5 ординат /17/, определяя:
I max = (1+ в) ∙ I′max ;
I1 = (1+ в) ∙ I′1 ; I0 = 2в∙ I′0 ;
I2 = -(1- в) ∙ I′1 ; Imin = -(1- в) ∙ I′max .
Расход энергии в режиме В значительно ниже, чем в режиме А, так как в режиме молчания практически нет потребления.
2.5.3.5. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления
Включение RН непосредственно в выходную цепь УЭ без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые трансформатором частотные, фазовые и
нелинейные искажения. Но при этом в обычных однотактных схемах непосредственное включение RН не оправдано из-за протекания тока I0 через RН — падает КПД, растет мощность, рассеиваемая на электродах УЭ. Указанные недостатки отсутствуют в схемах бестрансформаторных двухтактных каскадов.
2.5.3.6. Двухтактный бестрансформаторный каскад с параллельным
(несимметричным) выходом.
На рис.2-21 а) представлена схема с двумя ИП (или одним, со средней точкой).
На рис.2-21 б) представлена схема с с одним ИП и разделительным конденсатором (на обоих рис.2-21 не показаны цепи смещения, стабилизации).
Каскады рис.2-21 а) и рис.2-21 б) требуют подачи на вход двух равных напряжений сигнала противоположных полярностей (от инверсного каскада).
63
Рис.2-21 а)
При одинаковых УЭ в плечах по схеме рис.2-21 а) постоянная составляющая,
протекающая через RН I0 = 0 (Iср1 и Iср2 взаимно уничтожатся). Переменная составляющая I~ 1 и I~ 2 проходят через RН и суммируются.
Рис.2-21 б)
В схемах рис.2-21 а) и рис.2-21 б) УЭ по постоянному току включены последовательно; по отношению к RН УЭ включены параллельно.
Напряжение Е и режим УЭ выбирают таким образом, чтобы заданное RН обеспечивало полное использование транзисторов как по току, так и по напряжению.
Если в схеме рис.2-21 а) подавать сигнал UВХ2 в т. А и Б, а второй сигнал между
т. А и Г (UВХ3) от предоконечного каскада с разделенной нагрузкой, то Т2 будет
работать по схеме с ОЭ и давать большое усиление по току и напряжению.
Верхний Т1 будет включен по схеме с ОК, так между его эмиттером и общим
проводом включено все выходное напряжение UВЫХ . Поэтому для симметричной работы необходимо подавать UВХ3 = UВХ + UВЫХ >> UВХ2.
При трансформаторном предоконечном каскаде и равенстве UВХ1 и UВХ2 — оба
транзистора будут работать по схеме с ОЭ с одинаковыми режимами и давать
одинаковое усиление.
64
Схемы рис.2-21 а) и рис.2-21 б) можно упростить, используя транзисторы разной проводимости (рис.2-22):
- рис.2-22 а) с двумя источниками питания;
- рис.2-22б) с одним источником питания.
Предоконечный каскад может быть неинверсным: при подаче одного напряжения на входы Т1 и Т2 один транзистор будет открываться, другой — закрываться. Схема работает как двухтактная.
Рис.2-22 а)
Рис.2-22 б)
Здесь также по постоянному току Т1 и Т2 включены последовательно, а по переменному току — параллельно RН.
Это «каскады с несимметричным входом и выходом» или «двухтактные каскады с дополнительной симметрией».
Каскады рис. 2-21 и рис.2-22 могут работать как в режиме А, так и в режиме В.
В режиме А ηmax =50%, в режиме В ηmax =78,6%. Реально - к.п.д. выше, чем у
трансформаторных, т. к. нет потерь в трансформаторах.
На схемах рис.2-22 если подавать UВХ в т. А и В от обычного резисторного предыдущего каскада, то оба транзистора работают по схеме с ОК, вследствие чего
UВХ должно быть UВХ > UВЫХ.
Но, если подавать UВХ в т. Б или В (от трансформаторного предыдущего каскада), то оба транзистора будут работать по схеме с ОЭ и давать одинаковое
усиление.
65
Это были двухтактные каскады с параллельным управлением. Для них
необходимо подбирать пары p-n-p и n-p-n транзисторов или иметь инверсный
предоконечный каскад. Свободен от этих недостатков двухтактный каскад с
последовательным управлением.
2.5.3.7. Двухтактный каскад с последовательным
управлением
Рис.2-23
В этой схеме (рис.2-23) все транзисторы одного типа - n-p-n. Транзистор Т1 —
ведущее плечо; транзисторы Т2 ÷Т3 представляют собой составной транзистор, ведомое плечо.
Т1 — включен по схеме с ОЭ и работает в режиме В через Д на нагрузку RН (с
малыми токами). В 1-й полупериод открыты Т1 и диод Д. В это время составной транзистор Т2-Т3 заперт напряжением на диоде (он работает в режиме В с
малыми токами).
Во время 2-го полупериода Т1 и диод Д заперты; напряжение на диоде открывает Т2 и Т3, которые работают на RН. Пунктиром показан резистор — R, который ставится для улучшения свойств Т2 и Т3.
На схеме не показаны цепи смещения и стабилизации. Для улучшения линейности в схему вводят глубокую ООС.
2.5.3.8. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов.
Особенность расчета:
при заданном сопротивлении нагрузки RН и заданной мощности РН для получения максимального значения ηmax значение Е должно быть строго определенным.
Для бестрансформаторных двухтактных каскадов (рис.2-21,2-22) при работе в
режиме А сопротивлением нагрузки плеча является удвоенное 2RН, так как в
режиме А оба плеча работают последовательно. Нагрузочную прямую строят
(рис.2-24) для R~ = 2RН.
66
Рис.2-24
При этом напряжение питания выбирается:
Е
2 2 RH PH
U OCT
,
Напряжение U0 в рабочей точке
U0
U ВЫХm U OCT
0.5E ,
Ток I0 в рабочей точке и максимальное значение Iмах:
I0
PH
2 RH
I min ,
I max
2 PH RH
I min .
Если задано Е, то для достижения максимального КПД значение Rн определяется:
RН = (0,5Е – UОСТ)2/ 2РН.
Для схем рис.2-21, рис.2-22 в режиме В сопротивление нагрузки R~ плеча
равно RН, т. к. плечи работают на нагрузку поочередно, необходимое значение
Е для обеспечения ηmax при заданном RН, или необходимое RН при заданном Е
определяются (рис.2-25):
67
Рис.2-25
Е
2 2 RH PH
U0
U OCT ,
RH
U ВЫХm U OCT
I max
0.5E U OCT
2 PH
2
,
0.5E ,
2 PH .
RH
Обычно берут I′0 = (0,04÷0,07) I′max ∙
Значения Imax ∙и I′max не должны превышать допустимых паспортных значений.
Напряжение Е не должно превышать (0,8÷0,9) UКЭ max . Остальные расчеты —
выполняются как для трансформаторных каскадов.
2.6. Схемотехника
усилителей
аналоговых
устройств на
основе операционных
Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются
в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных
усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.
Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит
понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе
допущений, имеют вполне приемлемую погрешность /1/.
Примем следующие допущения:
1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности,
токи входных электродов равны нулю. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения.
3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности.
4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению
питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Синфазный
сигнал не действует на операционный усилитель.
5. Напряжение смещения нуля равно нулю.
68
2.6.1. Инвертирующий усилитель
Так как ОУ имеет большой коэффициент усиления КУС, то даже малое
входное напряжение UВХ. ДИФФ. из-за асимметрии или из-за нестабильности
способно перегрузить ОУ, вызвать смещение или сдвиг постоянного напряжения на выходе Uвых. от 0 до Uмах, что может привести к режиму насыщения и к потере способности усиления. Вследствие этого в ОУ всегда применяется ООС, которая обеспечивает хорошую стабильность показателей.
Одна из базовых схем ОУ - схема инвертирующего усилителя с внешней
ОС (рис. 2-27). На основе этой схемы строятся все остальные.
Рис. 2-27
На схеме не показаны цепи питания и другие дополнительные цепи. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Выходной сигнал UВЫХ
находится в противофазе с входным UВХ.
R1 - внутреннее сопротивление генератора ЕГ (RГ). Неинвертирующий вход
соединен через R2 с корпусом. Через RОС подается параллельная ООС по
напряжению.
Предположим, что ОУ - идеальный: ∆UВХ. Д. = 0, КД = ∞,
RВХ.Д. = , RВЫХ = 0, IВХ.Д. = 0. Так как UВХ. Д. = 0, то все напряжение от ЕГ
падает на R1; а UВЫХ - на RОС; таким образом точка А - это «точка виртуального нуля», «кажущийся нуль»
Тогда
ЕГ
U ВЫХ
IГ = IОС; или
,
R1
RОС
или коэффициент усиления инвертирующего усилителя (с ООС!) по напряжению:
КU ИНВ.
U ВЫХ
RОС
ЕГ
R1
,
69
(что соответствует выражению для усилителя с параллельной ООС по напряжению в общем виде), т.е. КU ИНВ зависит только от Rос и R1 и не зависит от самого ОУ.
Для реального ОУ необходим учѐт входного тока IВХ ОУ, т.е. если IГ =
IОС + IВХ, то
КU ИНВ.
1
1
КU ОУ
RОС R1
R
RОС
(1 ОС
)
R1 RВХ ОУ
где КU ОУ - коэффициент усиления ОУ без ООС;
Т.е. чем больше RВХ. ОУ и КU ОУ, тем больше приближение к «идеальному»
соотношению
RОС
КU ИНВ
R!
.
Например, если КU ОУ = 105 ; RВХ. ОУ = 10 кОм; RОС = 100 кОм; R1=1 кОм; погрешность составляет < 0.1 %.
Номиналы резисторов не должны превышать единицы МОм, иначе проявляется нестабильность из-за утечек в корпусе и т.д. Но расчѐтное значение RОС часто требуется более
1 МОм. Для его снижения применяют схему (рис2-28):
Рис. 2-28
Для этой схемы
RОС ЭКВ.
RОС
R2 (1
RСВ
R3
)
и большое значение RосЭКВ. можно получить при меньшем значении RОС.
Входное сопротивление RВХ. ИНВ. инвертирующего усилителя невелико из-за
параллельной ООС.
RВХ .ИНВ,
R1 [
RОС
КU ОУ
1] || RВХ .ОУ
R1
,
70
т.е. при больших значениях КU ОУ RВХ .ИНВ, определяется величиной R1 . Рекомендуется значение R1 10 кОм.
Выходное сопротивление RВЫХ.ИНВ.
ООС.
невелико и определяется глубиной
RВЫХ .ОУ
RВЫХ .ИНВ.
F ( глубина ОС )
или
RВЫХ .ОУ КU ИНВ.
RВЫХ . ИНВ.
КU ОУ (без ОС )
2.6.2. Неинвертирующий усилитель
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход
(рис. 2-29). ООС подается на инвертирующий вход. Т.е. ООС является последовательной (по входу) ОС по напряжению.
Для идеального ОУ:
U ВХ
U ВЫХ
R1
R1 RОС
или
КU НЕИНВ ,
откуда
КUНЕИНВ.
1
RОС
R1
1
КU ИНВ ,
- соотношения справедливы при глубокой ОС (F>0), что имеет место практически.
Рис.2-29
Получение значения R1 + RОС ≈ (0,5÷1) МОм реально. Если RОС > 1 Мом, то
необходимо применять Т-образную цепочку включения (см. рис. 2-28).
Входное сопротивление RВХ. НЕИНВЕР. всегда велико:
RВХ . НЕИНВЕР.
RВХ .ОУ КU ОУ
КU НЕИНВЕР,
71
или RВХ. НЕИНВЕР. = RВХ.ОУ F.
Обычно RВХ. = n ГигаОм. Так как ООС - по напряжению, то
Rвых неинверт. составляет несколько десятков Ом.
2.6.3 Выходные каскады
К выходным каскадам предъявляются требования:
- большой выходной ток Iвых;
- большое выходное напряжение Uвых;
- низкое выходное сопротивление Rвых;
- малая рассеиваемая мощность в режиме покоя.
Кроме того, выходной каскад должен иметь защиту от короткого замыкания
любого из зажимов питания ЕП (выходных транзисторов).
Выходные каскады первого поколения - однотактные; второго и третьего поколения - двухтактные, в режиме В.
2.6.3.1.Схема выходного каскада широкого применения
Схема выходного каскада широкого применения приведена на рис. 2-30:
В режиме покоя ток I2 протекает через оба транзистора Т1 и Т2 (АВ). При положительной полуволне входного сигнала ток IН протекает от источника -ЕП
через транзистор Т2. При обратном направлении входного сигнала транзистор
Т2 закрыт, и ток IН протекает от источника +ЕП через транзистор Т1. Схема не
защищена от короткого замыкания транзисторов Т1 или Т2.
Рис. 2-30
2.6.3.2 Схема выходного каскада широкого применения с защитой от короткого замыкания транзисторов
Схема выходного каскада широкого применения с защитой от короткого замыкания транзисторов Т1 или Т2 приведена на
72
рис. 2-31.
Рис. 2-31.
При нормальной работе транзисторы Т4 и Т5 закрыты: они открываются только
при коротком замыкании транзисторов Т1 или Т2 (за счет увеличения их токов
и увеличения напряжения на резисторах RЭ1 или RЭ2). При этом часть базового
тока транзисторов Т1 или Т2 ответвляется через транзисторы Т4 или Т5 до безопасной величины.
2.6.3.3. Двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем
(рис. 2-32). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на
биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые
нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных
Рис. 2-32
цепей смещения для каскада на транзисторах Т1 и Т2. Поскольку напряжение на
нагрузке RH примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ /1/.
73
3. Исходные данные; варианты заданий для выполнения курсового
проекта; требования к проекту
3.1. Варианты исходных данных приведены в таблице 3-1 и в
таблице 3-2.
Таблица 3-1
Наименование основных
параметров
Тип усилителя
Уровень входного сигнала
Внутренне сопротивление
источника сигнала
Входное сопротивление усилителя
Нижняя граничная частота
Верхняя граничная частота
Сопротивление нагрузки
Неравномерность АЧХ
Напряжение источника питания
Номинальная выходная мощность
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Парамет
р
(но
мер
)
1
2
3
4
5
Обознач-е;
ед-ца измер.
ауди
N
«- дБ»
Rи
кОм
Rвх
кОм
Fнгр
Гц
Fвгр
кГц
Rн
Ом
σ
«- дБ»
Еп;
В
Рвых ;
Вт
1
2
3
4
5
Таблица 3-2
Номер варианта
6
7
8
9 10
3
0
1
1
2
0
5
0
3
1
1
2
2
2
7
0
3
2
1
3
2
4
9
0
33
34
35
36
37
38
39
14
15
16
17
18
19
20
26
28
30
32
34
36
38
11
0
13
0
15
0
17
0
19
0
21
0
23
0
74
6
8
7
8
2
1
9
1
5
1
10
Парамет
р
(но
мер
)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9
1 11 12 13 14 15 16
0
4 6 8 10 12 14 16 18
1 2, 2,5 3 2,5 2 1,5 1,0
, 0
5
2 2 20 15 25 15 20 15
0 5
2 3 4
5
6
5
4
3
1
1
1
2
1
3
2
0
1
0
3
8
2
5
0
1
7
2
0
3
2
1
1
2
3
6
2
7
0
1
6
1
8
2
,
5
2
0
4
2 23
2
1 16
4
3 32
4
2 31
9 0
0
1 14
5
1 14
6
2 1,5
1
5
5
2
5
3
14
17
20
1,5
20
2
продолжение таблицы 3-2
Номер варианта
15 16 17 18 19 20
24
25
26
27 28 29
18
20
22
24 26 28
30
28
26
24 22 20
33
0
35
0
37
0
39 41 43
0 0 0
13
12
11
10
9
8
12
10
8
6
4
2
1,0 1,5
2
2,5
3
3,5
20
15
25
15
20 15 20
2
1
2
3
4
5
1
75
продолжение таблицы 3-2
Па
ра- 21
мет
р
Номер варианта
2
2
2
3
2
4
25
26
3
1
1
2
2
2
7
0
3
2
1
3
2
4
9
0
34
35
1
0
6
3
3
1
4
2
6
1
1
0
1
1
8
1, 2
5 ,
0
15 2 2
0 5
5 4 3
2
,
5
2
0
2
3
3 37 38 39
6
16 1 18 19 20
7
30 3 34 36 38
2
15 1 19 210 23
0 7 0
0
0
13 1 15 16 17
4
12 1 16 18 20
4
2,5 2 1,5 1,0 1,5
15
25
1
2
(но
мер
)
1
2 30
3
11
4
20
5
50
6
8
9
7
2
4
8
1
9
10
15
28
13
0
12
10
2
7
1
5
3
28
29
20
15
20
4
5
1
продолжение таблицы 3-2
Па
Номер варианта
ра- 3 32 3 3 35 36 3 38 39
мет 1
3 4
7
р
(но
мер
)
1
2 4
41
4
4
44
45
4
30
47
48
40
49
76
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1 12
1
3 36
8
2 21
3 0
0
1 16
7
2 18
0
3 2,5
2
1
3
3
4
1
9
0
1
5
1
6
2
1
5
1
2
5
3
20
2
3
1 15 16
4
3 30 28
2
1 15 13
7 0
0
0
1 13 12
4
1 12 10
4
1 1,0 1,5
,
5
2 15 25
0
4 5
6
6
1
7
2
6
1
2
0
1
1
8
18
19
20
24
22
20
11
0
90
70
10
9
8
6
4
2
2 2,5
3
3,5
1
5
5
20
15
20
4
3
2
3.2. Для защиты курсового проекта должны быть представлены:
- пояснительная записка;
- принципиальная схема с перечнем элементов
3.3. Требования к содержанию пояснительной записки:
В состав пояснительной записки должны быть включены следующие материалы:
1. Постановка задачи по разработке курсового проекта «Усилитель
аудисигналов»
2. Краткие теоретические сведения.
3. Исходные данные для выполнения курсового проекта.
4. Выполнение проектного задания
4.1.Выбор структурной и принципиальной схем усилителя
4.2. Описание работы усилителя и расчет необходимого коэффициента
усиления
4.2.1.
Краткое описание каскадов усилителя, выполненных на
операционных усилителях (ОУ)
4.2.2 Описание работы усилителя по принципиальной схеме
4.2.3 Расчет коэффициента усиления тракта
4.3. Расчет параметров и номиналов элементной базы
оконечного каскада
77
4.3.1.Выбор (разработка) и обоснование схемы ОК
4.3.2. Расчет ОК и выбор его элементной базы
4.4. Расчет коэффициента полезного действия
4.5. Расчет каскадов предварительного усиления
4.5.1 Выбор усилительных элементов и расчет их режима в усилителе
4.6. Расчет регулятора усиления
4.7. Расчет АЧХ усилителя
4.8. Составление схемы источника питания
4.9. Выводы по результатам разработки курсового проекта
5. Рекомендуемая литература
6. Принципиальная схема с перечнем элементов
4. Методические рекомендации по проектированию, расчетам и контрольный пример проектирования усилителя аудисигналов
4.1.Выбор структурной и принципиальной схем усилителя
Для проектирования предлагаются структурная и принципиальная схемы
усилителя, приведенные в приложении на рис.1П и рис.2П
4.2 Описание работы усилителя и расчет необходимого коэффициента
усиления
4.2.1. Краткое описание каскадов усилителя, выполненных на операционных усилителях (ОУ)
Усилитель аудиосигналов выполнен на трех ИМС и четырех транзисторах.
Питание ОУ и транзисторов осуществляется двухполюсным источником от сетевого стабилизированного блока.
Усиление по напряжению входного сигнала осуществляется микросхемами DA1 и DA2. Усиление сигнала по мощности обеспечивают ОУ на DA3 и
транзисторы VT3 и VT4 оконечного каскада. Транзисторы включены по схеме
двухтактного эмиттерного повторителя. Микросхема DA3 марки К157УД1
(микромощный ОУ) обеспечивает согласование оконечного мощного каскада с
выходом предварительного усилительного каскада на микросхеме DA2.
К выходу усилителя подключена нагрузка в виде акустической системы
(АС) с внутренним сопротивлением, удовлетворяющим техническому заданию.
Оконечный каскад работает в режиме АВ с небольшим начальным током
коллектора. В таком режиме, как известно, достигается и повышение коэффициента полезного действия (η) и существенное снижение нелинейных искажений.
78
Названный режим обеспечивается падением напряжений на диодах VD2 и
VD3, из-за протекания постоянного тока в цепи: плюс источник питания (+En),
через резистор R15 диоды VD2,VD3 через резистор R16 на корпус.
Как видно из схемы (рис. 2п) параллельно каждому диоду VD2 и VD3
предусмотрены цепи, по которым ответвляются токи между базой и эмиттером
транзисторов VT3 и VT4, обусловившие некоторый начальный ток коллектора
(режим АВ).
С целью получения наибольшей амплитуды сигнала на нагрузке (АС) и
возможности работы (ОУ) от одного источника питания, на неинвертирующем
входе микросхемы DA3, с помощью одинаковых по сопротивлению резисторов
R12 и R13 установлено напряжение +0,5 Еп.
Между выходом оконечного каскада и инвертирующим входом микросхемы DA3 предусмотрена цепь последовательной по входу отрицательной обратной связью (OOC) снятой по напряжению. Благодаря чему постоянные напряжения на инвертирующем входе DA3 и на ее выходе (общая точка соединения диодов VD2 и VD3 и общая точка соединения резисторов R18 и R19) оконченного каскада стали практически одинаковые.
Благодаря такому схемотехническому решению высокая температурная
стабильность каскада на DA3 поддерживает температурную стабильность ОК.
Так в случае разной температуры транзисторов VT3 и VT4, нарушение условия
Евых = 0,5 Еп будет всегда выполняться с достаточно высокой точностью.
Транзисторы VT1 и VT2 в схеме усилителя предусмотрены для защиты
акустической системы (АС) и транзисторов VT3, VT4 в аварийных ситуациях.
Например, в случае возникновения короткого замыкания в цепи АС или при
появлении чрезмерно большого тока сигнала на входе (перевозбуждение) транзисторов VT3 и VT4.
Пояснить принцип срабатывания аварийной защиты можно следующим
образом:
Чрезмерно большой ток через резисторы R18 и R19 создает на них падения напряжения, которое вызывает проводимость между коллектором и эмиттером (VT1 и VT2), таким образом ограничиваются (уменьшаются) токи возбуждения между базой и эмиттером транзисторов VT3 и VT4. Следовательно, дорогостоящая акустическая система будет спасена.
При рассмотрении схемы рис. 2.П видно, что ИМС DA1 DA3 каскады на
(ОУ) имеют на своих неинвертирующих, инвертирующих входах и своих выходах практически одинаковые постоянные напряжения смещения равные половине напряжения источника питания Еп.
Конденсаторы С1, С6, С10 и резисторы R15, R14, совместно с опорным
диодом VD1 стабилизируют напряжение, уменьшая пульсации тока на «плюсовой» шине питания и кроме этого, снижают склонность усилителя к самовозбуждению.
С помощью резисторов R3, R4, R5, в первом каскаде и R10, R11, R12 во
втором каскаде, размещенных в цепях ООС заданы необходимые коэффициенты усиления каскадов и усиление тракта в целом.
79
Разделительные конденсаторы С2, С3, С4, С5, С6 и С8 развязывают соответствующие цепи по постоянным и переменным токам. Резисторы R3 и R10
выполняют функции соответственно регулятора тембра высоких частот и регулятора громкости.
4.2. 2 Описание работы усилителя по принципиальной схеме
Входной сигнал через разделительный конденсатор С2 поступает на
вход усилителя DA1. Входной каскад выполнен на операционном усилителе
(ОУ) марки 544УД2. Применение (ОУ) позволяет выполнить многие требования, предъявляемые обычно к входным каскадам усилителей звуковых сигналов. Высокое входное сопротивление, необходимое для того, чтобы оно не
оказывало существенного влияния на сквозной коэффициент передачи сигнала, т. е. был согласован с ним; малый уровень шума, т. к. этот шум будет усиливаться всеми последующими каскадами усилителя и на выходе (в динамиках) будет обнаружен; необходимый и достаточно большой коэффициент усиления. Входной каскад должен обладать необходимой термостабилизацией: не
изменять своих параметров в широком диапазоне изменения температур. Всем
этим требованиям в значительной мере удовлетворяет (ОУ).
Во входном каскаде конденсатор С1 совместно с резистором R6 образует
RC-фильтр для питания первого каскада усилителя, выполненного на опорном
диоде DА1. Этот фильтр подавляет пульсации тока, поступающие от источника. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения обеспечивающий
необходимое положение рабочей точки при питании (ОУ) от одного источника питания. Разделительный конденсатор С2 устраняет прохождение постоянной составляющей тока на источник сигнала и беспрепятственно пропускает
переменную составляющую. Аналогичное назначение имеют элементы
R7,R8,C5 в предоконечном каскаде. Входной сигнал подается на прямой вход
(ОУ), а на инверсный вход через R5 подается сигнал с выхода (ОУ), что создает отрицательную обратную связь. Глубина этой связи определяется резисторами R5 и R4, т. е. изменяя отношение R5 к R4 можно изменять коэффициент
усиления входного каскада. Вообще, если говорить об ООС, то несмотря на
то, что она снижает усиление, она дает много полезного для работы каскада:
уменьшает коэффициент нелинейных и частотных искажений. Цепь из конденсатора С3 и переменного резистора R3 во входном каскаде позволяет регулировать тембр высоких частот.
Сигнал, усиленный входным каскадом через разделительный конденсатор С5 подается на следующий каскад DA2. Задача этого каскада увеличить
усиление тракта по напряжению. Необходимый размах тока на входе ОК обеспечивает ДА3. Ее функции были отмечены выше. Предоконечный каскад
гальванически, т. е. по постоянному току, связан с оконечным каскадом, благодаря этому достигнуто строгое выполнение важного условия – поддержания
напряжения 0,5 Еп на выходе ОК в режиме покоя и при усилении сигнала.
80
C1
R6
+
R2
R1
DA1
544 УД2
0
C2
+
0
0
R9
Rи
+
(e)
N
C4
R5
R3
C3
R4
Рис.4.1
4.2.3 Расчет коэффициента усиления тракта
Согласно фрагменту принципиальной схемы (рис. 4.1), заданное входное
сопротивление проектируемого усилителя, определяется выбором двух одинаковых параллельно включенных сопротивлений резисторов R1 и R2 по формуле
RВХ
R1|| R 2
R1 R 2
R1 R 2
R1, 2
2
и
R1 R 2 2 RВХ
= 2∙28∙103 =56∙103кОм
Задав в соответствии с заданием Rвх, определим ослабления сигнала из-за
падения его под действием входного тока на внутреннем сопротивлении источника Rи
К ВХ
R1,2
( R1,2 RИ )
28 10 3
28 10 3 20 10 3
0,583
Переведем заданный техническим условием абсолютный уровень N в децибелах в напряжение на входе ДА1
U ВХ
U 010
N
20
,
где U0=0,775 В.
U ВХ
0,775 10
N
20
0,775 10
25
20
0,044 В
Определив Uвх, определим Э. Д. С.источника сигнала е
е
U ВХ
К ВХ
0,044
0,583
0,075 В
81
Коэффициент усиления К и сквозной коэффициент усиления Кскв
определим следующим образом:
K
U mH
2U ВХ
U mH (
Kскв
U mH
2U 0 10
RВХ
RВХ
2U 010
Rи
N
20
)
4,472
N
20
4, 472
2 0,044
(1)
72,56
28 103
28 103 20 103
2 0, 044
42,336
(2)
Полученный сквозной коэффициент усиления можно разделить поровну
между первым и вторым каскадами. Это будет сделано после расчета ОК.
4.3. Расчет параметров и номиналов элементной базы оконечного каскада
4.3.1.Выбор (разработка) и обоснование схемы ОК
Оконечный каскад (ОК) является наиболее энергоѐмким среди всех каскадов усилителя. В нем возникает переменные напряжения и токи, размах которых достигает предельных значений.
Говоря другими словами, коэффициент использования транзисторов по
напряжению и току стремится к единице. Поэтому такому режиму ОК свойственны нелинейные искажения и разогрев корпуса транзистора.
Меры снижения нелинейных искажений (коэффициента гармоник) это
применение 2-хтактных схем и введение ООС.
Фрагмент схемы ОК с его элементной базой совместно с ИМС ДА3 и нагрузкой показан на рис. 4.2
В этой схеме предусмотрена ООС, снятая по напряжению и подведенная
последовательно с источником питания.
При наличии высокой симметрии плеч 2-хтактного каскада и глубокой
ООС (здесь 100%) достигается весьма низкое входное сопротивление ОК и малые нелинейные искажения.
82
+
C10
R15
DA3
544 УД1
R18
VD2
С9
0
0
0
+
R17
R19
BA
(AC)
VD3
R16
Рис. 4.2 Схема оконечного каскада усилителя
Низкое выходное сопротивление благоприятно сказывается на работе громкоговорителей, так как практически устраняются резонансные явления в подвеске
диффузора, благодаря чему улучшается линейность АЧХ усилителя по звуковому давлению.
Как отмечалось, работа ОУ (ДАЗ) совместно с 2-хтактным ОК в режиме повторителей – удачное схемотехническое решение, поскольку этим достигается высокая симметрия работы плеч для каждого из 2-х тактов усиления полуволн
амплитуд сигнала.
На ОК в данном случае возлагается задача усиления только мощности, а
усиление по напряжению, как отмечалось, обеспечивают каскады предварительного усиления.
Температурная стабильность обеспечит ОУ, который создаѐт в общей
точке соединения эмиттеров транзисторов ОК напряжение питания всегда равное 0,5ЕП.
4.3.2. Расчет оконечного каскада и выбор его элементной базы
По заданной мощности в нагрузке Рн и сопротивлению нагрузки Rн, определим необходимые величины амплитуд напряжения и тока:
U mH
I mH
Pвых Rн
U mH RH
2 10
4,472 В
4,472 10
0,447 А
где Umн – амплитуда тока напряжения в нагрузке
Действующее напряжение Uд.
U mH
2 UД,
PН
UД
U Д2 2
RH
U mH
2
2
U mН
RН
4,472
2
3,162 В
0,5 U mH I mH
I Д2 RH ;
IД
2 UД
RH
0,447 А
83
PН
2Вт
Сопротивление резисторов защиты акустических систем АС R18 и R19 в
цепи эмиттеров выбирается из условия:
Rэ = R18 = R19 = UЭБ/ImH=0,5/0,447=1,118В
где UЭБ =0,5В– напряжение на входе транзисторов VT1 и VT2
Напряжения источника питания Еп найдем в виде:
Eп≥ 2 [ImH (Rэ + Rн) + 1.5UНАС]= 12,944 В,
где UНАС – напряжение насыщения транзистора. Для кремниевых транзисторов
UНАС ≈ 1 В; 1.5 – коэффициент запаса.
В аудио усилителях из соображений достаточно высокого КПД (η) при малом коэффициенте гармоник (Кг) задают обычно режим AB (η ≈ 60 %).
Следовательно, в виде тепла на двух транзисторах ОК рассеиваются 40% потребляемой от источника энергии.
Поэтому оба транзистора ОК, будучи установлены на радиаторы, должны
иметь допустимую мощность рассеивания Рр не менее.
РР = РЗ– РН =3,333 - 2=1,333 Вт
где РЗ = РН /
ОК=2/0,6=3,333
Вт -
- РЗ и РН соответственно затраченная и полезная мощности в ОК.
дая из них равна
Каж-
0.5 Рр = 0,667 Вт
Выбор транзисторов VT3 и VT4 проведем при соблюдении следующих
условий:
Pk
Pн
2
0,6
3,333 Вт
Рк max ≥ 1.3 ∙ Рк ≥ 4,333 Вт
U 0кэ
(0,6 0,8)U кэ max ,
U 0кэ
U mн U к min
отсюда U кэ max
U 0 кэ
0,7
U к min 0,5 1 В
U 0кэ 5 В
84
U кэ max 7,14В
Iк max ≥ 1.2 ∙ ImН ≥ 1.2∙ 0,447 ≥ 0,537 А,
где Рк max – предельная рассеиваемая на коллекторе мощность;
Uкэ max – предельное напряжение на переходе коллектор – эмиттер;
Iк max – предельный ток коллектора.
Транзисторы ОК включены по схеме с общим коллектором ( 2-х тактный
эмиттерный повторитель), поэтому его верхняя граничная частота может быть
выбрана из справочника, при условии, что Fмакс<< fгр.
Исходя из этих условий были выбраны транзисторы VT3 (П606) и VT4
(П606А).
Эти транзисторы имеют следующие параметры:
Pk max =5 Вт
Uкэ max =40 В
Ik max =1,5 А
h21э– статический коэффициент передачи тока в схему с ОЭ =40
fгр – граничная частота коэффициента передач тока в схеме с ОЭ =100 кГц
Рассчитаем максимально возможную пиковую мощность, отдаваемую в нагрузку:
(U K U HAC ) 2 RH (6,45 1) 2 10
PH max
2,901 Вт,
2
2
( RH
RЭ )
(10 1,118 )
где UK=0,5 EП=10В
Коллекторный ток покоя IК0 задается током покоя базы Iб0 (при отсутствии сигнала). Последний, как видно из рис. 4.1 ОК, предопределяется падением
напряжения на диодах VD1 и VD2, соответственно для транзисторов VT3 и
VT4.
Проходная ВАХ транзисторов VT3 и VT4 и схема «смещения базы»,
представлены соответственно на рис. 4.3 а) и б)
Диоды VD1 и VD2 (ГД511) при токе Iд = 5 мА имеют падение напряжения между анодом и катодом Uак примерно 0.5 В, что и соответствует Uак =
Uбэ = 0.5 В. При этом сквозной ток IК0 (покой) транзисторов примерно 40 мА.
Из рисунка видно, что через R15 протекают токи:
IД + Iб0 = IД + IК0 /h21Э =0,448 А
85
Рис. 4.3 а) и б)
Влиянием сопротивлений резисторов R17 и R18 можно пренебрегать ввиду их чрезвычайной малости и отсутствия постоянного тока через R17.
Падение напряжения на сопротивлении R15:
UR15 = EП – 0.5∙ EП – UОК=2,5 В
UОК - исходное напряжение на коллекторе
UОК=0,3 25=7,5 В
Отсюда
По ГОСТу
R15
U R15
(I Д I бО )
5
11,155 кОм
0, 448
МЛТ 0.25 7 кОм
Коэффициент усиления оконечного каскада:
K3
K ЭП
(1 h21Э ) ( RЭ R H )
,
rБ (1 h21Э ) (rЭ RЭ R H )
где rБ -сопротивление базы (для мощных каскадов в первом приближении
можно не учитывать);
rЭ
0,026
I mH
0,183 (Ом)
– среднее сопротивление эмиттера для транзистора, работающего в режиме АВ.
K ЭП
(1 h21Э ) ( RЭ RH )
rБ (1 h21Э ) (rЭ RЭ RH )
1 40 1,118 10
1 40 0,183 1,118 10
0,984
86
RВХЭП
rБ
(1 h21Э ) (rЭ
1 40
RЭ
RH )
0,183 1,118 10
463,328
Ом
Амплитуда входного сигнала:
U mBX 3
U mH
K ЭП
5,292
0,984
4,5460
;
U mBX 3
RBXЭX
I mBX 3
4,5460
463 ,328
0,0098
А.
4.4. Расчет коэффициента полезного действия
Коэффициент полезного действия усилителя ( ) в основном определяется
его энергоемким ОК и может быть вычислен при наибольшей мощности в нагрузке РН в виде
= РН
РП
РН
РН
РН
1
ОК
1
ОК
= 1
1 0,6
0,625
где – РП мощность, потребляемая от источника питания;
ОК – коэффициент полезного действия ОК(в данном случае в режиме АВ).
4.5. Расчет каскадов предварительного усиления
4.5.1 Выбор усилительных элементов и расчет их режима в усилителе
В качестве усилительного элемента выберем высокочастотный (ОУ) с малым коэффициентом шума, большим входным сопротивлением и усилением
например, К544УД2
(fгр 15 10 6 Гц, К 5 10 3 ) .
В разделе 3.2 был вычислен необходимый сквозной коэффициент усиления КСКВ =124,389.
Было отмечено, что КСКВ = КI KII.
Приняв условие, что KI = KII = 0.5 КСКВ =62,19, зададим KI = KII выбором
сопротивлений резисторов в цепи ООС неинвертирующего ОУ по известной
формуле
K 1 RX RY
Задав одно из сопротивлений резисторов RX и RY в разумных пределах,
например RY = 10 кОм, найдем
RX
RY ( K 1) 10 3 (62,19 1)
611,9 кОм
87
4.6. Расчет регулятора усиления
Регулятор громкости (РГ) установлен на входе второго каскада усилителя
(рис 4.4).
Место установления РГ обосновано тем что, уровень сигнала будучи увеличен усилителем первого каскада (ДА1) способствует снижению наводимых в тракт усиления шумов и помех.
Рис. 4.4 Фрагмент принципиальной схемы регулятора уровня двойного действия.
Регулирование громкости в каскаде на ДА2 происходит одновременно
двумя способами.
Первое – путем потенциометрического деления (КДЕЛ.) выходного напряжения ДА1 между сопротивлениями резистора R9 и верхней (относительно
корпуса) частью сопротивления резистора R10 – ΔR10
КДЕЛ= (R10/k)/(R10/k+R9)=R10/(R10+kR9)
(3),
где k – относительное изменение сопротивления R10
k=(R10-ΔR9)/R10.
Следовательно k может изменяться от 0 до 1.
Резистор R9 выступает как Rн выходу (ОУ) (ДА1), когда движок резистора R10 в верхнем положении (рис.4.4)
Поэтому должно выполняться условие R9≥Rн. Величина Rн приведена в
справочнике и для (ОУ), например К544УД2, она больше 2кОм.
Второе регулирование усиления, опять же с помощью резистора R10 добавляет изменение коэффициента, регулируя глубину ООС
КООС= R12/R11+ΔR10
При этом следует иметь ввиду, что величиной сопротивления резистора
R11, задается наибольший необходимый коэффициент усиления второго каскада (ΔR10=0). C учетом введенного коэффициента k получено
88
КООС = 1+R12/ (R10/k + R11)
(4)
Такое двойное действие регулятора записывается в виде:
КРГ = КДЕЛ ∙ КООС
В формуле (4) КООС > 1, поэтому для упрощения расчета КРГ= КРГ(k) опустили единицу в (4).
Решая уравнения:
получим
КРГ = (R10/R10 + kR9) ∙ (kR12/R10 + kR11),
КРГ = R10 ∙ kR12/(R10 + kR9)(R10 + kR11)
(5)
Выберем резисторы R9 = R10 = R11 = 1 кОм.
Как видно из схемы рис. 4.4 это вполне допустимо, потому как
R9 = 1кОм >RНДОП,
КМАКС = 1+ R12/R11
свободно реализуется при отношении R12/R11≥20÷30. Следовательно, из (5)
КРГ и КМАКС
КРГ = 2R12/R11∙(k/1+k2)
2R12/R11=КРГМАКС
Рис. 4.5 Нормированный график изменения КРГ от k и от угла поворота движка
переменного резистора R10.
Анализируя ход графика, делаем вывод, что изменение КРГ идет по логарифмическому закону. Следовательно, для линейного регулирования КРГ следует выбирать резистор R10 группы «В».
89
4.7. Расчет АЧХ усилителя
Согласно исходным данным (технических условий – ТУ) полоса сигнала
0,707
F максгр F мингр =11,65 кГц
Согласно ТУ, неравномерность в полосе (частотные искажения) – 1,5 дБ
(0,707) и определяется всеми четырьмя каскадами данного усилителя.
При этом в области нижних частот Fмин причина их возникновения – это
влияние емкости разделительных конденсаторов С2, С5, С8 и С9. В области
верхних частот Fм акс , - это влияние входных и паразитных (монтажных) распределенных емкостей.
Согласно ТУ, сквозная АЧХ должна выглядеть не хуже, чем на рис.4.6
Рис.4.6
Поэтому при расчете и выборе емкости разделительных конденсаторов
предпочтительно выбирать их в сторону большего номинала.
f
Учитывая, что неравномерность
в разах перемножается,
а
fсс
в децибелах суммируется и, принимая, что неравномерность вносится одинаково каждым из четырех каскадов, запишем
1( дБ )
1,5дБ
4
0,375 дБ ,
1( раз)
4 0,707
0,9
Следовательно, на каждом разделительном конденсаторе падение напряжения сигнала на F грмин должно быть не более 0,1 от UС.
Рассчитаем емкость разделительного конденсатора С2.
Рассмотрим эквивалентную схему входной цепи усилителя рис.4.7 а).
90
Рис.4.7
Преобразуем схему рис.4.7 а) к виду схемы рис.4.7 г). Согласно этого рисунка,
падение напряжения на С2 сигнала должно быть не более 0,1 от U RЭ .
С2
10
1
10 C 2
RЭ ,
RЭ = 2 RВХ + RИ
С2
56 10 3
2
20 10 3
0,1
Fгрмин RЭ
2
RЭ
76кОм
0,1
350 76 103
5,983 10 9 (Ф)
Конденсаторы С5=С8 рассчитываются согласно эквивалентной схеме с
учетом, что в принципиальной схеме усилителя выполняется условие
R7=R8=R12=R14. Сопротивление этих резисторов может быть задано большим
в пределах (30-70) кОм, ввиду того, что постоянный ток через них не протекает.
Рис. 4.8
91
Запишем
R78 ,
С4
10
С5
2
где
R7 || R8 .
R78
0,1
Fгрн R78
2
0,1
350 85 10 3
5,350 10
10
(Ф) .
где FГРН задано
При этих условиях С5=С8.
Разделительный конденсатор перед акустической колонкой рассчитаем
аналогично, принимая во внимание, что выходное сопротивление двухтактного
эмиттерного повторителя, охваченного глубокой ООС, практически равно нулю. Поэтому
0,1
0,1
С9
2,274 10 5 (Ф) .
2
FгрН R Н
2
350 10
Расчет сквозной АЧХ усилителя в области нижних частот выполняется
для всех цепей предварительного усиления по формуле:
Н
где
СР
Н
KF
K СР
1 ( Н
RЭ С Р - постоянная времени, а RЭ
5,983 10
15
76
2
3
,
кОм и
Ф рассчитаны выше.
Н
RЭ
Н)
2
FН ,
FH - частоты вблизи FГРН с шагом отстройки +/- (100:200) Гц.
Для выходной цепи ОК ( Н С9 RН )
R1 || R2 ,
1
НОК
1 ( Н
Н)
2
Сквозная АЧХ в области Н.Ч.
.
График АЧХ представлен в табличном виде
(см. таблицу 1) для низких частот и в виде графика рис.4.9.
СКВ
Н
НОК
Рис.4.9
92
0,908
FСР
0,639
163,5
141,2
6
0,079
4FнГР
FнГР
2FнГР
180,0
0
Р
-170
0,009
0,001
25
0,5FнГ
190,6
1
5,825
*103
1400
700
175
350
2
87,5Г
ц
f
ГР
0,25Fн
Y
199,6
4 дБ
Y
0,000
15
разы
Таблица 1
Для области верхних частот
(
В
1
1 ( В
)
2
В)
график В ( f ) не рассчитан и принимается, что он совпадает с графиком
рис.4.6.
На рис.4.10 а) показана входная емкость С0 каждого
следующего каскада и выходное сопротивление предыдущего RЭ .
Такая схема образует как бы ФНЧ для области верхних частот. Однако, если выходное сопротивление источника сигнала равно нулю ( RЭ =0), то
спада высоких частот не будет рис.4.10 б)
а)
б)
Рис. 4.10
Это действительно так (ОУ) и ОК имеют весьма малое выходное сопротивление и, если применять (ОУ) и транзисторы с высокой граничной частотой,
то равномерность АЧХ в области верхних частот будет достаточно линейна
вплоть до заданной FМАКС.
93
Поэтому ограничимся спадом АЧХ в области верхних частот только
влиянием регулятора тембра.
4.8. Составление схемы источника питания
Источник вторичного питания ИВП для проектируемого усилителя выберем работающим с аналоговой стабилизацией, полагая при этом, что его относительно низкий КПД при сетевом электропитании и малой выходной мощности усилителя оправдан простотой схемотехники.
В структуре его устройства применен понижающий трансформатор Т1
(рис.3П приложения 3), двухполупериодный выпрямитель (Д2…Д5), сглаживающие пульсацию напряжения электролитические конденсаторы (С2 и С3)
большой емкости, задающие выходное напряжение ИВП опорные диоды (стабилитрон VD1 и VD2) и транзисторы (VT1,VT2), включенные по схеме Дарлингтона.
Маломощный транзистор VT2 управляет мощным транзистором VT2 и будучи
оба выключенными по схеме с общими коллекторами (эмиттерные повторители), они охвачены глубочайшей ООС, снятой по напряжению и подведенной ко
входу последовательно с источником входного напряжения ( ЕD1 ) создают
низкое выходное сопротивление ИВП.
Реакция выхода стабилизатора на изменение выходного напряжения Е П такоЕ П обнаруживается между базой VT2 и эмиттером VT1, поскольку
ва, что
застабилизировано опорным диодом VD1. Таким образом, попытка
Е П , приоткрывает транзисторы, восстанавливая первонауменьшить Е П
UС2
чальное Е П . При увеличении ЕП
сохраняя первоначальное Е П .
ЕП транзисторы «подзакрываются»,
4.9. Выводы по результатам разработки курсового проекта
По заданным параметрам рассчитаны коэффициент усиления (К=72,56) и
сквозной коэффициент усиления (Кскв= 124,389). По заданной мощности в нагрузке Рн и сопротивлению нагрузки Rн, определены необходимые величины
амплитуд напряжения и тока для выбора транзисторов.
С помощью рассчитанных амплитуд тока и напряжения в нагрузке и мощности, рассеиваемой на коллекторе, определены максимальные значения тока,
напряжения и мощности для транзисторов. Построен график АЧХ для низких
частот. Задание на проектирование аудиусилителя выполнено.
94
5. Рекомендуемая литература
1.―Схемотехника аналоговых электронных устройств»‖. Конспект лекций.
Галочкин В.А. ПГУТИ. Кафедра РРТ. Самара. 2011 г
2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств.- М.: Радио и связь 1997.
3. Методическая разработка к лабораторным работам по дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств». Галочкин В.А. ПГУТИ.
Кафедра РРТ. Самара. 2011 г.
6. Приложение 1
95
7.
Приложение 2
96
8.Приложение 3
9.Требования к оформлению пояснительной записки
9.1.Содержание пояснительной записки должно соответствовать
требованиям раздела 3.3 данной методической разработки.
Текст пояснительной записки должен быть набран в текстовом редакторе, файлы должны быть формата *.doc
Текст пояснительной записки должен быть выполнен с применением печатающих и
графических устройств вывода ЭВМ на одной стороне листа белой бумаги формата
А4 (210 × 297 мм). При выполнении текста пояснительной записки необходимо соблюдать равномерную плотность, контрастность и четкость изображения по всему
тексту.
9.2.Текст должен быть выровнен по ширине. Абзацный отступ стандартный по
всему тексту (1,25 см).
Текст записки рекомендуется печатать, соблюдая следующие размеры полей:
левое – 30 мм;
верхнее и нижнее - 20 мм;
правое - 15 мм;
97
9.3. Вносить в текст записки отдельные слова, формулы, условные знаки,
буквы латинского и греческого алфавита, символы рукописным способом не
допускается. Опечатки, описки, графические неточности, помарки, повреждения листов пояснительной записки не допускаются.
9.4. Страницы текста пояснительной записки следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему документу. Номер страницы проставляют внизу в правом углу (кроме титульного листа).
9.5.Набор текста должен быть произведен в текстовом редакторе.
Тип шрифта: Times New Roman Cyr.
Шрифт основного текста - обычный, размер 12 пт.
Шрифт заголовка структурной единицы "Раздел" - полужирный, размер 14 пт.
Шрифт заголовка структурной единицы "Подраздел" - полужирный, размер 12
пт.
Межсимвольный интервал - обычный. Междустрочный интервал - одинарный.
9.6.
Формулы должны быть оформлены в редакторе формул и вставлены в документ как объект.
9.7.
Подрисуночные надписи выполняются тем же шрифтом размером
12 пт.
9.8.
Рисунки должны быть представлены в формате *.gif или *.jpg.
9.9.
Список рекомендуемой литературы должен быть оформлен с указанием полных библиографических данных.
98
10.Приложение 4. Форма титульного листа
Федеральное агентство связи
Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики
Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения
Срок сдачи на проверку «___»_____20 г
Сдан на проверку________«___»_____20 г.
Допустить к защите_____ «___»_____20 г.
Курсовой проект по_дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств
_______________________________________________________
_______________________________________________________
наименование темы курсового проекта
Пояснительная записка на ______листах
Студент_________ группа____
«___»___20 г
Оценка __________
Руководитель ___________
Члены комиссии____________
____________
«___»______20 г
Самара 20 _г.
99
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 305 Кб
Теги
kurs, ustr, shemoteh, proekt, disco, elektro, uchet, analogi, posobr
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа