Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

 

 

Тема работы      Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты

 

 

Студент       _________________

инициалы, фамилия     подпись, дата

 

 

 

 

 

Курсовая работа защищена         оценка ___________

дата

 

 

Руководитель работы              подпись, дата   инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

 

 

Задание на курсовую работу

 

 

 

1.   Тема работы:   «Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты»

2.   Исходные данные:   выходная мощность синусоидального сигнала на нагрузке – P_вых=1,5 Вт; сопротивление нагрузки – R_н=15 Ом; коэффициенты усиления по мощности и напряжению соответственно – K_p=48 дБ , K_u=42 дБ.

3. Содержание пояснительной записки:   титульный лист, задание на курсовую работу, оглавление, введение, обоснование выбора структурной схемы, расчет каскадов, выбор параметров элементов, заключение, список использованных источников.

4. Перечень графического материала: схема электрическая принципиальная усилителя НЧ, входные, выходные и сквозные характеристики транзисторов, перечень элементов.

 

 

 

Руководитель работы        .

подпись, дата   инициалы, фамилия

 

 

Задание принял к исполнению ____________________________________

Подпись студента ____________________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

1. Введение 4

2. Общие положения 4

3. Расчет выходного каскада. 6

4.    Выбор структурной схемы. 10

5.    Расчет предоконечного каскада. 11

6.    Расчет входного каскада. 14

7.    Расчет общих параметров усилителя. 14

8.    Заключение 17

9.    Список литературных источников 18

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Целью курсовой работы является углубление и закрепление знаний, полученных в ходе изучения курса “Схемотехника электронных средств”, и приобретение навыков расчета электронных устройств. Выполнение курсовой работы предусматривает выбор структурной схемы, обоснование и расчет параметров и характеристик электронного устройства – многокаскадного усилителя низкой частоты, изложение методики и результатов расчета в пояснительной записке и выполнение графической части.

 

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Многокаскадные  усилители используют для получения  нужных коэффициентов усиления в том случае, если одного усилительного каскада оказывается недостаточно. Многокаскадный усилитель получают путем последовательного соединения отдельных каскадов. В этом случае выходной сигнал первого каскада является входным сигналом второго каскада и т. д. входное и выходное сопротивления всего усилителя определяются соответственно входным и выходным каскадами.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя  равен произведению коэффициентов  усиления каскадов:

        (2.1)

где 1, 2, ..., N – номера каскадов.

Учитывая соотношение  , справедливое для коэффициентов, исчисляемых в о. е., получим соотношения для коэффициентов, исчисляемых в дБ:

,                                                        (2.2)

откуда получим

,                                             (2.3)

где – коэффициент усиления по току (о. е.).

Подставляя исходные данные в выражение (2.3), получим:

.

Связь каскадов в многокаскадном усилителе  может осуществляться с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В нашем УНЧ в качестве элемента связи будем использовать конденсатор.

Сначала производят расчет оконечного выходного каскада, который обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке. В результате расчета определяют коэффициент усиления оконечного каскада, определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада, и т. д. вплоть до входного каскада. В данной работе для упрощения расчет проведем для средней частоты ( ), что позволит пренебречь влиянием сопротивлений конденсаторов и не учитывать зависимость параметров транзисторов от частоты.

Наличие в  схеме конденсаторов приводит к  тому, что по мере снижения частоты  уменьшается проводимость межкаскадных конденсаторов связи, при этом увеличивается  падение напряжения на них и соответственно уменьшается напряжение сигнала. Это проявляется снижением коэффициента усиления в области низких частот.

Уменьшение  модуля коэффициента усиления в области  низких частот учитывается коэффициентом частотных искажений :

,                                                   (2.4)

где , – соответственно коэффициенты усиления напряжения на средней и низкой частотах.

В многокаскадном усилителе общий  коэффициент частотных искажений:

.                                        (2.5)

Коэффициент частотных искажений  для одного каскада:

,                                      (2.6)

где 1, 2, ..., J – номера конденсаторов в рассматриваемом каскаде.

Коэффициент частотных искажений, обусловленный  влиянием одного конденсатора, рассчитывают по формуле

,                                            (2.7)

где – низкая частота полосы пропускания;                                                                                        – постоянная времени, определяемая как произведение ,

где – емкость конденсатора;                                                                                         – определяется в зависимости от схемы:

– для  входного каскада,                                                                  

где – внутреннее сопротивление источника входного сигнала,

– для  промежуточных каскадов,

где , – соответственно входное сопротивление последующего каскада и выходное сопротивление предыдущего каскада.

Таким образом задача обеспечения  полосы пропускания в области  низких частот сводится к выбору таких  значений емкостей в усилителе, чтобы  общий коэффициент частотных искажений не превысил заданное значение .

Из-за наличия конденсаторов в  схемах каскадов в многокаскадном усилителе будут появляться фазо-частотные искажения. С понижением частоты входного сигнала появляется фазовый сдвиг, обусловленный отставанием по фазе напряжения от тока в цепях с конденсаторами. Угол фазового сдвига равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме:

.                                          (2.8)

Фазовый сдвиг, создаваемый действием  одного конденсатора определяется по выражению

.                                             (2.9)

3.РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА.

 

Будем использовать выходной бестрансформаторный  каскад. Он представляет собой соединение двух эмиттерных повторителей, работающих на общую нагрузку . Режим по постоянному току обеспечивается делителем, состоящим из последовательно соединенных резисторов , и диодами и . Схема предусматривает использование двух транзисторов разной проводимости с близкими по значению параметрами (комплементарная пара транзисторов). Методика расчета выходного каскада основана на использовании графоаналитических способов расчета параметров по входным и выходным характеристикам транзисторов.

Амплитуду напряжения на нагрузке определяем по заданным параметрам нагрузки:

;                                              

Ориентировочное напряжение питания  оконечного каскада определяем по условию:

.                                          

где – начальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора – это напряжение, при котором на выходных характеристиках транзистора наблюдается заметное увеличение угла наклона. Примем , тогда . Принимаем , т. к. при напряжении питания 18 значение напряжения , уточненное по выходной характеристике, окажется примерно равным .

Рассчитываем допустимую мощность рассеивания на коллекторе транзистора:

;    

.

Максимальную амплитуду входного тока определяем из соотношения:

,                                                 

где – амплитуда тока в сопротивлении нагрузки.

Максимально допустимая амплитуда  напряжения между коллектором и  эмиттером транзистора должна быть не менее половины напряжения питания:

.       

 

 

Рисунок 1 – Транзистор КТ644А

 

 

 

Рисунок 2 – Транзистор КТ645А

 

 

Имея значения , , , по справочнику подбираем комплементарную пару транзисторов КТ644А (Рисунок 1) и КТ645А(Рисунок 2), имеющих следующие параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером при Т=298 К не менее 40, при Т=233 К – не менее 30;
2. Постоянное напряжение коллектор – эмиттер 50 В;
3. Постоянный ток коллектора 0,6 А;
4. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом 1 Вт.

Для дальнейших расчетов строим семейство  выходных и входную характеристику транзистора. На графике выходных характеристик строим нагрузочную линию согласно уравнению баланса напряжений:

,                                             

где – ток коллектора транзистора;                                                                           – напряжение на коллекторе.

Уравнение баланса напряжений справедливо для цепи транзистора, если пренебречь сопротивлением разделительного конденсатора С6.

Далее на оси коллекторного тока откладываем значение и находим точку пересечения линии нагрузки с горизонтальной линией, проведенной на уровне (точка а). Через эту точку проходит выходная характеристика с максимальным током базы, обеспечивающим достижение амплитуды тока нагрузки . По положению точки а уточняем значение и проверяем выполнение условия .

По точкам пересечения нагрузочной  линии с выходными характеристиками определяем значения тока базы и тока коллектора, соответствующие этим точкам (точки а, b, c, d). Используя входную характеристику выбранного транзистора, по значениям тока базы определяем соответствующие значения входного напряжения . Полученные данные заносим в таблицу 1.

По полученным данным строим сквозную характеристику транзистора  .

Таблица 1 

	a	b	c	d
Uкэ, В	2	3,2	4,8	7,2
Iк, А	1,2	0,95	0,78	0,4
IБ, мА	0,02	0,015	0,01	0,005
Uбэ, В	0,95	0,93	0,87	0,8

На входной  характеристике исходная рабочая точка  характеризуется параметрами , . По построенной сквозной характеристике, откладывая значение , определяем:

, а по нему (по входной  характеристике) – значение тока  базы  , соответствующее амплитуде тока в нагрузке.

Определяем усредненное значение крутизны сквозной характеристики:

;                                                  

.

Поскольку в схеме эмиттерного  повторителя существует внутренняя обратная связь, определим ее глубину:

;                                                

.

Входная проводимость транзистора:

;                                                

.

Тогда входное сопротивление  каскада с учетом отрицательной  обратной связи определяем по выражению:

,                                           

где – эквивалентное сопротивление делителя, составленного из резисторов R7 и R8.

Примем ток делителя .

Рисунок 3 – Диод КД509А