Усилитель низкочастотной части радиовещательного приемника.

Введение
Усилитель низкочастотной части радиовещательного приемника.
Имеется в виду транзисторный радиовещательный приемник второго класса,
питаемый от гальванических элементов. Номинальное входное напряжение и
внутреннее сопротивление источника сигналов определяются данными
детекторного каскада приемника. Указанные особенности усилителей
различного назначения должны быть учтены при выборе технических
решений.
По заданным требованиям получить выходную мощность 1,45 Вт.
Необходимо использовать двухтактный оконечный каскад, который является
усилителем мощности и в нагрузку выделит ту мощность, которую
необходимо иметь по расчету.
Для возбуждения оконечного каскада необходим предоконечный
каскад, который на своем выходе обеспечит сигнал необходимой амплитуды
и мощности для возбуждения оконечного каскада.
Для того чтобы усилить сигнал от детектора приемника, необходим
каскад
предварительного
усиления,
обладающий
значительным
коэффициентом усиления по напряжению.
Для того чтобы обеспечить указанный в техническом задании
коэффициент гармоник усилителя, все каскады усилителя необходимо
охватить общей петлей отрицательной обратной связи по напряжению
последовательного типа. Для согласования
сопротивления источника
сигналов с входом усилителя необходимо предусмотреть входную цепь.
Таким образом, структурная схема рассчитываемого усилителя будет
иметь вид:
Сф Rф Е=2Ек
1. Расчет оконечного каскада
В оконечном каскаде будем использовать современную схему, а
именно двухтактный оконечный каскад на составных транзис-торах.
В связи с тем, что наиболее экономичным режимом усилителя,
обеспечивающим значительный КПД и в тоже время коэффициент гармоник
значительно меньше, чем в режиме В, транзисторы оконечного каскада будут
работать в режиме АВ.
Расчет оконечного каскада будем вести на одно плечо, так как
транзисторы в указанном режиме (глубокий режим АВ) работают
поочередно, а мощность в нагрузке выделяют непрерывно.
Начнем расчет оконечного каскада по семейству входных и выходных
характеристик мощного транзистора VT2 типа КТ816.
Общая схема оконечного и предоконечного каскадов
Rк
KT503
VT1
VD1
VD2
Rа
KT817
VT2
6V
Eк
Rб
6 Ом
Rэ
Rн
Rш
VD3
VT3 KT502
KT816
VT4
KT503
VTпок
Cвх
Rб
Rэ
Cэ
Rб
6V
Eк
каскад предконечный усилитель оконечный
1.1 Расчет оконечного каскада по выходным и входным цепям
В качестве мощных транзисторов VT2, VT4 используются транзисторы
типа КТ816 (КТ817), а в качестве маломощных-комплементарная пара КТ502
(КТ503).
Расчет по выходной цепи включает в себя следующие операции:
1.
Определение амплитуды коллекторного напряжения:
U2m  U2km  2  P2  R н  2 1,45  6  4,17 В
2.
Определение напряжения коллекторного питания одного плеча:
Eк  1,2 U 2 кm  U ост  1,2  4,17  1  6 В
При этом напряжение источника питания
E  2  Eк  2  6  12 В
3.
Расчет максимального импульса коллекторного тока
I к max 
U 2 кm 4,17

 0,695 А
Rн
6
4.
Определение исходного коллекторного тока с расчетом, что
транзисторы работают в режиме класса АВ, близком к В, то есть
I к 02  0,03  I k 2 max  0,03  0,695  0,02 А
Строим динамическую характеристику по точкам:
Для точки 0:
U кэ1 0  U кэ 02  U бэ02  5,17  0,67  4,5 В
I к1 0  1,2  I б 02  1,2 1  1,2 mA
Для точки 1:
U кэ1 1  U ocm  U бэmax 2  1  0,89  0,11 В
I к1 1  1,2  I б 2 max  1,2 12  14,4 mA
U кэ1 2  U кэ 2  U бэ2  2  0,85  1,15 В
I к1 2  1,2  I б 2  1,2  6  7,2 mA
Для точки 2:
Для точки 3:
U кэ1 3  U кэ 2  U бэ2  4  0,8  3,2 В
I к1 3  1,2  I б 2  1,2  4  4,8 mA
Далее на графиках входных и выходных характеристик транзисторов
графически
VT2, VT1
с помощью опорных
точек 0,1,2,3
строим
динамическую характеристику и определяем координаты точек.
I k 2 max 1  0,695 A
I k 2 2   0,48 A
I k 2 3  0,2 A
I k 02 0   0,02 A
U ocm 1  1 B
U kэ 2 2   2 B
U kэ 2 3  4 B
U kэ02 0   5,17 B

2   7,5 mA
3   6 mA
0   1mA
1   0,89 В
2   0,85 B
3   0,8 B
0   0,67 B
I б 2 м ах 11  12 mA
Iб2
Iб2
Iб2
1
1
1
1
U бэм ах
U бэ2
1
U бэ2
1
U бэ2
1
5.
 
I 2   7,2 mA
I 3   4,8 mA
I 0   1,2 mA
U 1   0,11 B
U 2   1,15 B
U 3   3,2 B
U 0   4,5 B
1   0,23 mA
I
I 2   0,12 mA
I 3   0,1 mA
I 0   0,02 mA
1   0,68 В
U
U 2   0,64 В
U 3   0,62 В
U 0   0,51 В
I k1max 111  14,4 mA
11
k1
11
k1
11
k 01
11
kэ1
11
kэ1
11
kэ1
11
kэ1
111
б1 м ах
111
б1
111
б1
111
б 01
111
бэм ах
111
бэ1
111
бэ1
111
бэ01
Определение амплитуды напряжения на входе составного
транзистора:
Uвхсост = Uвхm = Uвхm1 = Uбm1 + Uбm2 + U2km =
=(Uбэмах1 – Uбэ01) + (Uбэмах2 – Uбэ02) + U2km =
= (0,68 – 0,51) + (0,89 – 0,67) + 4,17 = 4,56 В
6.
Ku 
7.
Расчет коэффициента передачи по напряжению:
U 2 km 4,17

 0,91
U в хm 4,56
Определение входного сопротивления составного транзис-тора
VT1-VT2:
Rвхсост 
U вхm
4,56

 22 кОм
I бm1 0,00021
Iбm1 = Iбmax – Iб01 = 0,23 – 0,02 = 0,21 мА
Входная мощность, необходимая для возбуждения оконечного каскада
на составных транзисторах:
Pвх  0,5  U вхm  I бm1  0,5  4,56  0,2110 3  0,479 мBт
8.
Кр 
9.
Расчет коэффициента усиления по мощности:
Р2
1,45

 3028 Раз
Р вх 0,479 10 3
Энергетические показатели оконечного каскада:
I кср  0,32  I к 2 мах  I ко   1 
 0,320,695  0,023,14  1  0,236 А
Р0  2 I кср  Ек  2  0,236  6  2,84 Вт
Коэффициент полезного действия:

Р2 1,45

 0,51
Р0 2,84
Определяем необходимое количество диодов в оконечном каскаде:
2U бэ01  U бэ02 2  0,51  0,67

 3,38  3 Диода
0,5
0,5
1.2 Расчет коэффициента гармоник оконечного каскада
Коэффициент
гармоник
оконечного
каскада рассчитывается
по
сквозной динамической характеристике
I k 2  F eист. 
Которая строиться на основе выходных и входных характеристик
транзисторов VT1 и VT2.
Находим ток покоя транзистора предоконечного каскада:
I копок  1,21 I бm1  1,21 0,2110 3  252 мкA
Поэтому принимаем его равным 1мА.
Находим сопротивление в цепи коллектора предоконечного каскада:
I копок  1 мА
Rкпок 
0,8  Ек 0,8  6

 4800 Ом
I копок
110 3
Исходя из формулы
eист.  U бэ1  U бэ2  I б1  Rкпок  I к 2  Rн
строим
таблицу
для
построения
сквозной
динамической
характеристики
точка 1
точка 2
точка 3
точка 0
Ik2*Rн, В
4,17
2,88
1,2
0,12
Iб1, мА
0,23
0,12
0,1
0,02
Iб1*Rкпок, В
1,104
0,576
0,48
0,096
Uбэ2, В
0,89
0,85
0,8
0,67
Uбэ1, В
0,68
0,64
0,62
0.51
Eист., В
6,85
4,95
3,1
1,4
Далее определяем
I к' 2  0,35 A
eист0,5 
eистм ах  eист0
6,85  1,4
 eист0 
 1,4  4,12 В
2
2
и по графику находим значение
График сквозной динамической характеристики:
А
0,8
0,7
0,695
0,6
0,5
0,48
0,4
0,35
0,3
0,2
0,2
0,1
0
-0,1 0
0,02
0
1,4
3,1
4,12
4,95
6,85В
Для расчета коэффициента гармоник используем метод пяти орди-нат.
Пять значений коллекторного тока определяются, исходя из токов
транзистора VT2 на основе следующих выражений:
I к max  I к 2 max 1  b 
I к1  I к' 2 1  b 
I к 0  2bI ко 2
I к 2   I к' 2 1  b 
I к 2 min   I к' 2 max 1  b 
Коэффициент асимметрии b=0,1 и характеризует степень различия
токов транзистора в плечах оконечного каскада
I 1m 
1
I k max  I k min  I k1  I k 2  
3
1
0,76  0,625  0,385  0,32  0,69 A
3
1
I 2 m  I k max  I k min  2 I k 0  
4
1
 0,76  0,625  2  0,004   0,03 A
4

Далее рассчитываются гармонические составляющие токов, делается
проверка и рассчитывается коэффициент гармоник
I к max  I к 2 max 1  b   0,695  1  0,1  0,76 A
I к1  I к' 2 1  b   0,35  1  0,1  0,385 A
I к 0  2bI ко 2  2  0,1 0,02  0,004 A
I к 2   I к' 2 1  b   0,35  1  0,1  0,32 A
I к 2 min   I к' 2 max 1  b   0,695  1  0,1  0,625 A
I 3m 


1
I k max  I k min  2I k1  I k 2  
6
1
0,76  0,625  20,385  0,32  0,004 A
6
1
I 4m 
I k max  I k min  4I k1  I k 2   6  I k 0 
12
1
 0,76  0,625  40,385  0,32   6  0,004  0,008 A
12
1
I kсс  I k max  I k min  2I k1  I k 2  
6
1
 0,76  0,625  20,385  0,32   0,044 A
6
I1m  I 2 m  I 3m  I 4 m  I kсс 





 0,69  0,03  0,004  0,008  0,044  0,752  0,76 A
Kг 
0,032  0,004 2  0,0082
 100  4,54 %
0,69
2. Расчет предоконечного каскада
Сопротивление эмиттера рассчитывается как
По справочнику определяем для транзистора КТ 502А параметр
rэ 
0,026 0,026

 26 Ом
I копок 0,001
  h21э  50
Находим коэффициент усиления по току
h21б   

1 

50
 0,98
1  50
Находим сопротивление базы для кремниевых транзисторов
rб 

30 103
0,98
30 103



 742 Ом
1 2
103
1  0,982
103
Входное сопротивление транзистора ПОК
Rвхтрпок  rб  rэ   1  742  26(50  1)  2068 Ом
Находим сопротивление коллекторной нагрузки ПОК по пере-менному
току
S 1
5 1
 Rэпок  rб 
1200  742  4580 Ом
S
5
1
1
 1
50  1
0,2  Eк 0,2  6


 1200 Ом
0,001
0,001
Rделпок 
Rэпок
Входное сопротивление предоконечного каскада
Rвхпок 
Rделпок  Rвхтрпок
Rделпок  Rвхтрпок

4591 2068
 1425 Ом
4591  2068
S 1
5 1
 Rэпок  rб 
1200  742  4580 Ом
S
5
1
1
 1
50  1
0,2  Eк 0,2  6


 1200 Ом
0,001
0,001
Rделпок 
Rэпок
Найдем номиналы делителя напряжения ПОК:
Ra 
Ek
6
Rделпок 
 4580  13740 Ом
U бэ0  I ко Rэ
0,8  0,0011200
U бэ0  0,8 В
находим по справочнику.
Rб 
Rа Rделпок
13740  4580

 6870 Ом
Rа  Rделпок 13740  4580
Глубина ОС, образуемой резистором Rэ:
fэ  fн
  1
н 2
)
с
0,9 2
)
0,95
 40
 0,45

0,9 2
30 2 (
) 1
 2 ( н )2 1
0,95
с
1 (
1 (
Rэ (   1)
1200(50  1)
 1
 30
rб  rэ (   1)
742  26(50  1)
Находим эмиттерную емкость транзистора ПОК:
Сэ 
106
106

 295 мкФ
2f э Rэ 2  0,45 1200
Находим
переходную
емкость
между
предоконечным
и
ПОК
каскадами:
Сс 
106
1
2f н ( Rвхпок  Rвыхпр ) 2
 с 1
Расчет
предоконечного

106
1
2  40(1425  15435)
0,952  1
каскада
завершается
 0,7 мкФ
определением
коэффициента усиления по напряжению и амплитуды напряжения на входе
ПОК
К uппо  
U вхпок 
Rк
3940
 50 
 138 раз.
Rвхпок
1426
U вхт 4,56

 0,033 В
К uппо 138
3. Расчет каскада предварительного усиления
Схема каскада предварительного усиления
Екопр=12В
Rс
VT Cс
Cс
Rз
Rи
Cи
Предварительное
усиление
осуществляет
резисторный
каскад,
представляющий собой простейший каскад с широкой полосой равно
усиливаемых частот. В качестве каскада предварительного усиления
низкочастотной
части
радиовещательного
приемника
для
получения
высокого входного сопротивления около 2 МОм целесообразно использовать
каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. При
этом каскад имеет коэффициент усиления по напряжению порядка до 10 раз.
В целях снижения шумов следует выбирать транзистор с управляющим p-n
переходом как имеющий малый коэффициент шума - КП 103.
По справочным данным найдем его характеристики и рассчитаем
параметры схемы.
Сопротивление нагрузки каскада:
Rн 
U зи 1,5

 1500 Ом
I со 10 3
Сопротивление в цепи истока:
Rc 
Eкопр  U си  I со Rн
I со

12  6  10 3 1500
 4500 Ом
10 3
Коэффициент усиления каскада по напряжению в пределах рабочих
частот:
К u  S  Rc   6 10 3 1083  6,5 раз.
Где S=6 мА/В - статическая крутизна транзистора по току из
справочника, а
Rc  
Rс  Rв хсл 4500  1426

 1083 Ом
Rс  Rв хсл 4500  1426
Где R вхсл – входное сопротивление предоконечного каскада.
В указанных частотных пределах входное сопротивление каскада равно
сопротивлению затвора, а его выходное сопротивление равно сопротивлению
стока.
Температурная
стабилизация
вследствие
относительно
малой
температурной зависимости тока Iсо, а также ввиду некритичности
положения исходной рабочей точки в каскаде с малыми амплитудами
напряжений и токов сигнала может не предусматриваться.
Сопротивление в цепи истока:
Си 
106
106

 118 мкФ
2f э Rи 2  0,45  3000
Находим емкость в цепи транзистора каскада предварительного
усиления:
Rи 
0,3Екопр
I ко

0,3 10
 3 кОм
0,001
Находим входную емкость между входными цепями и каскадом
предварительного усиления:
Свх 
106
1
2f н ( Rист  Rвхпр ) 2
 с 1

106
1
2  40(58 10  2 10 )
0,952  1
3
6
 6 нФ
4. Выбор глубины обратной связи и расчет ее цепи
Для определения требуемой глубины обратной связи на средних
частотах обычно используется следующая формула:
A
Кг
 1  10  К г 
'
Кг
Отсюда если подставить в формулу для А коэффициенты гармоник в
долях единицы, то получим:
A
Кг
0.0642
1  10  0.0642  4,22
 1  10  К г  
'
0.025
Кг
Далее принимаем А=5, тк при глубине ООС, меньшей 5, связь не
эффективна.
Как известно для улучшения параметров усилителя применяют общую
обратную связь, охватывающую все каскады.
Поскольку режим работы громкоговорителей, представляющих собой
нагрузку рассматриваемых усилителей звуковых частот, определяется
подводимым к ним напряжением, следует применять ООС по напряжению,
стабилизирующую выходное напряжение усилителя при изменениях его
сопротивления нагрузки и снижающую вносимые усилителем искажения
этого напряжения.
Цепь общей ОС по напряжению представляет собой обычно активный
делитель, подключенный параллельно сопротивлению нагрузки усилителя
или параллельно какой-либо другой цепи с напряжением, пропорциональным
выходному напряжению усилителя.
Расчет цепи общей ООС выполняется следующим образом:
Находим требуемый коэффициент передачи цепи обратной связи:
В
А 1 5 1

 4,9 10 3
К
816
К  К u ок  К u пок  К u пр  0,91138  6,5  816 раз.
Общее сопротивление делителя:
Rдел ос  50 Rн  50  6  300 Ом
Далее рассчитываем:
Rос 2  ВRдел ос  4,9 10 3  300  1,5 Ом
Rос1  Rдел ос  Rос 2  300  1,5  299 Ом
Схема последовательного введения общей ООС и фильтра во входную
цепь первого каскада усилителя
Екопр=12 В
Cф
Rф
Rс
VT
Rист
Cс
Cвх
Еист
Cи
Rз
Rи
Rос2
Двухтактный
оконечный
каскад
Rн
Rос1
Title
{Title}
Size
Document Number
A3 {Doc}
Date:
Sheet
Friday, January 25,
2002
1
5. Расчет входной цепи усилителя
Основным видом входной цепи усилителя звуковых частот является
простейшая несимметричная входная цепь, представляющая собой по
существу конденсатор, связывающий источник сигналов с входным каскадом
усилителя по переменному току и разделяющий их цепи по постоянному.
Для резистивно-емкостной схемы входной цепи коэффициент передачи
по напряжению:
Кu вх 
Rвх' ос
Rист  Rвх' ос

2 106
 0,97
58 103  2 106
6. Проверка чувствительности усилителя
Целью проверки чувствительности усилителя является установления
справедливости неравенства
U ист  U вхмос
Указанные напряжения рассчитываются по формулам:
U ист  1,41 К u вх  Еист  1,41 0,97  50 10 3  0,068
U вхок
4,17

 0,005 В
К
816
U вхм ос  А  U вхм  5  0,005  0,025 В
U вхм 
Из приведенных выше формул видно, что
U ист 0,068 В   U вхмос0,025 В 
Амплитуда
напряжения,
которое
необходимо
подать
на
вход
транзистора первого каскада усилителя с учетом действия общей ОС, чтобы
получить на его выходе номинальную расчетную мощность должно быть
меньше, чем амплитуда напряжения, выделяемая источником сигналов на
входном сопротивлении усилителя.
Размещено на Allbest.ru