Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе

1

RН + ––––

j(C2

где

URк = iК RК = (SU1 – iн) RК(

Подставим это выражение в предыдущее и после несложных преобразований

получим

j(C2 S RК

Iн = ––––––––––––––––– U1(

j(C2 (RК + RН) + 1

Теперь серией последовательных шагов найдем UВХ в зависимости от U1(

напрэжение на RЭ

IЭ S U1 + gвх U1

URэ = ––– = ––––––––––––(

gЭ 1

j(CЭ + –––

RЭ

напряжение на Rдел

S + gвх

URдел = U1 + URэ = U1 + –––––––––––– U1(

1

j(CЭ + –––

RЭ

ток делителя

iдел = URдел / Rдел

входной ток каскада

iвх = U1 gвх + iдел

теперь

iвх

Uвх = ––––– + URдел (

j(C2

откуда после подстановок iвх( URдел и серии преобразований получаем

[1 + j(RЭСЭ + (S + gвх) RЭ] (1 + j(C1 Rдел)

gвх + ––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Rдел (1 + j(RЭСЭ)

Uвх = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– U1(

j(C1

Наконец( подставляем найденные Uвх и IН RН в формулу для КU( а затем(

перейдя к численным значениям номиналов элементов и упростив полученное

выражение( найдем модуль К в следующем виде(

_______________

КU = ( (a2 + b2) / (c2 + d2) (

здесь

a = –0(11 (2(

b = –0(19 (3(

c = 137(3 – 1(56 (2(

d = 73(9 ( – 0(0014 (3(

График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис(7(8(9

приложения 1(

Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на средних (( = 10000 (((

100000 рад/с) частотах представлена на рис(5 приложения 1(

Коэффициент усиления каскада по напряжению

UН

KU = –––– (

UВХ

где

UН = S UВХ (RК || RН)(

Подставляя последнее выражение в формулу для КU( получим

S RК RН

KU = –––––––– = 140(

RК + RН

Таким образом( мы видим( что на средних частотах заданного диапазона

коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты и равен 140(

График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис(10 приложения

1(

Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на высоких (( = 105 (((

4(107 рад/с) частотах представлена на рис(6 приложения 1(

Коэффициент усиления каскада по напряжению

UН

KU = –––– (

UВХ

Ток в цепи коллектора

h21Э I1 = iCвых + iRк + iRн + iCн (

или

h21Э I1 = UН (gCвых + gRк + gRн + gCн)(

откуда

h21Э I1

UН = ––––––––––––––––––– (

gCвых + gRк + gRн + gCн

Здесь ток I1 можно представить в виде

I1 = UВХ gвх (

а( следоваательно(

h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––– (

gCвых + gRк + gRн + gCн

Здесь

gCвых + gCн = j( (Cвых + Сн)(

где Cвых = СК = 7 пф( а Сн = 50 пф(

1

gн = –– (

RН

следовательно

h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––––––– (

1 1

j( (Cвых + Сн) + –– + ––

RН RК

Подставляя численные значения номиналов и находя модуль коэффициента

усиления( имеем

________

КU = a /( (b2 + c2) (

где

а = 320(

b = 2.29(

c = 0.57 ( 107 ((

Из полученного выражения легко видеть( что при увеличении частоты

коэффициент усиления падает( что и изображено на рис 11(12 приложения 1

(АЧХ каскада на высоких частотах)(

Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции

Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора

транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L(

В нашем случае необходимо ввести L = 0(01 мГн(

Схема такого каскада представлена на рис(1 приложения 2(

Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом

аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см( п( 2(2)(

за исключением того( что в выражение для проводимости коллекторной ветви

схемы будет входить кроме RК также еще и сопротивление дросселя( зависящее

от частоты( j(L(

Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис(2

приложения 2(

Итак( коэффициент усиления каскада по напряжению

h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––– (

gCвых + gRк + gRн + gCн

Здесь

gCвых + gCн = j( (Cвых + Сн)(

где Cвых = СК = 7 пф( а Сн = 50 пф(

1

gн = –– (

RН

а

1

gк = –––––––––(

RК + j(L

Подставляя выражения для проводимостей в выражение дла КU( а затем

приведя получившееся выражение к стандартному виду( имеем(

h21Э gвх

KU = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––(

j [( (Cвых + Сн) – (L / (RК2 + (2 L2)] + 1 / RН + RК / (RК2 +

(2 L2)

Отсюда( подставив значения констант и упростив полученне выражение(

найдем модуль коэффициента усиления каскада по напряжению в виде

________

КU = a /( (b2 + c2) (

где

а = 320 ( 10–3(

1

b = 3(33 ( 10–4 + ––––––––––––––––––––(

510 + 1(96 ( 10–13(2

10–5(

с = 4 ( 10–10( – –––––––––––––––––(

2(6 ( 10–5 +10–10(2

Полученная зависимость коэффициента усиления от частоты представлена

на одном рисунке (рис(3(4 приложения 2) с АЧХ каскада без коррекции(

Рисунок наглядно показывает преимущества каскада с коррекцией перед

каскадом без коррекции – АЧХ каскада остается линейной далеко за пределами

заданной верхней граничной частоты(

Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения

компенсационного типа

Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое

постоянное напряжение питания( Так как для реализации этого условия

простого выпрямителя переменного напряжения недестаточно( между последним и

усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения( который сглаживает

пульсации напряжения питания( тем самым обеспечивая корректную работу

усилительного устройства(

Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый

делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и

регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме.

Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и

возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и

воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы

выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения

приведена на рис(1 приложения 3(

Исходные параметры стабилизатора следующие(

– нестабильность входного напряжения

aвх(((((((((((((((((((((((((((((((((((0(15

– нестабильность выходного напряжения

авых(((((((((((((((((((((((((((((((0(001

– выходное напряжение Uвых(

В(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((12

Максимальный выходной ток Iвых есть сумма токов делителя и коллектора(

т(е(

EК

Iвых = Iдел + IК0 = ––––––– + IК0 = 8(4 мА(

R1 + R2

или( с запасом(

Iвых = 10 мА(

Входное напряжение стабилизатора выберем из условия

Uвх – (Uвх > Uвых + (Uвых (

или

Uвх (1 – aвх) > Uвых (1 + авых)(

или( подставив числа(

Uвх > 14(2 В(

Выберем значение входного напряжения с запасом(

Uвх = 18 В(

Далее( максимальное напряжение эмиттер-коллектор транзистора VT1

UКЭ1макс = Uвх + (Uвх – Uвых + (Uвых = 8(7 В(

Выберем транзистор VT1 таким же( как и транзистор усилителя: КТ315Б(

Для него

UКЭ1макс = 8(7 В < UКЭ макс доп = 25 В(

а

IК1 ( Iн макс = 10мА < IК доп = 100мА(

Выберем опорный стабилитрон из соображений( что напряжение на нем

должно быть меньше минимального выходного напряжения стабилизатора:

Uоп < Uвых – (Uвых (

Выбираем стабилитрон КС168А( т(к( его опорное напряжение – 6(8 В –

удовлетворяет поставленному условию( Теперь выберем транзистор VT2(

задавшись максимальным напряжением коллектор-эмиттер(

UКЭ2макс = Uвых макс – Uоп = Uвых + (Uвых – Uоп = 5(2 В(

Из соображений технологической простоты и стоимости выберем транзистор

таким же( как и предыдущий – КТ315Б – так как он удовлетворяет

поставленному условию(

Номиналиный ток стабилитрона Iст( ном = 20мА( Зададимся IЭ2 = 10 мА(

тогда

| Uвых – Uоп |

R2 = –––––––––––– = 0(51 кОм(

Iст( ном – IЭ2

а

| Uвх – Uн макс|

R1 = ––––––––––––– = 0(6 кОм(

IБ1 макс – IК2

Здесь

Iн макс

IБ1 макс = ––––––– = 0(2 мА(

(1 + 1

Теперь рассчитаем сопротивления делителя R3R4R5 (

| Uвых мин – Uоп |

R3 = ––––––––––––– = 1(8 кОм(

Iдел

где

IК2

Iдел = 15(((20 ––– = 3мА;

(2

далее(

| Uвых макс – Uоп |

R4 = ––––––––––––– = 1(8 кОм(

Iдел

а

| Uоп |

R5 = –––––––– = 1(8 кОм(

Iдел

Расчет выпрямителя

Выпрямитель источника напряжения строится по схеме, и изображенной на

рис. 2 приложения 3. Трансформатор Т понижает напряжение сети до 18 В,

диоды V1-V4, включенные по мостовой схеме, выпрямляют это напряжение, а

конденсатор фильтра Cф сглаживает его пульсации.

Нагрузкой выпрямителя является стабилизатор напряжения питания

усилителя( отсюда имеем исходные параметры для расчета выпрямителя(

Uн = 18 В(

Iн макс = 0(1 А(

Далее( зная ток нагрузки, определяем максимальный ток, текущий через

каждый диод выпрямительного моста:

IVD = 0.5 ( А ( Iн max = 0(12 А

Здесь А ~ 2.4(

Т. о., для выпрямителя можно использовать диоды серий Д7, Д226, Д229 с

любыми буквенными обозначениями, поскольку их средний выпрямленный ток и

обратное напряжение значительно больше расчетных.

Выбираем диоды Д226Б.

Обратное напряжение диодов должно быть в 1.5 раза больше напряжения

источника питания:

Uобр = 1.5 ( Uн = 27 В

Емкость фильтрующего конденсатора определяют по формуле:

Iн

Сф = 3200 ( ––––––––– [мкФ](

(Uн ( Kп )

где Kп – коэффициент пульсаций выпрямленого напряжения – обычно

берется равным 0(01( откуда

Сф = 2000 мкФ(

Номинальное напряжения конденсатора Сф берем равным 25В.

Теперь произведем электрический расчет трансформатора блока питания(

Габаритная мощность трансформатора

PГ = UН IН / (= 2(25 Вт(

Здесь ( = 0(8 – коэффициент полезного действия трансформатора( Им мы

задаемся(

Далее( площадь сечения сердечника составит

–––

S = 1(2( PГ = 1(8 см(

Легко видеть( что в данном случае имеет смысл использовать

магнитопровод с минимальной площадью сечения сердечника( поэтому принимаем

магнитопровод УШ15x15 (площадь поперечного сечения принимается равной 2,25

см2).

Далее( рассчитываем число витков на 1 вольт(

k

n = –– = 18(

S

где k берется равным 40( Теперь число витков первичной обмотки

WI = UI ( n = 3960(

а вторичной

WII = UI ( n = 324(

Ток первичной обмотки

PГ

II = ––– = 8(2 мА(

UI

Выберем для обеих обмоток провод ПЭВ-2( Диаметр провода первичной

обмотки

––

dI = p( II = 0(06 мм(

где p = 0(69 для выбранного типа провода( Диаметр провода вторичной

обмотки

––

dII = p( III = 0(1 мм(

Таким образом( для первичной и вторичной обмоток трансформатора можно

использовать провод диаметром 0,1…0,12 мм(

Заключение

В результате выполнения курсового задания я разобрался в принципах

работы усилителя электрических сигналов( научился рассчитывать резисторный

каскад предварительного усиления, частотные характеристики такого каскада(

а также транзисторный стабилизатор напряжения.

Список литературы

1( Бурин Л. И., Васильев В. П., Каганов В. И. под редакцией Линде Д.

П. Справочник по радиоэлектронным устройствам; том 2. – М.: Энергия. 1978.

–440 с.

2( Гершунский Б. С. Расчет основных электронных и полупроводниковых

схем на транзисторах. – К.: Изд. Киев ун-та. 1968. –422 с.

3( Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники, 2-е издание,

переработанное. – М.-Л.: Энергия. 1965. –480 с.

4( Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам; 8-е

издание, переработаное. – К: Техніка. 1977. –376 с.

5( Редзько К. В., Досычев А. Л. Сборник задач и упражнений по

радиоприемным устройствам. – М.: Высшая школа. 1981. –296 с.

6( Скаржепа В. А., Новацкий А. А., Сенько В. И. Электроника и

микроэлектроника: лабораторный практикум. – К.: Высшая школа. 1989. –297 с.

7( Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-

усилительные устройства: Справочник радиолюбителя, 4-е издание,

стереотипное. – К.: Наукова думка 1989. –800 с.

8( Терещук Р. М., Терещук К. М., Чаплинский А. Б., Фукс Л. Б., Седов

С. А. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя, 3-е

издание, переработанное и дополненое. – К.: Наукова думка. 1975. –600 с.

9( Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Графическое

изображение электрических схем: Справочник. – К.: Техника. 1986. –120 с.

10( Цыкин Г. С. Электронные усилители, 3-е издание, дополненое. – М.:

Связь. 1965. –512 с.

11( Цыкина А. В. Усилители. – М.: Связь. 1972. –360 с.

12. Беляев С.В., Кабызев Г.Н. Усилительные устройства. –М.: МВГУ,

1977, - 98 с.

13. Фишер Дж.Э., Гетланд Х.Б. Электроника от теории к практике. - М.:

Энергия, 1980, - 398 с.

14. Борисов В.Г. Кружок радиотехнического конструирования. - М.:

Просвещение, 1990, - 224 с.

15. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, -

488 с.

16. Скаржепа В.А. и др. Электроника и микросхемотехника. Лабораторный

практикум. - К.: Вища школа, 1989, - 279 с.

Страницы: 1, 2