Реферат: Підсилювач потужності
Міністерство транспорту та зв’язку України
Українська Державна Академія Залізничного Транспорту
Кафедра “Транспортний зв’язок”
ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ
Пояснювальна записка курсового проекту
з дисципліни “Електроніка та мікросхемотехніка”
Харків
2008
Зміст
Вступ
1 Попередній розрахунок підсилювача
1.1 Типова структурна схема підсилювача
1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду
1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів
1.4 Розподіл спотворень по каскадах
2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду
2.1 Розрахунок схеми на комплементарних транзисторах
2.2 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах
3 Розрахунок вхідного і проміжного каскадів
3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму
3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ
3.3 Розрахунок каскадів на мікросхемах
4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ
4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача
4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача
Висновок
Список літератури
Вступ
У наш час однією із самих швидко розвиваючих і перспективних галузей науки та техніки є електроніка. Зараз практично неможливо знайти яку-небудь галузь промисловості у якій би не використовувалися електронні вимірювальні прилади, пристрої автоматики й обчислювальної техніки. Але всього цього не було б без винаходу напівпровідних пристроїв, у тому числі транзисторів і діодів, які є тими елементарними цеглинками, з яких і будується сучасний будинок електроніки. Спочатку, транзистор був розроблений саме як підсилювальний прилад, покликаний замінити громіздкі електронні лампи, а вже пізніше став використовуватись як основний елемент логічних схем. З тих пір практично всі електронні підсилювачі виконуються на основі транзисторів.
Пристрій, призначенний для підсилення вхідного сигналу за рахунок енергії джерел живлення називається підсилювачем. Важливим типом підсилювача є підсилювач потужності. Будучи або самостійними пристроями, або частиною більш складних апаратів, підсилювачі знайшли широке застосування в радіомовленні, звуковому кіно, техніці звукозапису, телебаченні, радіолокації й радіонавігації, ядерній фізиці, медицині й біології, системах автоматики й т.д. У даному курсовому проекті зроблений розрахунок підсилювача потужності на транзисторах і мікросхемі.
1 Попередній розрахунок підсилювача
Типова структурна схема підсилювача
Як вхідний каскад підсилювача використовують резистивний підсилювач на мікросхемі ОП. З метою одержання основного підсилення сигналу, яке здійснюється проміжним каскадом, використовують схему на транзисторі за схемою ЗЕ, отже саме він володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення.
З метою забезпечення в навантаженні />необхідної потужності />, в якості вихідного каскаду підсилювача використовуємо безтрансформаторну двотактну схему, яка володіє малими габаритами і широким діапазоном частот.
/>/>
Рисунок 1.1 Типова структурна схема підсилювача
1.2 Попередній розрахунок вихідного каскаду
За відомою потужністю на виході />=8 Вт і опором навантаження />=4 Ом визначають амплітуду напруги на виході:
/>/>
Розраховуються необхідні коефіцієнти підсилення за напругою і потужністю:
/>;
/>;
де/>,/>— ЕРС і внутрішній опір джерела сигналу;
/>— потужність на вході підсилювача при вхідному опорі />.
Так як напруга джерела живлення />не задана, то її необхідно визначити зі співвідношення:
/>,
де />, n=1, />;
/>напруга насичення транзистора (0,5… 2 В);
/> амплітуда напруги сигналу на виході;
--PAGE_BREAK--/>(3…5)В- запас напруги, що враховує температурну нестабільність каскаду.
/>В
/>
/>В
З ряду номінальних джерел вибираємо двополярне джерело живлення:
/>В />В />В.
Вибираємо схему каскаду за вихідною потужністю:
Вихідна потужність – більше 1…5 Вт,
Режим транзисторів – В,
Схема каскаду-двотактний без трансформаторний каскад з ЗЕ на складених транзисторах.
Транзистори для вихідного каскаду вибираються за потужністю розсіювання на колекторі при максимальній робочій температурі, за максимальними величинами напруги і струму, а також за верхньою робочою частотою.
Якщо підсилювач забезпечує в навантаженні потужність />, то орієнтовне значення потужності, що розсіюється на колекторі, буде дорівнювати:
/>Вт
де, />— для без трансформаторного каскаду;
/>— коефіцієнт використання транзистора;
/>— коефіцієнт, що враховує тип схеми ( двотактна ).
Для забезпечення надійної роботи підсилювача потужність повинна бути менше граничної потужності розсіювання транзистора при максимальній температурі навколишнього середовища />
Вибір транзистора вихідного каскаду проведемо відповідно до наступних умов:
/>
/>
/> Вт
Визначимо максимально допустиму напругу:
/> В
Гранична частота підсилення струму транзистора в схемі з ЗЕ />в обраного транзистора повинна задовольняти умові:
/>
/> Гц
Транзистор повинен забезпечити в навантаженні амплітуду струму:
/> А
Максимальний припустимий струм колектора />повинен задовольняти умові:
/>
/> А
Обраний транзистор КТ817А задовольняє умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.1 Параметри транзистора КТ817А
Тип
Структура
/>МГц
Макс. доп. Параметри
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
Ркмакст, Вт
Iк, А
Uкэ, В
1
2
3
4
5
6
7
КТ817А
n-р-n
3
25
3
25
2
Перевіримо умову:
/>Гц
Для схеми на складених транзисторах, крім вихідного транзистора, необхідно вибрати комплементарну пару, що задовольняє наступним умовам:
1) />Вт
2) />А
3) />В
4) />Гц
Обрані транзисториГТ402А, ГТ404А задовольняють умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.2 Параметри транзисторів ГТ402А, ГТ404А
Тип
Структура
/>МГц
Макс. доп. Параметри
/>
Ркмакст, Вт
Iк, А
Uкэ, В
1
2
3
4
5
6
7
ГТ402А
р-n-р
1
4
0,5
25
30
ГТ404А
n-р-n
Перевіримо умову:
/> Гц
/>
На вихідних характеристиках транзистора будується лінія навантаження, що проходить через точки “P” – ( />/b; 0 ) і “M” – (/>/b-/>; />), де b=2- для без трансформаторної схеми. Точки:“P” (12;0) “M”(4;2).
Рисунок 2. Вхідні та вихідні характеристики транзистора КТ817А
За амплітудою базового струму за допомогою вхідної характеристики визначається амплітуда вхідної напруги />=1,1-0,65=0,45В, а за ними — вхідний опір вихідного каскаду />Ом і величина ЕРС передкінцевого каскаду з вихідним опором />Ом
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
/>В
Коефіцієнт підсилення кінцевого каскаду за потужністю орієнтовано визначається за формулою:
/>;
Орієнтовано коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою дорівнює:
/>;
1.3 Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів
Попередній розрахунок вхідного і проміжного каскадів полягає у визначенні числа каскадів, типів і схем включення транзисторів чи мікросхем.
Амплітуда вхідної напруги і струму кінцевого каскаду:
/>В
Для передкінцевого каскаду вибирається транзистор з потужністю, яка розсіюється на колекторі ( стоці ),
/>
/>
/>Вт,
і максимально припустимим струмом колектора ( стоку ),
/>
/>А
і максимально допустимою напругою колектор емітер:
/>В
Обраний транзистор КТ815В задовольняє умовам, які наведені вище.
Таблиця 1.3 Параметри транзистора КТ815А
Тип
Структура
/>МГц
Макс. доп. Параметри
/>
Ркмакст, Вт
Iк, А
Uкэ, В
1
2
3
4
5
6
7
КТ815В
n-p-n
3
1
1,5
60
40
Перевіримо умову:
/> Гц
Коефіцієнти підсилення проміжного каскаду по потужності та напрузі:
/>
Амплітуда вхідного струму передкінцевого каскаду:
/> А
Амплітуда вхідної напруги передкінцевого каскаду:
/> В
Вхідний опір передкінцевого каскаду:
/> Ом
/>
Рисунок 3.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ815В
Мікросхеми для вхідного і проміжного каскадів вибирають за величинами вхідного струму, напруги й опору наступного каскаду. У використовуваної мікросхеми припустимий опір навантаження повинен бути менше, а величини максимальної вихідної напруги і струму (/>і />)- більше відповідних вхідних величин наступного каскаду.
Умови вибору мікросхеми:
/>
Параметри обраної мікросхеми представлені в таблиці 1.4
Таблиця 1.4 Параметри мікросхеми КР140УД1
Тип
Коефіцієнт підсилення, тис
Частота одиничного посилення, МГц
Швидкість наростання вихідної напруги, VВ/мкс
Максимальний струм, мА
Максимальна напруга, В
Мінімальний опір, кОм
Напруга живлення, В
Струм споживання, мА
Максимальна вхідна напруга, В
Вхідний опір, кОм
Вихідний опір, Ом
--PAGE_BREAK--
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
КР140УД1
2
5
0,5
3
6
1
12,6
8
1,5
300
100
Перевіримо умову вибору:
/> Гц
1.4 Розподіл спотворень по каскадах
Нелінійні спотворення цілком відносять на вихідних каскад. Щоб забезпечити малий рівень нелінійних спотворень у проміжних каскадах величини струму колектора і напруги колектор-емітер у робочій точці вибирають у 1,3…1,7 рази більше амплітуд перемінних складових струму і напруги.
Орієнтовно рівень нелінійних спотворень кінцевого каскаду можна оцінити за коефіцієнтами підсилення по струму в точках “P”, “M”.
/>/>,/>А,/>А,
/>,/>А,/>А,
/>,
/>;
/>%
Величина коефіцієнта нелінійних спотворень (КНС) />оцінюється за співвідношенням цих коефіцієнтів для двотактного каскаду з режимом В- вище приблизно в 1,5 рази.
/>< 2%
Отже місцевий НЗЗ не потрібний.
Лінійні спотворення в області нижніх частот вносяться розділовими і блокувальними конденсаторами, а також трансформаторами ( при їх наявності). Знаючи число і тип каскадів, можна визначити число елементів, що вносять спотворення, і сумарну величину спотворень:
/>дБ
/> дБ
Так як />, то не треба вводити НЗЗ.
Спотворення в області верхніх частот:
/> дБ,
/> дБ,
/> дБ;
де />.
Сумарна величина спотворень />(дБ) повинна бути менше припустимої />дБ.
0,24дБ < 2 дБ, отже НЗЗ не потрібний.
2 Вибір схеми і розрахунок кінцевого каскаду
2.1 Особливості розрахунку схеми на складених транзисторах
Схема простого двотактного безтрансформаторного підсилювача наведена на рисунку 4.
/>
Рисунок 4. Схема простого двотактового безтрансформаторного підсилювача
Складений транзистор у кінцевому каскаді, маючи високий вхідний опір, полегшує роботу передкінцевого каскаду і дозволяє одержати від нього велику амплітуду сигналу.
продолжение--PAGE_BREAK--
Методика розрахунку схеми на складених транзисторах цілком збігається з розрахунком простої схеми на комплементарних транзисторах. При цьому використовують параметри складеного транзистора, які можна визначити з наступних співвідношень:
/>
/>Ом
/>Ом
Номінальне значення R3=R4=33 Ом.
/>В
де />параметри транзисторів VT1, VT2;
/>параметри транзисторів VT3,VT4;
/>напруги зсуву транзисторів VT1 іVT3.
Розрахунок починається з визначення параметрів робочої точки: />В і />А для режиму В. На вихідних статичних характеристиках обраних транзисторів у координатах />будується лінія навантаження, що проходить через точки />і />-
(12;0)і (0;3);
/>
Рисунок 5.Вихідні та вхідні характеристики транзистора КТ817A
Знаючи необхідну амплітуду напруги в навантаженні />, визначаємо />В,
За допомогою вхідної статичної характеристики обраного транзистора, визначаємо:
/>А,
/>В, />В,
/>мА,
/>А,
/>В,/>/>В,
/>В,/>В,
/>мА;/>А,
/>В;
Постійний струм бази />визначається зі співвідношення:
/>А
Оцінюємо задану потужність:
/>
/>Вт
У схемі з ЗК діє місцевий НЗЗ, глибина якого:
/>,
де/>
/>
Резистори R1, R2 і діод VDставляться в схемі, якщо вихідний і перед кінцевий каскади розділені конденсатором. Тоді опори R1, R2 приймають однаковими з розрахунку:
/>,
де />
/>Ом
/>мА
Номінальне значення R1=R2=1200 Ом = 1,2 кОм
Розраховуємо потужність, що розсіюється:
/>Вт;
/>
Діод вибирають таким, щоб спадання напруги на ньому складало />В, при струмі />мА. Вибираємо два діода типу
Рисунок 6. ВАХ діода КД520
Вхідний опір дорівнює />, якщо ставиться дільник R1,VD,R2, де />Ом і />вхідний опір транзистора, обумовлений за вхідною характеристикою поблизу точки />.
/>Ом;
Амплітуда напруги вхідного сигналу дорівнює:
/>,
де />
/>В
І амплітуда вхідного струму дорівнює:
/>А = 17 мА;
продолжение--PAGE_BREAK--
Будуємо наскрізну динамічну характеристику транзистора />. При цьому необхідно враховувати, що для безтрансформаторного каскаду
/>, де />Ом.
Таблиця 1.5 Наскрізна динамічна характеристика
Точки
/>
/>
/>
/>
0,65
0,65
1
0,5
0,01
0,8
3,84
2
1
0,025
0,9
7,5
3
1,5
0,05
1,05
12,25
4
1,9
0,07
1,1
15,98
/> В,
/> В,
/> В,
/> В,
/> В;
/>
Рисунок 7. Наскрізна динамічна характеристика
За цією характеристикою визначають коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці />без обліку впливу НЗЗ.
/>
З урахуванням дії місцевого НЗЗ коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармониці />. Нелінійні спотворення по другій гармониці в двотактних схемах компенсуються тим краще, чим менше коефіцієнт асиметрії струму (Х) у плечах схеми. У залежності від точності застосовуваних елементів і розкиду параметрів транзисторів Х=0,1…0,5. Тоді />і, з обліком НЗЗ, />. Повний коефіцієнт гармонік дорівнює:
/>;
Ємність розділового конденсатора (при його наявності) визначається за припустимою величиною лінійних спотворень />(у відносних одиницях) на частоті />. Величина лінійних спотворень: />;
/>
/> мкФ
Номінальне значення — />мкФ.
Частотні спотворення на нижній граничній частоті будуть рівні:
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
/> дБ
Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті діапазону визначається виразом: />дБ.
3. Розрахунок вхідного і проміжного каскадів
3.1 Розрахунок каскаду по постійному струму
Вихідними даними для розрахунку є параметри наступного каскаду: амплітуда перемінної напруги />на вході і вхідний опір />.
Розрахунок проводиться в такому порядку. Визначаються параметри робочої точки транзистора, що задовольняє умовам:
/>
/> А = 21 мА;
/>
/>В;
Отримані значення округляємо до цілих значень: />мА та />В;
Визначається значення струму бази />:
/> А = 0,52 мА;
Постійна напруга />=0,7 В визначається за вхідною статичною характеристикою обраного транзистора і розрахованим струмом />. Опір резистора />визначається з умови:
/> , де />…0,2 для каскаду ЗЕ.
/> Ом;
Номінальне значення — />Ом.
Опір резистора />вибирається як менше з двох значень:
/> Ом,
/> Ом ,
/>
/> Ом
Номінальне значення />Ом = 0,5 кОм.
Фільтр />в схему включати не потрібно, так як />.
Резистори R1 і R2 визначаються за формулами:
/> , />Ом
/>Ом
/>
/> Ом,
де />=24 В – при відсутності фільтра.
/> вхідний опір транзистора, а значення />визначається за статичними вхідними характеристиками транзистора поблизу точки />.
продолжение--PAGE_BREAK--
Номінальні значення R1=1600 Ом, R2=240 Ом.
Для всіх резисторів розраховується потужність, що розсіюється:
/> Вт,
/> Вт,
/> Вт,
/> Вт;
3.2 Розрахунок резисторного каскаду з ЗЕ
Схема каскаду наведена на рисунку 8. Вихідними даними для розрахунку є амплітуда перемінної напруги />і вхідний опір />каскаду, що підключається до виходу даної схеми.
/>
Рисунок 8. Схема проміжного каскаду
Розрахунок по постійному струму проводиться за методикою розділу 3.1 Розрахунок по перемінному струму починається з визначення еквівалентному опору колекторного навантаження перемінному струму:
/>
/> Ом;
Вхідний опір каскаду перемінному струму дорівнює:
/>,
де />Ом, />вхідний опір транзистора.
/> Ом;
Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі визначається за формулою:
/>,
де />вихідна провідність транзистора, обумовлена за вихідними характеристиками поблизу робочої точки />.
/>см
Амплітудне значення вхідної напруги дорівнює:
/> В;
Вхідна потужність дорівнює:
/>Вт = 0,5 мВт;
Ємності конденсаторів визначають з нерівностей:
/>,
/>мкФ
Номінальне значення С2=20 мкФ.
/> ,
/> мкФ
Номінальне значення />мкФ, де
/>Ом;
/>;
/>Ом;
/> і />величини спотворень, внесених конденсаторами С2 і />, які виражені у відносних одиницях;
/>вихідний опір попереднього каскаду чи внутрішній опір джерела сигналу для вхідного каскаду. Якщо попередній каскад з ЗК чи на мікросхемі, то />Ом
Фактична величина спотворень, що внесені елементами схеми з обраними номіналами, визначається за формулами:
/>
/>дБ,
продолжение--PAGE_BREAK--
/>/>
/>дБ
Сумарна величина лінійних спотворень на нижній частоті дорівнює:
/>
/> дБ
Величина лінійних спотворень на верхній граничній частоті дорівнює:
/>
/> дБ
3.3Розрахунок каскадів на мікросхемах
Розрахунок каскадів підсилення на мікросхемах полягає у виборі типу мікросхеми, здатної забезпечити на опорі />амплітуду />із припустимою величиною лінійних спотворень />і />. Для підсилення сигналів широко використовують мікросхеми операційних підсилювачів (ОП). На цих мікросхемах, застосовуючи зворотній зв’язок, можна реалізувати різні види підсилювачів.
Розрахунок каскаду по постійному струму полягає у виборі резистора фільтра />. Так як необхідна напруга />для мікросхем більш за джерело живлення />, то фільтр не треба включати в схему. Схеми ОП у більшості випадків вимагають двох джерел живлення. Однак їх можна підключати до одного джерела />. Схема підсилювача на ОП з живленням від одного джерела наведена на рисунку 9.
/>
Рисунок 9. Схема підсилювача на ОП
При розрахунку каскаду на ОП по перемінному струму задаються величиною R2 з умови:
/>
/> Ом = 3 кОм.
Номінальне значення R2=3 кОм.
Величину резистора R3визначають за необхідною величиною коефіцієнта підсилення за напругою />.
/> ,
/>
/> Ом
Номінальне значення R3=93 кОм.
Резистор R1 визначають з умови />.
/>
/> кОм.
Номінальне значення R1=100 кОм.
При цьому враховується, що потужність, що розсіюється на них, звичайно не перевищує125 мВт.
Фактичний коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:
/>;
Вхідний і вихідний опори:
/>, />кОм.
де />коефіцієнт підсилення, />і />— вхідний і вихідний опори ОП.
/>; />Ом.
продолжение--PAGE_BREAK--
При цьому повинні виконуватися умови:
/> -/>,
/> -/>,
/> -/>;
Амплітуда вхідної напруги:
/>В = 7мВ.
Конденсатор С3 призначений для запобігання можливого збудження ОП на частотах вище />. Його ємність дорівнює:
/>пФ;
Номінальне значення: С3=33 пФ.
Конденсатор С2 призначений для збільшення глибини НЗЗ за постійним струмом, що зменшує дрейф нуля ОП і стабілізує роботу каскаду. Ємність конденсатора визначають з умови:
/> мкФ;
Номінальне значення: С2=5 мкФ.
Ланцюжок />забеспечує стійкість підсилювача,його конфігурація та параметри визначаються типом мікросхеми і вибираються за довідником.
/> Ом, />пФ.
Ємність розділового конденсатора С4 визначається за формулою:
/>
/>
/> мкФ;
Номінальне значення:С4=200 мкФ.
Величина спотворень, фактично внесених на нижній граничній частоті />, дорівнює:
/>
/> дБ,
а на верхній граничній частоті />дорівнює: />дБ.
4 Розрахунок узагальнюючих параметрів і схеми НЗЗ
4.1 Розрахунок якісних показників підсилювача
Якість підсилювача характеризується ступенем його відповідності технічному завданню. Найбільшою мірою це відображає коефіцієнти підсилення К, />і величини спотворень />, />і />.
Коефіцієнт підсилення за напругою визначається як добуток коефіцієнтів підсилення за напругою окремих каскадів />, розрахованих раніше:
/>;
Цей коефіцієнт має бути більше необхідного:
/>
/>
Ємність першого розділового конденсатора />на вході підсилювача визначається зі співвідношення:
/> ,
де />внутрішній опір джерела сигналу,
/>вхідний опір першого (вхідного) каскаду.
продолжение--PAGE_BREAK--
/> мкФ;
Номінальне значення: />мкФ.
Величина спотворень, внесених ємністю, дорівнює:
/>
/>дБ;
Тоді, />
/> дБ.
/>
/> дБ
де />, />— величини лінійних спотворень, внесених і-им каскадом. Отримані величини не повинні перевищувати заданих:
/>, />дБ
/>, />дБ
4.2 Розрахунок електричних параметрів підсилювача
Величина споживаного струму />визначається за відомими з попередніх розрахунків величинами колекторних (стокових) струмів спокою вхідного і проміжного каскадів />, постійною складовою струму колектора вихідного каскаду />, а також за струмами дільників базового зсуву />всіх каскадів, включаючи вихідний (/>при наявності):
/>
/>
/> А.
У двотактному каскаді режиму В- />=0,637/>.
Потужність, споживана від джерела живлення,
/> Вт.
ККД підсилювача дорівнює:
/>
/>
/>
Висновок:
В ході курсового проекту був розрахован трьохкаскадний підсилювач потужності. Був вибран двотактний безтрансформаторний каскад, зібраний по схемі з загальним емітером (ЗЕ) на складених транзисторах. Наведені принципові схеми, вольт-амперні характеристики (ВАХ) транзисторів, діода, наскрізна динамічна характеристика.
Список літератури:
1. Гусев В.Г. Злектроника. — М.: Высшая школа. 1991. 622с.
2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -К.: Техника 1984. 424с.
3. Методические указания к курсовой работе по дисцеплине «Злектронные устройства ЖАТС». Часть З -X.: ХИИТ, 1988. 37с.
4. Методичні вказівки до курсового проекту з дисципліни « Електроніка та мікросхемотехніка». Часть 1 — X.: УкрДАЗТ. 2003. 62с.
5. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Под. ред. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1985. 560 с.
6. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Н. Н. Горюнова. Издание второе, переработанное… М.: Знергоатомиздат 1985. 902 с.