ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………..стр.4

1. Теоретические сведения……………………………………………...стр.5

2. Выбор структурной схемы усилителя………………………………стр.11

2.1 Выбор числа каскадов…………………………………………..стр.11

2.2 Выбор структуры каскадов…………………………………….стр.11

2.2.1 Выбор структуры выходного каскада……………………стр.12

2.2.2 Выбор структуры промежуточного каскада……………...стр.12

2.2.3 Выбор структуры входного каскада………………………стр.12

3. Расчет элементов принципиальной схемы………………………….стр.14

3.1 Расчет выходного каскада с общим коллектором…………...…стр.15

3.2 Расчет промежуточного каскада с общим эмиттером…………стр.17

3.3 Расчет входного каскада с общим коллектором……………….стр.20

3.4 Расчет параметров входного сигнала…………………………...стр.22

4. Расчет источника электропитания…………………………………..стр.22

Заключение…………………………………………………………………..стр.27

Библиографический список

Приложение 1 - Схемы электрические принципиальные – 1 лист формата А2:

- усилитель мощности с блоком питания

- моделирование схемы усилителя мощности в программе «ISIS Proteus»

Приложение 2 - Перечень элементов к принципиальной схеме

Перечень необходимых приложений

 

4.1

ВВЕДЕНИЕ

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители

гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

- Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных

периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от

десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

- Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

- Избирательные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными.

- Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Транзисторные усилители мощности (УМ) классифицируют по типу схем включения и по режиму работы усилительных элементов. Схемы включения биполярных транзисторов разделяют по названию общего (заземленного) электрода транзистора: схемы с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Транзистор, как активный элемент, может работать в ключевом и активном режиме.

В ключевом режиме под действием управляющего сигнала транзистор скачком переходит из закрытого состояния (режим отсечки – ток коллектора практически равен нулю, сопротивление коллектор – эмиттер стремится к бесконечности – обрыв электрической цепи) в открытое состояние (режим насыщения – сопротивление коллектор – эмиттер стремится к нулю – транзисторный ключ замыкает электрическую цепь).

Активный режим транзистора реализуется в схемах с общим эмиттером, коллектором и базой. В активном режиме величина сопротивления коллектор – эмиттер транзистора определяется параметрами рабочей точки на входной и выходной характеристиках: током покоя коллектора и током покоя базы при отсутствии входного сигнала . При условии параметры , , изменяются по закону входного сигнала .

Схема с общим эмиттером. Активный режим транзистора VT1 реализуется элементами R1, R2, R4, формирующими в цепях эмиттер – коллектор и база – эмиттер рабочую точку (токи , ), а также обеспечивающими температурную стабилизацию режима по постоянному току (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Электрическая схема усилителя с общим эмиттером

Разделительные конденсаторы отделяют постоянную составляющую входного и выходного сигналов от базы и коллектора транзистора соответственно. Конденсатор в эмиттерной цепи устраняет отрицательную обратную связь по переменному току усиливаемого сигнала, обеспечивая заданный коэффициент усиления каскада. Схема с ОЭ, обладая относительно низким входным и сравнительно высоким выходным сопротивлением (импедансом), усиливает ток, напряжение и мощность входного сигнала, при этом входной и выходной сигналы находятся в противофазе.

Схема с общим коллектором является усилителем тока базы (рис. 2).

Рисунок 1.2 – Электрическая схема усилителя с общим коллектором

Усилитель с ОК не усиливает напряжение входного сигнала, поскольку нагрузка включается в эмиттерную цепь транзистора VT1 – параллельно эмиттерному резистору через разделительный конденсатор . На переменном токе по второму закону Кирхгофа , где – статический потенциал открытого p-n-перехода: для германия , для кремния . Следовательно,

Таким образом, схема с ОК не усиливает напряжение входного сигнала , а только повторяет его форму. Поэтому схему с общим коллектором называют эмиттерным повторителем (ЭП), который, обладая высоким входным, и достаточно низким выходным сопротивлением, осуществляет энергетическое согласование внутреннего сопротивления источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

В каскаде с общим коллектором, который является эмиттерным повторителем (ЭП), выходное напряжение через разделительный конденсатор снимается с резистора , включенного в цепь эмиттера, и поступает в нагрузку – сопротивление .

Значения сопротивлений в цепи базы выбирают таким образом, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась в середине рабочего участка входной характеристики транзистора VT (Методические указания)

Статический коэффициент передачи ЭП по напряжению (выходного каскада) определяется выражением (п. 6.1 – Предварительный расчет)

,

где , , ; – сопротивление в эмиттерной цепи транзистора; – выходная проводимость транзистора.

Данное выражение упрощается, если пренебречь выходной проводимостью транзистора VT по сравнению с проводимостью нагрузки , т.е. при условии: .

Тогда для коэффициента усиления третьего (выходного) каскада справедливо выражение

.

Подставляя параметр , получаем упрощенную формулу для оценки коэффициента

.

Принимаем для предварительного расчета следующие параметры:

, ; , ;

, .

Вывод. Если пренебречь влиянием выходной проводимости , то коэффициент усиления по напряжению ЭП не зависит от сопротивления , а определяется только параметром . При этом величина параметра .

При условии (режим, близкий к режиму холостого хода) ток базы ; коэффициент усиления и выходное напряжение определяются выражениями

; .

Поскольку выходная проводимость транзистора Ом^-1, а сопротивление в цепи эмиттера Ом, формула для коэффициента K_u упрощается

.

В соответствии с законом Ома, коэффициент усиления по току определяется из выражения

.

При условии (режим низкоомной нагрузки) выражение для коэффициента приводится к виду

.

Таким образом, в режиме низкоомной нагрузки величина параметра .

Анализ схемы эмиттерного повторителя показывает, что в соответствии с законами Кирхгофа и Ома, коэффициент усиления ЭП по напряжению

.

Здесь – эквивалентное сопротивление нагрузки ЭП; – входное сопротивление ЭП, величина которого уточняется при электрическом расчете (методические указания, раздел 3).

Реальный коэффициент усиления по току .

1. Оценим коэффициенты усиления эмиттерного повторителя при следующих параметрах схемы: , Ом, кОм, кОм;

Ом;

;

 

Коэффициент усиления по току :

.

Вывод: каскад работоспособен – коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а коэффициент усиления по току значительно больше единицы.

2. Оценим коэффициенты усиления эмиттерного повторителяпри высоком значении входного сопротивления и низком сопротивлении нагрузки :

, кОм, Ом, Ом;

Ом;

;

.

Вывод: каскад неработоспособен – коэффициент усиления по напряжению стремится к нулю.

Для обеспечения работоспособности схемы ЭП существует несколько путей:

1) увеличить сопротивление нагрузки (уменьшить ток нагрузки , либо выходное напряжение );

2) увеличить параметр , используя, например, схему составного транзистора Дарлингтона (см. Методические указания);

3) при увеличенном на порядок сопротивлении нагрузки ( Ом) в схеме Дарлингтона использовать 2-3 транзистора (в этом случае параметр );

пересчитать параметры , , при необходимости откорректировать параметры схемы: , , и т.д.

Схема с общей базой. Биполярный транзистор VT1, как усилительный элемент, характеризуется следующими статическими параметрами: – статический коэффициент передачи тока эмиттера ; – статический коэффициент передачи тока базы , где ток коллектора.

Связь токов и статических параметров в биполярном транзисторе имеет вид:

; , ; .

Из этих выражений следует, что токи коллектора и эмиттера всегда синфазны и практически равны по абсолютной величине, поскольку параметр .

Общая база заземляется по переменному току через конденсатор относительно большой емкости : входной усиливаемый сигнал поступает в эмиттерную цепь, а выходной – формируется в коллекторной цепи транзистора. Резисторы базового делителя напряжения и резистор в эмиттерной цепи обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки (рис. 1.1). Схема с общей базой используется для генерации электрических сигналов, а также для усиления сигналов высокой частоты.

Составной транзистор Дарлингтона включает два транзистора VT1, VT2, с соединенными эмиттерной и базовой цепью и объединенными коллекторами (рис. 3)

Рисунок 1.3 – Составной транзистор Дарлингтона

В схеме Дарлингтона эмиттерный ток транзистора VT1 соответствует базовому току транзистора VT2; общий эмиттерный ток составного транзистора . При условии эмиттерный ток схемы Дарлингтона . Поскольку параметры ток , параметр ; коллекторные токи .

Таким образом, составной транзистор Дарлингтона имеет высокий коэффициент передачи тока базы, а токи эмиттера и коллектора практически совпадают по величине.

Схемотехника усилителей мощности. Если заданы параметры нагрузки, общий коэффициент усиления усилителя или его каскадов , а входное сопротивление (импеданс ) не задано (или не критично), усилитель строится по структуре общий эмиттер – общий эмиттер (ОЭ – ОЭ). Если заданы высокое входное сопротивление и низкое сопротивление нагрузки , усилитель строится по структуре общий коллектор – общий эмиттер – общий коллектор (ОК – ОЭ – ОК). В ряде случаев возникает необходимость использования незаземленной нагрузки (рис. 1.1, 1.3), которая подключается к шине источника питания, заземленной по переменному току конденсатором фильтра источника (на схемах конденсатор не показан). В этом случае усилитель мощности строится по структуре ОЭ – ОЭ (при низком входном сопротивлении) или ОК – ОЭ (при высоком входном сопротивлении).