Теоретичні відомості

Теоретичні відомості

Коефіцієнтом підсилення по напрузі називається величина, яка показує, у скільки раз напруга сигналу на виході підсилювача більше, ніж на його вході.

Вхідний опір підсилювача являє собою опір між вхідними клемами підсилювача, а вихідний опір визначається між вихідними клемами підсилювача при відключеному опорі навантаження.

Номінальною вхідною напругою називається напруга, яку необхідно підвести до входу підсилювача, щоб отримати на виході задану потужність.

Діапазоном підсилюючих частот, чи смугою пропускання підсилювача, називається та область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше, чим це допускають технічні умови.

При підсиленні електричних сигналів можуть виникнути нелінійні, частотні і фазові викривлення.

Нелінійні викривлення являють собою зміну форми підсилюючих коливань, яке викликане нелінійними властивостями кола, через яке коливання проходить. Основною причиною нелінійних викривлень в підсилювачах є не лінійність характеристик підсилюючих елементів, а також характеристик намагнічування трансформаторів чи дроселя з осердям.

Частотними називаються викривлення, що обумовлені зміною величини коефіцієнту підсилення на різних частотах. Причиною частотних викривлень являється наявність в схемах підсилювача реактивних елементів - конденсаторів, котушок індуктивності, між електродних ємностей підсилюючих елементів, ємності монтажу і ін.

Характерною особливістю сучасних транзисторних підсилювачів НЧ є широкий вибір схем, за якими вони можуть бути побудовані. Але серед них необхідно виділити найбільш типові схеми, які містять елементи і кола, що частіше за все зустрічаються підсилювачах.

Транзистор можна вмикати в підсилюючий каскад трьома способами: за схемою з спільною базою, з спільним емітером і спільним колектором.

Основним недоліком схеми з спільною базою є низький вхідний опір каскаду.

Основною особливістю схеми зі спільним емітером є те, що вхідним струмом в ній виступає малий по величині струм бази. Тому вхідний опір каскаду зі спільним емітером вище, ніж вхідний опір каскаду зі спільною базою. Вхідний опір в схемі зі СЕ також достатньо великий (декілька кОм).

Це дозволяє в багато каскадному підсилювачі обійтися без спільних пристроїв між каскадами. Тому схема з СЕ являється найбільш розповсюдженою.

Вхідний опір схеми з спільним колектором дуже великий (десятки і сотні кОм), а вхідний, навпаки, малий і складає лише десятки або сотні Ом. Тому каскад з СК не дає підсилювати сигнал по напрузі і має порівняно невеликий коефіцієнт підсилення по потужності. Дана схема застосовується в основному для зрівняння опорів між окремими каскадами підсилювача чи між виходом підсилювача і низькоомним навантаженням. Каскад з СК обґрунтовано також використовувати на вході підсилювача в таких випадках, коли вхідний опір каскаду з СЕ являється недостатнім для зрівнювання підсилювача з джерелом вхідного сигналу.

Дані до курсового проекту і аналіз даного транзистора вказують на те, що підсилювач в попереднім, резистивним, з низькою вихідною напругою сигналу. Аналіз можливих варіантів схемного виконання такого підсилювача вказує на те, що найбільш с прийнятною є схема з спільним (загальним) емітером.

Суть емітерної стабілізації робочої точки полягає в тому, що в залежності від температури робоча точка на навантажувальній прямій перемістилася в якесь верхнє положення. Це привело до того, що величина струму колектора збільшилась. Збільшення струму колектор Ік привело, в свою чергу, до збільшення спаду напруги на опорі в колі емітера R_Е . Це в свою чергу приводить до зменшення напруги U_БЕ . Даний процес можна відобразити рівняннями на основі II закону Кіргофа. Зменшення напруги U_бе приводить до того, що величина струму колектора Ік повертається до свого вихідного положення. Напруга на опорі R_Е являється напругою від'ємною зворотнього зв'язку по постійному струмі. Для відведення змінної складової струму емітера від опору в колі емітера R_Е опір R_Е шунтується конденсатором великої ємності.

В цьому й полягає суть емітерної стабілізації робочої точки.

В практичних схемах транзисторних підсилюючих каскадів є ряд додаткових елементів.

В даній схемі резистори R1 та R₂ , які підключені до джерела живлення Е_к, складають подільник дільник напруги. Напруга, що знімається з резисторів R1 і R₂, використовується для живлення емітерного та колекторного р-n - переходів транзистора.

Стабілізація режиму роботи транзистора здійснюється за рахунок введення в коло емітера резистора R_Е. Спад напруги на резисторі, пропорційний струму емітера, являється зворотнім для переходу емітер - база. Тим самим в схемі установлюється від’ємний зворотній зв'язок по постійному струмі, який автоматично стабілізує режим роботи каскаду при зміні параметрів транзистора. Для усунення від'ємного зворотнього зв'язку по змінному струмі, який зменшує коефіцієнт підсилення каскаду, по напрузі, резистор R_Е, шунтується конденсатором С_Е, досить великої ємності.

Конденсатори С_Р1, і С_Р2 - роздільні. Крім цього в схему також ввімкнений опір навантаження R_н, і внутрішній опір джерела сигналу

Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних клем якого підключається джерело підсилюючого сигналу, а до вихідних - опір навантаження. На даній схемі джерело вхідного сигналу у вигляді генератора напруги з е.р.с, е_г, який має внутрішній опір R_г. Зі сторони виходу підсилювач представлений в вигляді опору навантаження. Підсилювач одночасно являється навантаженням для джерела сигналу і джерелом сигналу для внутрішнього навантаження R_н , причому навантаженням підсилювача може бути не тільки кінцевий пристрій, (споживач), але вхід наступного каскаду підсилення.

4.РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ ЗА ПОСТІЙНИМ СТРУМОМ

1. Нижча робоча частота сигналу, f_н =50 (Гц);

2. Вища робоча частота сигналу, f_в = 100 000(Гц);

3. коефіцієнти викривлення сигналу по частоті від

нижчої f_н до вищої частоти f_в, М_н = М_в =1,04;

4. Опір навантаження R_н = 150 (Ом);

5. Вихідна напруга на навантаженні U_mвих = 0,4(В) ;

6. Внутрішній опір джерела сигналу R_г = 50(Ом);

7. Коефіцієнт нестабільності робочої точки транзистора S(І_ко) = 3

8. Тип транзистора КТ 315 А

Для виконання технічного завдання виберемо схему підсилювача низької частоти з емітерною стабілізацією робочої точки транзистору (рис. 4.1). В схемі необхідно знайти величини опорів R₁, R₂, R₃(R_к), R₄(R_e), конденсаторів С₁, С₂, С₃, вибрати тип транзистору. Дана схема відповідає поставленим вимогам в технічнім завданні на розрахунок підсилювача низької частоти.

Рис. 4.1. Резистивний підсилювач низької частоти з переходом транзистора n-p-n

1. Задаємо значення напруги джерела живлення підсилювача Е_к за виразом:

(4.1)

де Ù_{ке макс. доп.} – максимально допустима напруга між колектором та емітером вибраного транзистора

Е_к = (4.2)

2. Розраховуємо величину опору резистора в колі колектора – R_к за виразом:

(4.3)

Коефіцієнт при R_н вибираємо довільно в межах від 3 до 5, тепер:

По шкалі числових коефіцієнтів стандартизованих рядів, вибираємо номінальний опір Rк : Rк = 470 Ом ± 5 %

3. Визначаємо величину напруги спокою в колі емітера U_ес за виразом:

(4.4)

U_ес =

4. В сімействі вихідних характеристик вибраного транзистора (на координатному листі) будуємо лінію навантаження підсилювача за постійним струмом.

Визначаємо середній струм колектора при короткому замиканні

(4.10)

5. Щоб уникнути викривлення вихідного сигналу при підсиленні, даний підсилювач повинен працювати в режимі класу А – це такий режим роботи транзистора, при якому струм в вихідному колі (в колі колектора та R_н) тече на протязі всього періоду вхідного сигналу і крайні положення робочої точки

(це І_к-_min, І_к-_max) не виходять за межі лінійної частини вхідної характеристики вибраного транзистора

Таким чином, при подачі напруги на підсилювач від джерела енергії Е_к, через транзистор буде текти струм колектору – І_кс, бази – І_бс, між колектором та емітером встановиться спад напруги – U_ке_с.

І_кс = 9,5мА; І_б_с =0,08мА; U_кес =5В. (4.11)

Це і буде режим роботи вибраного транзистору за постійним струмом. Називається такий режим – режимом спокою. Транзистор і підсилювач підготовлені для підсилення сигналу змінної частоти.

6. Щоб уникнути можливих викривлень сигналу, що підсилюється, параметри режиму спокою повинні задовольняти таким умовам:

U_кес > U_m_-вих + ΔU_кео ( 4.12 )

10 В > 0,4 В + 1,5 В

І_кс > І_к_m + І_{ко(е)макс} ( 4.13 )

9,5 мА > 5,3 мА + 0.01 мА

І_к_m ─ максимальний вихідний струм колектору (змінної частоти), що тече через опір навантаження R_н . Знаходиться І_к_m за виразом:

( 4.14 )

( 4.15 )

R_~ ─ опір навантаження для змінного струму; по змінній частоті опори R_к

та R_н з’єднані паралельно ( див. рис. 4.1).

Визначивши ΔU_кео, І_{ко(е)макс}, І_к_m, R_~, необхідно перевірити режим транзистора на допустимі параметри за струмом, напругою, потужністю:

, (4.16)

, (4.17)

. (4.18)

< 150 мВт

7. По вхідних (базових) характеристиках вибраного транзистора знаходимо значення напруги база-емітер спокою ─ U_бес.

U_бес = 0,21 В. (4.16)

8. Опір резистору в колі емітера R_е знайдемо з виразу:

. (4.19)

По шкалі числових коефіцієнтів стандартизованих рядів, вибираємо номінальний опір R_е: R_е = 110 Ом ± 5%.

9. Розраховуємо величину опору бази R_б:

(4.20)

де – коефіцієнт передачі за струмом, який знаходиться для більшості транзисторів в межах від 0,9 до 0,99,

10. Опір дільника напруги вибирають більшим, ніж розрахункове значення (на 20...30 %).

= (1,2 ÷ 1,3)· (4.21)

По шкалі числових коефіцієнтів стандартизованих рядів, вибираємо номінальний опір R₂: R₂ = 330 Ом ± 5%.

Знаходимо струм, що тече через резистор R₂. Так як на R₂ спад напруги (принципова схема, рис. 4.1) буде: U_R₂ = U_ес + U_бес, то згідно закону Ома маємо:

(4.22)

мА

11. Так як через резистор R₁ тече струм І₂ і струм бази І_бс, тобто, І₁= І₂ + І_бс то опір резистору R₁обчислюємо за виразом:

(4.23)

По шкалі числових коефіцієнтів стандартизованих рядів, вибираємо номінальний опір R₁: R₁ = 3900 Ом ± 5%.

12. Через резистори R_к, R_е, R₁, R₂ течуть відповідні струми

І_кс, І_ес = І_кс, І₁, І₂. Необхідно розрахувати значення потужності, що розсіюється на цих резисторах, за формулою:

(4.24)

Відповідно до розрахованої потужності вибрати тип резисторів за матеріалом виготовлення, геометричними розмірами, потужністю розсіювання. Згідно стандартів [1],вибрані резистори повинні мати на 20 – 30 % більшу потужність розсіювання, ніж визначені за формулою (4,20; 4,22).

Висновок. На даному етапі закінчується розрахунок підсилювача НЧ за постійним струмом:

- проведено вибір транзистору для схеми ППНЧ з емітерною стабілізацією режиму роботи, розрахована величина е.р.с. джерела живлення схеми Е_к;

- лінія навантаження за постійним струмом: – геометричне місце точок координати U_ке та І_к, що відповідає можливим значенням точки (режиму) спокою каскаду;

- розраховані величини резисторів схеми, перевірена правильність вибору режиму роботи транзистора на допустимі значення струму, напруги та потужності, що розсіюється на елементах схеми. Правильний вибір режиму транзистора за постійним струмом дає можливість значно зменшити або уникнути викривлення сигналу, що буде підсилюватися.

5. РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА ПРИ ПОДАЧІ НА ВХІД СИГНАЛУ ЗМІННОЇ ЧАСТОТИ

При розрахунках за змінним струмом важливими показниками каскаду є його коефіцієнти підсилення за струмом К_і, напругою К_u, та потужністю К_р, а також вхідний R_вх і вихідний R_вих опори.

Метод розрахунку базується на заміні транзистору і всього каскаду схемою заміщення за змінним струмом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема заміщення ППНЧв фізичних параметрах

Розрахунок каскаду підсилення виконується для області середніх частот де залежність параметрів підсилювача від частоти не враховується, а опір конденсаторів у схемі приймається рівним нулю і на схемі ці конденсатори не показують. За змінним струмом опір джерела живлення дорівнює нулю, у зв’язку з чим верхній вивід резистору R₁ на схемі заміщення приєднано до емітеру. Струм і напруга в схемі характеризуються їх діючими значеннями, які зв’язані з амплітудними значеннями коефіцієнтом .

Лінію навантаження за змінним струмом будують по відношенню приросту напруги ΔU_к-е до приросту колекторного струму ΔІ_к:

(5.1)

величину ΔU_к-е приймаємо в межах (0,3 – 0,7) вольт

(5.2)

2. В квадранті 2 графіка необхідно побудувати так звану перехідну характеристику.

3. Розрахунок h-параметрів:

h_11е – вхідний опір транзистора:

(5.3)

h_22е – вихідна провідність:

(5.4)

h_21е – коефіцієнт передачі струму:

(5.5)

h_12е – коефіцієнт зворотного зв’язку:

(5.6)

4. Знаходимо фізичні(внутрішні) параметри підсилювача через h – параметри: r_е – опір емітерного переходу, r_б – об’ємний опір бази, r_к – опір колекторного переходу, β – коефіцієнт передачі струму = h₂₁_e.

(5.7)

5. Обчислюємо вхідний опір підсилювача, як паралельне з’єднання резисторів R₁, R₂, r_вх:

(5.8)

(5.9)

6. Використовуючи розраховані значення R_к (3.5) та r_к (4.7) знайдемо вихідний опір підсилювача за виразом:

(5.10)

7. Розраховуємо коефіцієнти підсилення за струмом, напругою та потужністю:

(5.11)

(5.12)

(5.13)

8. Розподіляємо коефіцієнт частотних викривлень на нижчій частоті сигналу f_н порівну між ємностями С_р₁, С_р₂, С_е:

М_НР1 = М_НР2 = М_НЕ = =

9. Знаходимо величини ємностей конденсаторів С_р₁, С_р₂, та С_е в мкФ:

(5.14)

По таблиці коефіцієнтів стандартизованих рядів для конденсаторів , вибираємо величини ємностей найближчих до розрахованих:

С_р₁ =100 мкФ; С_р₂ = 50 мкФ; С_е =220мкФ

Робочу напругу конденсаторів вибрати в 2 – 3 рази більшою чим напруга джерела живлення Е_к. U_p_._k=25 B

10. Розрахувати коефіцієнт частотних викривлень сигналу на вищій робочій частоті f_в. Для цього необхідно вирахувати еквівалентні сталі часу:

τ_β – стала часу, що характеризує інерційність проміжку емітер-база, це затримка струму в емітерному переході (напруга на переході зростає не миттєво). Крім того, стала враховує час руху неосновних носіїв зарядів через базу в колектор.

(5.15)

f_г –гранична частота передачі струму вибраного транзистору.

τ_к – стала часу, що характеризує інерційність колекторного переходу, показує затримку появи колекторного струму відносно емітерного. Затримка виникає в зв’язку з наявністю ємності на колекторному переході – С_к, яка шунтує колекторний р-n перехід:

Затримка виникає в зв’язку з наявністю бар’єрної та дифузної ємності на колекторному переході ─ С_к , яка шунтує р-n перехід.

τ_к = С_к ´( ) ( 5 .16 )

де С_к─ ємність колекторного переходу для вибраного транзистору,

r_k R_k R_н - це паралельне з’єднання трьох опорів.

(5 .17)

R_екв = ( ×470×150) /( ×470+ ×150+470×150) =112,4 Ом

t_к = С_к´ R_екв =

τ_в ─ стала часу вихідного кола транзистору:

τ_в = τ_β + τ_к = + = 160,124× с. ( 5 .18)

Коефіцієнт частотних викривлень М_в на вищій частоті f_в знаходиться за виразом:

, f_в . (5.19)

Порівняємо знайдене значення коефіцієнту М_в з заданим в початкових даних, М_в < М_н= М_в ,отже розрахунки параметрів підсилювача відповідають технічним умовам завдання. Заповнимо таблицю результатами розрахунків основних параметрів підсилювача.

Результати розрахунку

Ku	Ki	Kp	β	Mв
21,4	33,5	716,9		1,005

Висновок

Проведено вибір транзистору для схеми ПНЧ з емітерною стабілізацією режиму роботи , розрахована величина ЕРС джерела живлення схеми — Е_к;

Побудована лінія навантаження за постійним струмом : геометричне місце точок координати U_ке та І_к, що відповідає можливим значенням точки (режиму) спокою каскаду;

Враховані величини резисторів схеми, перевірена правильність вибору режиму роботи транзистору на допустимі значення по струму, напрузі, та потужності, що розсіюється на елементах схеми , це дає можливість значно зменшити або уникнути викривлення сигналу, що буде підсилюватися.

При розрахунку підсилювача при подачі на вхід сигналу змінної частот враховані величини основних параметрів для схеми ввімкненя транзистору з СЕ.Зокрема коефіцієнт передачі струму знаходиться в допустимих нормах.Порівнюючи знайдений коефіцієнт частотних викривлень з початковим значенням робимо висновок,що транзистор розрахований правильно.

ДОДАТОК Б

Перелік використаних радіоелементів в ППНЧ

Схемне позначення	Найменування радіоелементів	Кількість	Примітка
	Резистори
R₁	МЛТ-0,125Вт-3900Ом±5%
R₂	МЛТ-0,125Вт-330 Ом±5%
R₃ (R_к)	МЛТ-0,125Вт-470 Ом±5%
R₄ (R_e)	МЛТ-0,125Вт-110 Ом±5%
R₅ (R_н)	МЛТ-0,125Вт-150 Ом±5%
	Конденсатори
С₁ (С_р1)	К50-35-25В-100мкФ
С₂ (С_р2)	К50-35-25В-50мкФ
С₃ (С_е)	К50-35-25В-220мкФ
	Транзистор
VT₁	КТ 315 А

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Андреев Ю.Н. Резисторы. Справочник под ред. И.И. Четверикова. М. ²Энергоиздат², 1981. – 352 с.

2. Нефедов А.В., Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. Справочник. – М.: ²Радио и связь², 1990. – 401 с.

3. Ю.Р. Колонтаєвський, А.Г. Сосков. Промислова електроніка та мікросхемотехніка. Київ. Видавництво «Каравела», 2004. – 428 с.

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982. – 384 с.

5. Стахів П.Г., Коруд В.І., Гамала О.Є. Основи електроніки:функціональні елементи та їх застосування. –Львів: «Новий світ-2000»; «Магнолія плюс». – 2003. – 208 с.

6. Электрические конденсаторы и конденсаторне установки. Справ очник под ред. Г.С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 656 с.

8. И.П. Жеребцов. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 352 с.

7. Горпинченко В.Г., Черенков О.Д., Чорна М.О. Дослідження підсилювачів низької частоти з використанням програми MULTISIM. – Х.: ХНТУСГ, 2009. – 84 с.

⇐ Предыдущая 12