Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты

 

По принятому току делителя из справочника [4] выбираем диоды VD1 и VD2: КД509А(Рисунок 3).

 Находим сопротивления  резисторов делителя по условию:

R7=R8=657 Ом.Выбираем резистор с номинальной мощностью Вт. Проверим выбранный резистор по допустимой мощности рассеяния:

Р_доп7= Р_доп8= I²_дел ×R₇=(0.025)²×657 = 0,411 (Вт) ≤

 

Найдем эквивалентное  сопротивление делителя:

.

Тогда входное сопротивление  каскада по формуле:

.

Определяем емкости входного и  выходного разделительных конденсаторов:

,                                           

;                                           

Принимая согласно ряду номинальных  значений[6]С6=530 мкФ и С4=22мкФ.Номинальное напряжение конденсаторов вычисляется по формуле:

U_{kс ном}³(1,2¸1,3)×Е_п=23 (В)

Коэффициент усиления по напряжению:

.

Амплитуда напряжения входного сигнала:

Амплитуда входного тока:

.

Коэффициент усиления по току:

.

Определим нелинейные искажения выходного каскада. Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике с учетом отрицательной обратной связи:

,                                          

где и – токи коллектора, определенные по графику сквозной характеристики для двух значений соответственно и .

.

Коэффициент нелинейных искажений  по 2-й гармонике

,                                            

где – коэффициент асимметрии плеч схемы выходного каскада, обусловленный неидентичностью параметров подобранных транзисторов.

.

Общий коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле

;                                          

.

Так как  , то полученное значение считаем удовлетворительным.

 

4.ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ.

Можно оценить требующееся число  каскадов предварительного усиления, которые должны обеспечить коэффициент  усиления по напряжению:

.

Коэффициент усиления, требуемый  от одного каскада

.

Таким образом, предварительный  усилитель будет содержать 2 каскада, построенных по схеме с общим эмиттером и с не инвертирующим операционным усилителем соответственно.

 

 

5. РАСЧЕТ ПРЕДОКОНЕЧНОГО  КАСКАДА.

 

Параметры нагрузки (входные параметры  выходного каскада и напряжение питания), необходимые для расчета  уже известны.

Выбираем тип транзистора с  учетом заданного частотного диапазона  работы каскада, а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистора:

,                                       

где амплитуда тока в  нагрузке .

Ориентировочно можно  выбрать низкочастотный транзистор, имеющий параметры:

,

.

Рисунок 4 – Транзистор КТ948Б

 

По справочнику выбираем транзистор КТ948Б(Рисунок 4), имеющий следующие параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 50…280.
2. Постоянное напряжение коллектор – эмиттер 25 В;
3. Постоянный ток коллектора 1,25 А;

Выберем исходный режим  транзистора каскада, для которого:

,                                                  

,                                                 

.                                                 

где – напряжение коллектор – эмиттер, соответствующее режиму покоя.

,

,             .

Сопротивление резисторов R₅, R₆ рассчитываем по падению напряжений на них:

;       ;                                    

;       .

Округляя значение сопротивлений  до ближайшего из рекомендуемого ряда номиналов [5], принимаем:R₅=20 Ом, R₆=7,5 Ом.

Сопротивление резистора  R4 делителя находим из выражения:

,                                           

где для кремниевых транзисторов,                                                  – ток делителя.

.

Сопротивление резистора R3 делителя находим следующим образом

;                                            

.

Округляя значение сопротивления  до ближайшего из рекомендуемого ряда номиналов [5], принимаем:R₄=100 Ом и R₃=266 Ом.

Проверим выбранные резисторы  по допустимой мощности рассеивания:

Р_доп3= I²_дел2×R₃=(0,055)²×266 = 0,8(Вт)

Р_доп4= I²_дел2 ×R₄=(0,055)²×100 = 0,3 (Вт)

Р_доп5= I²_{k max} × R₅=(1,15)²×20 = 26 (Вт)

Р_доп6= I²_{k max} × R₆=(1,15)²×7,5 = 9,9 (Вт)

Принимаем для R₃мощность 1 Вт, для R₄ – 0,5 Вт, Для R₅–30 Вт и для R6 – 10Вт.

 

Для определения коэффициента усиления каскада по току определим  эквивалентное сопротивление цепи коллектора по переменному току:

,                                            

.

Определяем коэффициент  усиления по току:

,                                             

Тогда амплитуда входного тока:

,                                           

.

Входное сопротивление каскада  определяется с учетом сопротивлений делителя, параметров транзистора и сопротивления цепи эмиттера:

,                               

где – усредненное значение крутизны сквозной характеристики;                                                                                                      

– тепловой потенциал.

Тогда входное сопротивление:

.

Коэффициент усиления по напряжению

,                                           

где в данном случае равно входному сопротивлению каскада.

Амплитуда входного напряжения:

,                                          

.

Емкость конденсатора С3 определяем по формуле (3.14):

.

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-24(Рисунок 5)с емкостью С3=1100 мкФ,с номинальным напряжением 25В

 

 

Рисунок 5 – Конденсатор К50-24

 

 

Емкость конденсатора С5, шунтирующего резистор термостабилизации R6 по переменному сигналу, выбираем с учетом того, что его сопротивление должно быть значительно меньше сопротивления R6.

, откуда

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический  конденсатор К50-24 (Рисунок 5)с емкостью С5=10000мкФ, с номинальным напряжением 25В

 

 

 

6. РАСЧЕТ  ВХОДНОГО КАСКАДА.

 

Входной каскад будем строить по схеме с операционным усилителем. Выберем ОУ согласно условиям:

Ом;

;

Рисунок 6- ОУ К157УД2

 

По справочнику выбираем ОУ К157УД2(Рисунок 6), имеющий следующие параметры:

1. К_u=50000.
2. Напряжение питания 2х(3…18)В.
3. Входное сопротивление 1МОм.

 

Будем использовать в расчётах схему  не инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления по напряжению будет определяться по формуле:

Примем R2= 24Ком,  R1 = 1 Ком. 

Тогда К_u= 1 + 24 = 25.

Т.к. ток в обратной связи не превышает  ток на выходе каскада, равный 0,001А, то мощности резисторов будут подбираться  следующим образом:

Примем номинальные мощности резисторов 0,125 Вт.

Коэффициент усиления по току примем приблизительно равным 1, так как  операционный усилитель не даёт усиления по току.

Амплитуду входного напряжения:

.

Ёмкость входного разделительного  конденсатора С1 определяем по формуле (3.14):

.

Таким образом, по справочнику [6] выбираем танталовый конденсатор К53-1(Рисунок 5)с емкостью С1=0,047мкФ, с номинальным напряжением 20В

По документации подбираем конденсатор частотной коррекции ОУ

С2= 68 мкФ, номинальное напряжение 15В.

Номинальное напряжение конденсатора С1 вычисляется по формуле:

U_{kс ном}³(1,2¸1,3)×Е_п=20 (В)

 

 

 

 

7. РАСЧЕТ ОБЩИХ ПАРАМЕТРОВ  УСИЛИТЕЛЯ.

 

Определим основные параметры нашего усилителя в соответствии с формулами (2.1):

коэффициент усиления по напряжению:

;

коэффициент усиления по току:

;

коэффициент усиления по мощности:

.

Определим отклонение полученных параметров усилителя от заданных

;

.

 

Найдем коэффициент частотных  искажений по формулам (2.5) и (2.6). Для  этого найдем по (2.7) коэффициенты частотных  искажений, обусловленные влиянием отдельных конденсаторов:

 

;

 

;

 

;

 

;

Тогда общий коэффициент  частотных искажений

.

Полученный коэффициент  удовлетворяет условию  .

 

Фазовые сдвиги, создаваемый  действием каждого конденсатора определим по формуле (2.9):

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

Тогда фазовый сдвиг выходного  напряжения усилителя относительно входного

 

.

 

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе проделанной  работы был рассчитан и сконструирован усилитель низкой частоты. В состав, которого входят: три транзистора КТ644А, КТ645А,КТ948Б, операционный усилитель К157УД2, восемь резисторов МЛТ различных номиналов и восемь конденсаторов. При расчете были получены общие коэффициенты усиления по мощности и по напряжению отличающиеся от заданных не более чем  на 15%. Что является вполне удовлетворительным. Данный усилитель имеет входное сопротивление порядка 1МОм, и предназначен для работы с нагрузкой сопротивлением 7 Ом.

 

 

 

 

9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Рабочий А.А., Методические указания к курсовой работе “Расчет многокаскадного усилителя низкой частоты” – Орел, 1998 –28 с.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. “Электроника” – М.: Высшая школа, 1991 – 621с.
3. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник /Под общ.ред. Н.Н. Горюнова – М.: Энергоатомиздат, 1985 –904 с.
4. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник /Под общ.ред. Н.Н. Горюнова – М.: Энергоатомиздат, 1985 –744 с.
5. Резисторы: Справочник: /Под ред. Четверткова И.И. – М.: Радио и связь, 1991 –527 с.
6. Справочник по электролитическим конденсаторам /Под ред. Четверткова И.И. – М.: Радио и связь, 1983 –575 с.