Усилитель низкой частоты на транзисторах

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина" .

Факультет ускоренного обучения Кафедра микропроцессорной техники Усилитель низкой частоты на транзисторах Екатеринбург 2015

• Введение
• 1. Исходные данные для расчёта усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах
• 2. Структурная схема усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах
• 3. Расчёт усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером
• 3.1 Расчет усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по постоянному току
• 3.2 Расчет усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по переменному току
• 4. Расчёт выходного усилительного каскада — эмиттерного повторителя
• 4.1 Расчет эмиттерного повторителя по постоянному току
• 4.2 Расчет эмиттерного повторителя по переменному току
• 5 Частотные характеристики усилителя
• 5.1 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
• 5.2 Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)
• Заключение
• Список использованной литературы
• усилитель транзистор эмиттерный повторитель
• Введение
• При решении ряда производственных задач с использованием электронных устройств часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов, для чего используются электронные усилители. На основе усилителей строятся схемы генерирования и преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.
• Электронный усилитель — это устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала до требуемого значения на выходе.
• Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимом работы. К усилителям с линейным режимом работы предъявляется требование получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем должны быть минимальными.
• Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока — УПТ), усилители звуковых частот УЗЧ (усилители низкой и средней частоты), усилители высокой частоты УВЧ, широкополосные усилители ШПУ и узкополосные усилители УПУ.
• · 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.
• · Усилители звуковых частот характеризуются частотным диапазоном от десятков герц до 15−20 килогерц. Характерной особенностью усилителей низкой частоты является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.
• · 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.
• В данной работе приведен расчет электронного усилителя низкой частоты на транзисторах с подробным пояснением принципа работы схемы, выбора рабочего режима путем соответствующего расчета компонентов схемы.
• 1. Исходные данные для расчёта усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах
• Уровень входного сигнала
• Сопротивление источника входного сигнала
• Коэффициент передачи по напряжению
• Сопротивление нагрузки
• Диапазон рабочих частот: нижняя частота
• верхняя частота
• Рабочая температура
• Коэффициент температурной нестабильности
• Рассчитаем выходные параметры усилителя:
• — выходное напряжение ;
• — ток в нагрузке .
• Действующее значение напряжения 2,4 В значит амплитудное
• Двойная амплитуда .
• Рекомендованное значение Ек должно быть в 1,5 раза больше чем двойная амплитуда
• то есть
• Исходя из этого, номинальное значение напряжения Ек выбираем 10 В.
• 2. Структурная схема усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах
• Структурная схема усилителя представлена на рис. 1.
• Рисунок 1 — Структурная схема усилителя низкой частоты на транзисторах
• Усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером обеспечивает основной коэффициент усиления до требуемого значения, но в то же время он обладает относительно низким входным и высоким выходным сопротивлением.
• Так как к усилителю подключается низкоимпедансная нагрузка (R_Н=40 Ом, R_Н<<R_выхОЭ), то большая часть выходного напряжения усилителя падает на внутреннем (R_выхОЭ) сопротивлении усилителя, а на нагрузку подается лишь малая его часть. Такую нагрузку подключаем к усилителю через эмиттерный повторитель, который понижает выходное сопротивление усилителя, обеспечивая согласование усилителя с низкоимпедансной нагрузкой.

3. Расчёт усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером Электрическая схема усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Электрическая схема принципиальная усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером

3.1 Расчет усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по постоянному току Выбор транзистора Выберем биполярный кремниевый p-n-p транзистор KT208 В со следующими параметрами:

— статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером в=80;

— обратный ток коллектора I_К0=0,5 мкА;

— максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_КЭmax=20 В;

— максимальный постоянный ток коллектора I_Kmax=300 м А;

— максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_Кmax=200 м Вт.

Рисунок 3 — Рабочая точка и нагрузочная прямая в плоскости выходных статических характеристик транзистора

Режим покоя транзистора определяет рабочая точка, А в плоскости статических выходных характеристик транзистора (рисунок 3), которая находится на статической нагрузочной прямой.

Рабочую точку выбираем, исходя из неравенств:

тогда

Поскольку величина коэффициента температурной нестабильности задана для расчёта, то определим величину коэффициента

После определения коэффициента получаем формулу для расчёта сопротивления :

из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем

Исходя из полученных значений, необходимо проверить требуемое усилительному каскаду напряжение источника питания E:

из ряда рекомендованных значений выбираем 18 В.

Определим сопротивление в цепи коллектора.

Определим напряжение базы относительно общей шины.

где — напряжение между базой и эмиттером в рабочей точке. Обычно для кремниевых транзисторов

Расчет элементов, обеспечивающих температурную стабилизацию Расчёт делителя в цепи базы. Напряжение делителя:

Таким образом, сопротивления делителя R1 и R2 равны:

из стандартного ряда номинальных значений сопротивлений выберем значение =44.2 кОм;

из стандартного ряда номинальных значений сопротивлений выберем значение =15 кОм.

Величина делителя должна удовлетворять условию:

3.2 Расчет усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по переменному току Область средних частот Составим эквивалентную схему усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по переменному току для области средних частот (рисунок 4).

Рисунок 4 — Эквивалентная схема усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером по переменному току для области средних частот Рассчитаем входное сопротивление R_ВХ усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером. Из эквивалентной схемы (рис.4) следует, что сопротивление усилительного каскада равно: R_ВХ= R_б||r_ВХ, где r_ВХ — входное сопротивление транзистора, которое равно:

Рассчитаем выходное сопротивление R_ВЫХ усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером, которое равно:

.

Рассчитаем коэффициент усиления в режиме холостого хода.

где

— коэффициент, учитывающий ответвление части тока вIб в сопротивление r_кэ.

;

Определим коэффициент усиления по напряжению K_U усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером с нагрузкой.

Из приведённого соотношения видно, что коэффициент усиления усилителя резко уменьшается при подключении нагрузки. Поэтому принимаем решение о подключении нагрузки к усилителю через эмиттерный повторитель.

Область нижних частот В области нижних частот следует учесть влияние емкостей С1, С2 и Сэ, так как при уменьшении частоты увеличиваются их сопротивления, уменьшаются входной ток, ток нагрузки и выходное напряжение.

Общий нормированный коэффициент усиления G_н равен произведению частных:

Возьмём, ,, тогда выражение для коэффициента усиления с учетом сопротивления емкости C1:

где, таким образом

.

Из стандартного ряда номинальных значений емкостей выберем С1=2.2 мкФ.

Выражение для коэффициента усиления с учетом сопротивления емкости C2:

где, таким образом Из стандартного ряда номинальных значений емкостей выберем С2=150 мкФ.

Выражение для коэффициента усиления с учетом сопротивления емкости C_Э:

где, таким образом Из стандартного ряда номинальных значений емкостей выберем С_Э=330 мкФ.

Область верхних частот На высоких частотах проявляются инерционные свойства транзистора. В результате чего уменьшается коэффициент усиления транзистора в и его усилительные свойства.

Постоянная времени усилителя в области высоких частот определяется из соотношения:

где Поскольку нагрузкой усилительного каскада будет выступать эмиттерный повторитель, то

4. Расчёт выходного усилительного каскада — эмиттерного повторителя Электрическая схема эмиттерного повторителя представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Электрическая схема принципиальная эмиттерного повторителя

4.1 Расчет эмиттерного повторителя по постоянному току Выбор транзистора Выберем кремниевый n-p-n транзистор КТ315Г со следующими параметрами:

— статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером в=50;

— обратный ток коллектора I_К0=1 мкА;

— максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_КЭmax=35 В;

— максимальный постоянный ток коллектора I_Kmax=100 м А;

— максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_Кmax=150 мВт.

Для того, чтобы выходной сигнал имел возможно больший размах, следует выбрать напряжение покоя на эмиттере посередине между землёй и питанием. В схеме эмиттерного повторителя рабочая точка задаётся резистором, соединяющим базу транзистора с источником питания .

Для передачи максимальной мощности выбираем

Поскольку эмиттерный повторитель работает с максимальным уровнем выходного сигнала, то необходимо выбрать потенциал эмиттера в рабочей точке равным половине напряжения питания:

По закону Ома:

С помощью базового резистора смещения в базу транзистора подаётся базовый ток, достаточный для поддержания требуемого тока эмиттера:

Ток задаётся сопротивлением, включенным между базой транзистора и источником питания. Значение определим по закону Ома:

Номинальное значение напряжения источника питания Е_К =18 В.

Несмотря на то, что для задания рабочей точки выбран простейший способ, он все же обладает свойством саморегулировки, компенсирующей разброс значений коэффициента в и температурные изменения тока транзистора. Это происходит следующим образом. При увеличении тока эмиттера вследствие указанных выше факторов возрастает напряжение на эмиттере транзистора U_БЭП, что приводит к уменьшению напряжения на сопротивлении R_б и, следовательно, к уменьшению тока I_бП. Транзистор подзапирается и напряжение на эмиттере транзистора уменьшается почти до исходного значения.

4.2 Расчет эмиттерного повторителя по переменному току

Cоставим эквивалентную схему эмиттерного повторителя по переменному току для области средних частот (рисунок 6).

Рисунок 6 — Эквивалентная схема эмиттерного повторителя по переменному току для области средних частот.

Рассчитаем входное сопротивление R_ВХ эмиттерного повторителя. Из эквивалентной схемы, изображённой на рисунке 6 следует, что сопротивление усилительного каскада равно: R_ВХ= R_б||r_ВХТ, где r_ВХТ — входное сопротивление транзистора, которое равно:

тогда

.

Рассчитаем входное сопротивление R_ВЫХ эмиттерного повторителя. Из эквивалентной схемы (рис.6) следует, что сопротивление усилительного каскада равно: R_ВЫХ= R_Э||r_Э

.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

5. Частотные характеристики усилителя Построим частотные характеристики для рассчитанного усилителя низкой частоты. При вычислении полного фазового сдвига учтем собственный фазовый сдвиг ц₀=180^_ усилительного каскада, построенного на транзисторе с общим эмиттером ц=ц₀+ц (щ).

Результаты расчётов АЧХ и ФЧХ усилителя представлены в таблице 1, графики характеристик представлены на рисунках 7 и 8.

Таблица 1 — Результаты расчёта частотных характеристик усилителя

5.1 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Рисунок 7 — График амплитудно-частотной характеристики усилителя

5.2 Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) Рисунок 8 — График фазо-частотной характеристики усилителя Заключение В результате проведенной работы рассчитан усилитель низкой частоты на двух транзисторах со следующими основными характеристиками:

­ коэффициент усиления по напряжению

­ входное сопротивление ;

­ выходное сопротивление ;

­ постоянное напряжение питания .

Схема электрическая принципиальная усилителя представлена в приложении А. Компоновка печатной платы усилителя представлена в приложении В.

1 Оформление курсовых и дипломных проектов (работ): Методические указания / И. Е. Мясников, Ю. А. Онучин, С. И. Тимошенко. Екатеринбург: изд. ИПК УГТУ, 2001.64 с.

2 Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоиздат, 1982. — 904 с., ил.

3 Транзисторный усилительный каскад: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электротехника и электроника» / сост. И. Е. Мясников. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. — 32 с.

4 Расчет предварительного усилителя на транзисторе: Методические указания по курсу «Общая электротехника и электроника» / сост. В. В. Муханов, В. И. Паутов — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. -22 с.

Приложение, А Принципиальная схема Рисунок А1 — Схема электрическая принципиальна я усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах Приложение Б Выбор элементной базы и составление перечня элементов Таблица Б1 — Перечень элементов

Приложение В

Компоновка печатной платы

Рисунок В1 — Монтажная схема платы усилителя напряжения низкой частоты на транзисторах