Файл: Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине Электроника и цифровая схемотехника.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 113
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
/ (2Rн). Для надежной работы усилителя его рабочая точка не должна выходить из области максимально допустимых режимов. Эта область задается в справочных данных на транзистор.
а) б)
Рис. 5. Характеристики режима транзистора оконечного каскада:
а) выходная; б) входная.
2. Строят треугольник мощности со сторонами Umн, IКн =Umн ∕ Rн и оценивают возможность получения заданной мощности – Рвых=0,5Umн IKн.
3. Определяют мощность, отбираемую обоими плечами оконечного каскада УНЧ от источника питания Р0=Ек·IKн ∕ π и его коэффициент полезного действия η = Рвых ∕ Р0.
4. Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой UКЭ0= Ек /2; IK0 = (0,05÷0,15)·IKн - для режима АВ и IK0 =0 для режима В. Постоянный ток базы в рабочей точке будет определяться соотношением ІБ0=ІК0 /β, где β = h21Э . Максимальная величина базового тока транзистора, соответственно – ІБm=ІКн /β.
5. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находят амплитудные значения тока базыІmБи напряжения базы UmБЭсогласно выражений: ; . Если входная характеристика отсутствует, то приближенно .
6. По входной характеристике определяют ориентировочное значение входного сопротивления транзистора выходного каскада rвх=h11Э=UmБЭ/ІmБ .
7. Находят величины сопротивлений резисторов R1и R2.
Сопротивления резисторов R1и R2 принимают одинаковыми:
R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД,
где ІД – ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0.
Значения R1 и R2 округляют до номинальных значений (см.табл.2,3, приложения 2 ) и рассчитывается мощность, рассеиваемая на них РR = IД2R1.
Диод (диоды, если одного недостаточно) выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем составляло 2UБЭ0 при токе ІД.
8. Входное сопротивление оконечного каскада составит:
RВХ =β Rд Rн /(β Rн + Rд),
где Rд = R1 / 2 – сопротивление делителя.
9. Амплитуда входного напряжения каскада: Um.вх ≈ Umн, поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.
10. Находят емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений Мн на частоте fн: С2≥ 1/(2πfнRн ) . Значения получают в микрофарадах.
2.3.2. Расчет каскада предварительного усиления УНЧ
В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.
Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.
Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 3,а. Исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета) для расчета являются:
1) амплитуда напряжения на выходе каскада – Um вых.= Umн;
2) сопротивление нагрузки Rн = RВХ;
3) напряжение источника питания – Eк;
4) нижняя граница частот –
fн ;
5) допустимое значение коэффициента искажений в области низких частот– Мн.
Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.
Необходимо определить:
1) тип транзистора;
2) режимы роботы транзистора;
3) сопротивления резисторов делителя R1,R2;
4) сопротивление резистора коллекторной нагрузки RК;
5) сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ;
6) емкость разделительного конденсатора С2;
7) емкость конденсатора в цепи эмиттера СЭ;
8) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току КI,по напряжению КU и по мощности КP .
При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 % (выходя из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).
Порядок расчета:
1. Выбор типа транзистора каскада предварительного усиления.
Для нормального режима роботы транзистора:
1) допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания UKЭ max >EK;
2) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора
IK max >IK0 + IKm,
где IKm= Um вых / Rн ≈– амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора; Rн ≈ = RК RВХ/ (RК+RВХ)– эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току; IK0– ток покоя в цепи коллектора.
Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задают
RК = RВХ.
Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают
IK0=(1,05...1,1)· IKm.
На основании этих ограничений необходимо выбрать по данным табл.1, приложения 2 транзистор.
2. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:
UKЭ0= Um вых + Uост,
гдеUост – напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.
Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.
3. Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:
PK =IK0·UKЭ0 .
При этом необходимо обеспечить выполнение условия PK< PKmax .
Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает и требованиям по мощности.
4. Находим сопротивление нагрузки RК в цепи коллектора.
Для согласования выхода каскада со входом последующего RК=RВХ.
Рассеиваемая мощность на резисторе составит:
РRк = IK02 RК.
Из табл.2,3 приложения 2 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.
5. Находим сопротивление резистора RЭ в цепи термостабилизации:
RЭ=
При этом необходимо выполнение соотношения RЭ / RК = (0,1...0,4),
для обеспечения температурной стабилизации режима покоя каскада.
Мощность, рассеиваемая на RЭсоставит:
РR = IK02 ·RЭ.
Из табл. 2, 3 приложения 2 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.
6. Находим емкость конденсатора СЭ в цепи термостабилизации.
Емкость СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте fн должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора RЭ
CЭ≥
где множитель 106 позволяет получить значение емкости в микрофарадах.
Рабочее напряжение на СЭ
UС = IK0·RЭ.
Из табл. 1 приложения 3 выбираем конденсатор.
7. Находим величину тока покоя базы:
IБ0=ІК0 / h21Эmin,
где h21Эmin – минимальное значение коэффициента передачи тока транзистора в схеме ОЭ для выбранного транзистора.
8. Находим величину напряжения покоя между базой и эмиттером транзистора.
Поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6В, то напряжение базы покоя
UБ0=0,6В
иможно найти ориентировочное значение входного сопоротивления транзистора в рабочей точке
rвх= UБ0/ IБ0 .
9. Находим величину сопротивлений резисторов делителя R1 ,R2 .
Величина тока в делителе выбирается в пределах
ІД =(2÷5)·ІБ0,
что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.
Падение напряжения на резисторе RЭсоставляет URЭ =(IK0 + IБ0)·RЭ, тогда
R1 =
R2 =
Находим мощность, что выделяется в резисторах R1иR2:
PR1= (IБ0 + IД)2 ·R1;PR2=IД2·R2 .
Из табл. 2, 3 приложения 2 выбираем резисторы R1иR2по мощности и сопротивлению.
10. Находим емкость разделительного конденсатора С2 .
Емкость С2 выбирают из условия обеспечения допустимого значения коэффициента частотных искажений Мнна низкой частоте:
С2≥ значения получим в микрофарадах.
Рабочее напряжение
а) б)
Рис. 5. Характеристики режима транзистора оконечного каскада:
а) выходная; б) входная.
2. Строят треугольник мощности со сторонами Umн, IКн =Umн ∕ Rн и оценивают возможность получения заданной мощности – Рвых=0,5Umн IKн.
3. Определяют мощность, отбираемую обоими плечами оконечного каскада УНЧ от источника питания Р0=Ек·IKн ∕ π и его коэффициент полезного действия η = Рвых ∕ Р0.
4. Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой UКЭ0= Ек /2; IK0 = (0,05÷0,15)·IKн - для режима АВ и IK0 =0 для режима В. Постоянный ток базы в рабочей точке будет определяться соотношением ІБ0=ІК0 /β, где β = h21Э . Максимальная величина базового тока транзистора, соответственно – ІБm=ІКн /β.
5. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находят амплитудные значения тока базыІmБи напряжения базы UmБЭсогласно выражений: ; . Если входная характеристика отсутствует, то приближенно .
6. По входной характеристике определяют ориентировочное значение входного сопротивления транзистора выходного каскада rвх=h11Э=UmБЭ/ІmБ .
7. Находят величины сопротивлений резисторов R1и R2.
Сопротивления резисторов R1и R2 принимают одинаковыми:
R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД,
где ІД – ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0.
Значения R1 и R2 округляют до номинальных значений (см.табл.2,3, приложения 2 ) и рассчитывается мощность, рассеиваемая на них РR = IД2R1.
Диод (диоды, если одного недостаточно) выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем составляло 2UБЭ0 при токе ІД.
8. Входное сопротивление оконечного каскада составит:
RВХ =β Rд Rн /(β Rн + Rд),
где Rд = R1 / 2 – сопротивление делителя.
9. Амплитуда входного напряжения каскада: Um.вх ≈ Umн, поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.
10. Находят емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений Мн на частоте fн: С2≥ 1/(2πfнRн ) . Значения получают в микрофарадах.
2.3.2. Расчет каскада предварительного усиления УНЧ
В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.
Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.
Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 3,а. Исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета) для расчета являются:
1) амплитуда напряжения на выходе каскада – Um вых.= Umн;
2) сопротивление нагрузки Rн = RВХ;
3) напряжение источника питания – Eк;
4) нижняя граница частот –
fн ;
5) допустимое значение коэффициента искажений в области низких частот– Мн.
Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.
Необходимо определить:
1) тип транзистора;
2) режимы роботы транзистора;
3) сопротивления резисторов делителя R1,R2;
4) сопротивление резистора коллекторной нагрузки RК;
5) сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ;
6) емкость разделительного конденсатора С2;
7) емкость конденсатора в цепи эмиттера СЭ;
8) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току КI,по напряжению КU и по мощности КP .
При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 % (выходя из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).
Порядок расчета:
1. Выбор типа транзистора каскада предварительного усиления.
Для нормального режима роботы транзистора:
1) допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания UKЭ max >EK;
2) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора
IK max >IK0 + IKm,
где IKm= Um вых / Rн ≈– амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора; Rн ≈ = RК RВХ/ (RК+RВХ)– эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току; IK0– ток покоя в цепи коллектора.
Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задают
RК = RВХ.
Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают
IK0=(1,05...1,1)· IKm.
На основании этих ограничений необходимо выбрать по данным табл.1, приложения 2 транзистор.
2. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:
UKЭ0= Um вых + Uост,
гдеUост – напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.
Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.
3. Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:
PK =IK0·UKЭ0 .
При этом необходимо обеспечить выполнение условия PK< PKmax .
Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает и требованиям по мощности.
4. Находим сопротивление нагрузки RК в цепи коллектора.
Для согласования выхода каскада со входом последующего RК=RВХ.
Рассеиваемая мощность на резисторе составит:
РRк = IK02 RК.
Из табл.2,3 приложения 2 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.
5. Находим сопротивление резистора RЭ в цепи термостабилизации:
RЭ=
При этом необходимо выполнение соотношения RЭ / RК = (0,1...0,4),
для обеспечения температурной стабилизации режима покоя каскада.
Мощность, рассеиваемая на RЭсоставит:
РR = IK02 ·RЭ.
Из табл. 2, 3 приложения 2 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.
6. Находим емкость конденсатора СЭ в цепи термостабилизации.
Емкость СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте fн должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора RЭ
CЭ≥
где множитель 106 позволяет получить значение емкости в микрофарадах.
Рабочее напряжение на СЭ
UС = IK0·RЭ.
Из табл. 1 приложения 3 выбираем конденсатор.
7. Находим величину тока покоя базы:
IБ0=ІК0 / h21Эmin,
где h21Эmin – минимальное значение коэффициента передачи тока транзистора в схеме ОЭ для выбранного транзистора.
8. Находим величину напряжения покоя между базой и эмиттером транзистора.
Поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6В, то напряжение базы покоя
UБ0=0,6В
иможно найти ориентировочное значение входного сопоротивления транзистора в рабочей точке
rвх= UБ0/ IБ0 .
9. Находим величину сопротивлений резисторов делителя R1 ,R2 .
Величина тока в делителе выбирается в пределах
ІД =(2÷5)·ІБ0,
что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.
Падение напряжения на резисторе RЭсоставляет URЭ =(IK0 + IБ0)·RЭ, тогда
R1 =
R2 =
Находим мощность, что выделяется в резисторах R1иR2:
PR1= (IБ0 + IД)2 ·R1;PR2=IД2·R2 .
Из табл. 2, 3 приложения 2 выбираем резисторы R1иR2по мощности и сопротивлению.
10. Находим емкость разделительного конденсатора С2 .
Емкость С2 выбирают из условия обеспечения допустимого значения коэффициента частотных искажений Мнна низкой частоте:
С2≥ значения получим в микрофарадах.
Рабочее напряжение