Расчёт предоконечного каскада.

Введение

Техническая электроника широко внедряется практически во все отрасли науки и техники, поэтому знание основ электроники необходимо всем инженерам. Особенно важно представлять возможности современной электроники для решения научных и технических задач в той или иной области. Многие задачи измерения, управления, интенсификации технологических процессов, возникающие в различных областях техники, могут быть успешно решены специалистом, знакомым с основами электроники.

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества.

В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения, мощности, усилители звуковой частоты.

Усилители звуковой частоты предназначены для усиления непрерыв­ных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного уст­ройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Все усилители мощности звуковой частоты предназначены для решения одной задачи - повысить уровень поступающих на них электрических сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу громкоговорителей.

2 Выбор элементной базы

Предположительно усилитель низких частот будет реализован на трёхкаскадной структуре. Оконечный каскад предварительно планируется реализовать на паре комплиментарных транзисторов со схожими характери­стиками и близкими по значению параметрами.

Предоконечный каскад является связующим между оконечным и входным, так как может быть, что входное сопротивление оконечного кас­када будет очень мало. Предоконечный каскад будет реализован на базе ка­кого-нибудь транзистора. Входной каскад будет основываться на ИМС, кото­рая будет выбрана в ходе расчётов.

Между полученными каскадами планируется разместить разделительные конденса­торы, чтобы предотвратить попадание постоянных составляющих из одного каскада в другой.

Расчёт оконечного каскада

Для расчёта был выбран оконечный каскад на паре комплементарных транзисторах, изображённый на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема оконечного каскада УМЗЧ

Выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, и максимальной амплитуде коллекторного тока:

P_max³(0.25¸0.3)P_вых Р_max³(0.2625¸0.75) (Вт)

По этим параметрам выбираем транзисторы VT1 и VT2 для оконечного каскада - КТ814А и КТ815Асоответственно, параметры которых приведены ниже:

I_кmax = 1.5 (A) U_кэmax = 40 (B)

P_кmax = 2 (Bт) h₂₁ = 40 - 70

Определим точки для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ814А (КТ815А):

U_кэ= Е_п=15=15 (B) I_к=Е_п /R_н=15/3=5 (A)

По этим значениям построим нагрузочную прямую. Результат построения отображён на рисунке 2.

Рисунок 2 - Семейство выходных характеристик и нагрузочная прямая для транзистора КТ814А (КТ815А)

На рисунке 3 изображена входная характеристика транзистора КТ814 (КТ815А).

По входной характеристике транзистора КТ814А (КТ815А) определяем рабочую область:

I_бmin=0,25 (мA) U_эб0=0,7 (B)

I_бmax= 23 (мA) U_эбmax=0,88 (B)

DI_mб= 22,75 (мA) U_mб=0,18 (B)

Рисунок 3 - Входная характеристика транзистора КТ814А (КТ815А)

Определим глубину ООС:

F=1+g_21*R_н , где g₂₁ - усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=1+7,17_* 3=22,52

Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

I_дел=(3¸5)I_б0; I_дел=(0,75¸1,25) (мA)

Следовательно, выбираем ток делителя, равный: I_дел=0,75 (мA)

согласно ряда Е24

I_диода= I_дел+I_б0; I_диода=0,75+0,25=1 (мA)

При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять: 2*U_эб0=1.4 [B]

Включение двух диодов КД-514А последовательно, обеспечат требуемое падение напря­жения.

Вольтамперная характеристика диода КД-514А изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Вольтамперная характеристика диода КД-514А

Рассчитаем входное сопротивление с учётом ООС:

; где ;

Рассчитаем амплитудные значения на входе:

; ;

Построим сквозную характеристику:

Выбираем R_г=103 (Oм)

Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные для построения сквозной характеристики

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rг, (B)	Eб= Iб * Rг + +Uэб, (B)
0.25		0.70	0,026	0,726
		0,77	0,103	0,873
		0,80	0,206	1,006
		0,83	0,515	1,345
		0,85	0,721	1,571
		0,86	1,030	1,890
		0,87	1,545	2,415
		0,88	2,369	3,249

Полученная сквозная характеристика отображена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Сквозная характеристика

По сквозной характеристики определяем:

I₁=1,0 (A)

I₂=0,6 (A)

Отсюда следует:

Задаём коэффициент асимметрии плеч который равен Х=0.5, тогда коэффициент нели­нейных искажений по второй гармонике:

С учётом ООС:

Коэффициент передачи для предоконечного каскада:

Рассчитаем частотные искажения в области верхних и низних частот:

где ω_В = 2πf_В – верхняя круговая частота;

τ_{В =} τ_β + τ_К – постоянная времени транзисторного каскада;

τ_К = С_к*R_н, С_к – емкость коллекторного перехода (справочные данные); R_н – сопротивление нагрузки.

ω_В = 2*3,14*10000 = 62800;

τ_К = 60*10^-12*3 = 1,8*10^-10

τ_В = 5,3*10^-8 + 1,8*10^-10 = 5,326*10^-8

ω_В = 2πf_Н

ω_Н = 2*3,14*80 = 502,4;

Расчёт предоконечного каскада.

Схема предоконечного каскада представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема предоконечного каскада

Определяем сопротивление резистора R3:

R₃ = Rк » (0.2 ¸ 0.3) R_вых = 0,3*172=51 (Ом), где R_вых = R_вх.ок.

Определяем сопротивление резистора R4:

R₄ = Rэ = 0.5*Rк= 0.5 * 51=25,5 » 27 (Ом)

Определяем статический и динамический токи:

На основании этих данных выбираем транзистор КТ911В со следующими параметрами:

U_экmax=40 (В) I_кmax=400 (мA)

На семействе выходных характеристик этого транзистора строим статическую нагрузоч­ную прямую. Результат показан на рисунке 7.

Рисунок 7 - Семейство выходных характеристик КТ911В

По нагрузочной прямой на рисунке 7 выбираем рабочую точку А с координатами:

U_эк=11(В) I_k=85 (мА) I_б=5 (мА).

Входная характеристика транзистора КТ911В изображена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Входная характеристика транзистора КТ911В

Для нахождения R_вх, проведем касательную к точке покоя А и найдем R_вх.пр как соотношение:

MK=0,055 (B); KА=5 (мA);

Рассчитаем коэффициент передачи ООС:

Рассчитаем глубину ООС:

,

где коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах определяется по формуле:

Определяем по выходной характеристике:

DI_к=100 (мA) DI_б=6 (мА)

Следовательно:

А=1+0,37_*59,1=22,9

Находим входное сопротивление предоконечного каскада с учётом ООС:

Находим амплитуду тока и напряжения на входе предоконечного каскада:

Определим элементы делителя напряжения в цепи базы.

Находим напряжение, подводимое к делителям R₁ и R₂.:

U_д = E_п=15 (B)

Выбираем ток делителя из условия:

I_дел=10I_б ; I_дел=10_*0,5=50 (мA) I_бр=5 (мA)

Падение напряжения на резисторе R₄ :

; U_бр=0,65 (В)

Рассчитаем искажения в предоконечном каскаде. Для этого построим сквозную характеристику:

E_б = U_эб + I_б×R_г= U_эб + 0.5×I_б×R_вх.оос= U_эб + 126×I_б

R_г=126 (Ом)

Данные для сквозной характеристики транзистора КТ911В приведены в таблице 2, полученная сквозная характеристика отображена на рисунке 9.

Таблица 2 – Данные для построения сквозной характеристики транзистора КТ911В

Iб, (mA)	Ik, (mA)	Uэб, (B)	IбRг, (B)	Eб, (B)
		0,61	2,52	3,13
		0,63	5,04	5,67
		0,65	6,3	6,95
		0,67	7,56	8,23

Рисунок 9 - Сквозная характеристика

По сквозной характеристике определяем:

а=70

b=71

c=82

Определим коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС:

Находим общий коэффициент нелинейных искажений для оконечного и предоконеч­ного каскадов:

Расчёт входного каскада

Входной каскад представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 – Входной каскад

Для реализации УНЧ выбираем микросхему КР328УН3 – одноканальный сверхмалошумящий усилитель низкой частоты. Её параметры:

U_пит - 15+15 (В)

U_m.вых.max. - 0.5 (B)

U_m.вх.max - 0.2 (B)

I_н (не болеее) - 5 (мA)

I_потр.(не более) - 6 (мA)

R_вх.₀ - 250 (кОм)

R_вых.₀ - 1 (кОм)

K₀ - 5000

На входе предоконечного каскада напряжение 0,9 (B). Напряжение источ­ника E=0,4 (B), значит коэффициент усиления каскада должен составить:

Подставляя R₃ типовое для включения ИМС R₃=30 (Ом) получаем:

Входное сопротивление с учетом ООC:

(МОм)

Выходное сопротивление с учетом ООС:

(Ом)

Падение напряжения на R₁ принимаем равным U_R1=6 [B]. Ток потребления микросхемы I_пот=6 [мA], тогда:

(Ом)

(мкФ)

Конденсатор С₂ на входе 10 (мкФ) из типовой схемы включения ИМС. Конденсатор С₃=0.15 (нФ) для коррекции микросхемы (ограничение диапазона рабочих час­тот).Конденсатор С₄=50 (мкФ) - емкость фильтра.

6 Расчёт межкаскадных связей

Основные линейные искажения в схеме приходятся на разделительные конденсаторы:

С₄ - между входным и предоконечным каскадом.

С - между предоконечным и оконечным каскадом.

С - между оконечным каскадом и нагрузкой.

Считаем, что заданный коэффициент ослабления разделен поровну между тремя каскадами:

;

Тогда коэффициент линейных искажений:

Емкость рассчитывается по формуле:

(мкФ);

(мкФ)

(мкФ)

Конденсаторы выбираем из ряда компонентов Е - 24.

Вывод

Данная курсовая работа представляет собой полный расчет усилителя мощности звуковой частоты.

В ходе работе выполнен полный электрический расчет усили­теля, разработан конструк­тивный чер­теж устройства.

Произведён расчёт оконечного каскада, предоконечного каскада, входного каскада, расчёт межкаскадных связей.

Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет тре­бова­нию технического задания и конструктивно может быть выполнен на печатной плате.

Список использованной литературы

1.Гершунский Б.С.

“Справочник по расчету электронных схем”- Киев : Вища школа 1983 г.

2.Лавриненко В.Ю.

“Справочник по полупроводниковым приборам”- М : “Техника” 1994 г.

3.Линецкий А.И.

“Конспект лекций по курсу: «Электроника и микросхемотехника»”.

4.Новаченко В.М.

“Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”- М. : КубК-а 1996 г.

Приложение А