Обґрунтування вибору схеми вихідного каскаду.

Вхідний каскад, структурна схема якого наведена на рис. 1, для полегшення розрахунку й проектування буде ґрунтуватися на ІМС, що буде обрана в ході розрахунків.

Рисунок 1 - Вихідний каскад. Схема структурна

2.1.1 Для реалізації ПНЧ вибираємо мікросхему TDA7294 -
•одноканальний малошумний підсилювач низької частоти. Її параметри:
U_ж 12÷40(B)

ƒ_вих 20 - 20 000 (Гц)

U_{м.вх.мах} 35 (В)

І_н (не більше) 60 (мА)

І_ж(не більше) 100 (мА)

К₀ 50000

2.1.2 На вході попереднього каскаду напруга 700 (мВ). Напруга джерела сигналу Е=60*10^-3 (В), значить коефіцієнт підсилення каскаду повинен скласти:

К_β = = =11.7

К_β = = ;

γ = = = 4285.7

γ = 1+K₀β β = = = 85,69*10^-3

β = = β*R₂+β*R₃ = R₃ R₂ =

2.2 Обґрунтування вибору схеми вхідного каскаду.

Вихідні дані

У результаті попереднього розрахунку було складено схему ІШЧ, у якому входить каскад попереднього підсилення з СЕ.

Виконаємо розрахунок каскаду, схема електрична принципова якого наведена на рис. 2, за такими вихідними даними:

1) амплітудне значення напруги на виході каскаду U_eux._m = 10 В;

2) опір навантаження R_H = 1200 Ом;

3) напруга джерела живлення Е_к = 28 В;

4) нижня межа частот ƒ_н = 75 Гц;

5) допустиме значення коефіцієнта викривлень у зоні нижніх
частот М_н=2,15.

Як і для попереднього розрахунку, вважаємо, що ПНЧ працює у стаціонарних умовах.

Необхідно визначити:

1) тип транзистора (уточнити правильність попереднього вибору);

2) режими роботи транзистора;

3) опори резисторів дільника R₁, R₂;

4) опір резистора колекторного навантаження R_3;

5) опір резистора в ланцюгу емітера R₄;

6) ємність розділяючих конденсаторів С₁, С₂;

7) ємність конденсатора в ланцюгу емітера С₃;

8) гарантовані значення коефіцієнтів підсилення каскаду за стру­мом К₁ напругою K_u та потужністю К_Р.

При побудові схеми каскаду будемо використовувати елементи з допустимим відхиленням від номінальної величини ±5% (виходячи з цього,у результатах розрахунку можна залишати не більше трьох значущих цифр).

Порядок розрахунку:

а) Перевіримо правильність попереднього вибору транзистора:

1) допустима напруга між колектором та емітером повинна перевищувати напругу джерела живлення

2)

U_Kmax>E_K; (1.1)

3) величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора

4)

I_{k max} > І_ok + І_Km, (1 2)

де I_ok -- струм спокою у колі колектора;

I_km -- амплітуда змінної складової струму у колі колектора;

I_km = U_вих.m/R_н≈, (1.3)

Де R_н≈ = ─ еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом. При цьому R₃ є навантаженням за постійним струмом.

Виходячи з того, що даний каскад є підсилювачем потужності, для забезпечення максимальної передачі потужності задаємо:

R₃ = R_н, (1.4)

тобто R₃ = 1200 Ом,

(до речі, за умови підсилення напруги задають R₃«R_н, а при підсиленні струму R₃»R_н ), тоді:

R_н≈ = =600 Ом;

I_Km = = 16,7 мА.

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають

І_OK = (1,05...1,1) I_Km =1,1*16,7 = 18,4(мА).

На підставі (1.1) та (1.2) необхідно вибрати транзистор, який би забезпечував:

U_Kmax > 30 В;

I_{K max}> 18,4+16,7=35,1 мA..

За результатами попереднього розрахунку було обрано у якості підси­люючого елемента транзистор типу КТ502. За даними довідника знаходимо, що заданим вимогам відповідає транзистор КТ502В, у якого U_Kmax = 60 В,

I_Kmax= 300 мА, h_21Е = 40...120, Р_Kmax = 500 мВт.

б) Знаходимо напругу між колектором та емітером транзистора у режимі спокою:

U_OK = U_вих.._m +U_ост (1.5)

де U_ост- напруга між колектором та емітером, нижче якої при роботі каскаду виникають значні нелінійні викривлення через те, що у робочу зону потрапляють ділянки характеристик транзистора зі значною кривизною.

Для середньопотужних транзисторів, як правило, задають U_ост = 1 В. Тоді

U_OK= 10+1 = 11В.

в) Знаходимо потужність, що виділяється на колекторі транзистора:

P_K = I_OK*U_OK (1.6)

При цьому необхідно забезпечувати виконання умови:

P_K<P_Kmax;

P_K = 18,4*11 = 202,4<500мВт.

Таким чином, вибраний тип транзистора відповідає вимогам за потужністю.

г) Знаходимо опір навантаження у колі колектора. Виходячи із (1.4),маємо:

R₃= 1200 Ом.

Потужність, що розсіюється в резисторі:

P = I²R. (1.7)

Отже

P_R3.= I²_okR₃ = (18,4*10^-3)²*1200 = 0,406 Вт.

За довідником вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,5 Вт з опором 1200 Ом.

д) Знаходимо опір резистора R4 у ланцюгу термостабілізації:

R₄ = - R₃. (1.8)

При цьому необхідно виконувати співвідношення:

= (0,1…0,4), (1.9)

що забезпечує незначне зниження динамічного діапазону каскаду і падіння напруги на R₄, яке перевищує значення контактного потенціалу р-n переходу транзистора (для забезпечення умов температурної стабілізації режиму спокою каскаду). Отже:

R₄ = - 1200 = 267 Ом;

= = 0,2.

Останнє відповідає умові (1.9).

Потужність, що розсіюється в R₄:

P_R4 = I²_OKR₄ = (18,4*10^-3)²*267 = 0,09 Вт.

За довідником вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,5 Вт з опором 280 Ом.

е) Знаходимо ємність конденсатора СЗ, що шунтує R₄ за умови, що його опір на частоті ƒ_н повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора R₄:

C₃ , (1.10)

де множник 10⁶ дозволяє отримувати значення ємності у мікрофарадах.

C₃ = 75,7 мкФ.

Робоча напруга на Сз:

U_C3 = I_okR₄C = 18,4*10^-3*280 = 5,15 В.

За довідником вибираємо конденсатор типу К50-35 ємністю 100 мкФ на напругу 6,3 В.

ж) Знаходимо величину струму спокою бази транзистора:

I_ОБ = I_OK/h_21Emin (1.11)

I_ОБ = 18,4 / 40 = 0,46 мА.

з) Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази -

U_ОБ≈0,6 В (1.12)

і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора:

R_ВХ = U_ОБ/I_ОБ , (1.13)

R_ВХ = = 1304 Ом.

й) Знаходимо величини опорів резисторів дільника R₁, R₂. Дільник підімкнено до напруги.

U_д = E_К = 28 В. (1.14)

Величина струму в дільнику вибирається у межах:

I_Д = (2 5)I_ОБ, (1.15)

що забезпечує незалежність задання режиму спокою транзистора при зміні його параметрів під впливом температури, при заміні на інший і т.п.

Ід = 5*0,46 = 2,3 мА.

Падіння напруги на резисторі R4 складає:

U_R4 = (Іок + I_ОБ)R₄, (1.16)

U_R4 = (18,4+0,46)*10^-3*280 = 5,28 В.

Тоді

R₁ = ; (1.17)

R₂ = . (1.18)

Отжe

R₁ = = 8449 Ом;

R₂ = = 1252 Ом.

За довідником вибираємо R₁=8,5 кОм; R₂=l,3 кОм.

Знаходимо потужність, що виділяється в резисторах R₁, і R₂:

P_R1 = (I_ОБ+I_д)² R₁; (1.19)

P_R2 = I_Д²R₂; (1.20)

P_R1 = [(0,46 + 2,3)*10^-3]²*8,5*10³ = 0,065 Вт;

Р_R2 = (2,3*10^-3)²*1,3*10³= 0,007 Вт.

Із довідника вибираємо резистори типу С2-33 потужністю 0,125 Вт.

к) Знаходимо ємність конденсатора С₂ за умови забезпечення допустимого значення коефіцієнта частотних викривлень М_н;

C₂ ,

значення якої отримуємо в мікрофарадах.

Робочу напругу C₂ приймаємо рівною

U_C2 = 1,5E_K. (1.21)

Тоді

C₂ =0,62мкФ,

U_C2 = 1,5*28 = 42 В.

За довідником вибираємо конденсатор типу К73-17 ємністю 0,68 мкФ на напругу 250 В.

л) Знаходимо амплітудні значення струму й напруги на вході каскаду:

I_вх.m = , (1.22)

де h_21Emin - мінімальне значення коефіцієнта передачі струму в схемі з СЕ для обраного транзистора.

I_вх.m = = 0,42 мА.

U_вх.m = I_вх.mR_вх. (1.23)

U_вх.m = 0,42*10^-3*1304 = 0,5477 В.

Необхідна потужність вхідного сигналу

P_вх = , (1.24)

P_вх = = 1,15*10^-4 Вт.

м) Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою та потужністю:

K₁ = h_21Emin = 40* = 20, (1.25)

K_U = h_21Emin = 40* = 1,84, (1.26)

K_p = K₁K_U = 20*1,84 = 36,8, (1.27)

_ờБ = 10 1g K_p = 10 1g 36,8 = 15,7 дБ.

Раніше було прийнято значення коефіцієнта підсилення за потужністю 20 дБ, отже каскад розраховано вірно.

Більше того, навіть за мінімального значення коефіцієнта підсилення транзистора h_21Emin = 40, маємо запас за підсиленням. Діапазон можливих значень коефіцієнта підсилення у транзисторів досить широкий:

для КТ502В він складає h_21E = 40...120. Отже основний параметр може перевищувати своє мінімальне значення у 3 рази!

На перший погляд це може здатися суттєвим недоліком, бо результати розрахунків, що ми отримали, виявилися досить приблизними. Але застосування у підсилювачах негативного зворотного зв'язку, введення якого у цьому випадку зможе стабілізувати значення коефіцієнта підсилення, а також покращити інші параметри пристрою.

н) Електричну принципову схему розрахованого каскаду підсилення з СЕ наведено на рис. 2.1

Рисунок 2,1 – Каскад підсилення з СЕ. Схема електрична принципова.