- •Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения
- •Оконечные каскады усиления
- •Анализ принципиальных схем оконечных трансформаторных каскадов мощного усиления
- •Расчёт каскадов мощного усиления
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
- •Тема: Расчёт усилителя низкой частоты на биполярных транзисторах
- •Порядок выбора резисторов в схеме усилительного каскада
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию Пермский государственный технический университет
А.И. Судаков
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Пермь 2006
УДК 621.375.4.029.4 С89
Рецензенты:
профессор, доктор техн. наук Уральского гос. техн. ун-та - УПИ
Ф.Н. Сарапулов,
доцент Пермского государственного технического университета
РЖ. Адиатуллин
Судаков, А.И.
С89 Проектирование усилителей низкой частоты на биполярных тран зисторах учебно-метод. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006. - 74 с.
Учебное пособие по проектированию усилителей низкой частоты на биполяр ных транзисторах по дисциплине «Физические основы электроники» предназначено для студентов всех форм обучения направления «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Пособие включает эскизное проектирование всего усилительного тракта и де тальный расчет оконечного и предоконечного каскадов. В пособии представлены вари анты заданий и примеры расчета усилителей мощности в режимах А, В, АВ.
УДК 621.375.4.029.4
©Пермский государственный технический университет, 2006
СОДЕРЖ АНИЕ |
|
Задачи курсовой работы |
5 |
Задание на курсовое проектирование транзисторных усилителей низ |
|
кой частоты (УНЧ) |
5 |
Исходные данные для проектирования УНЧ средней и большой мощ |
|
ности ........................................................................................................................ |
6 |
Рекомендации по проектированию усилителей низкой частоты .............. |
7 |
Порядок расчёта................................................................................................... |
7 |
Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, |
|
транзисторов для них и способа их включения............................................... |
11 |
Оконечные каскады усиления............................................................................ |
12 |
О выборе транзистора для оконечного каскада |
14 |
Анализ принципиальных схем оконечных трансформаторных каскадов |
|
мощного усиления................................................................................................ |
16 |
Расчёт каскадов мощного усиления |
24 |
Методика эскизного расчёта усилителя низкой частоты |
25 |
Пример эскизного расчёта усилителя низкой частоты ................................. |
35 |
Расчёт двухтактного оконечного усилителя мощности в режиме В |
45 |
Расчёт однотактного предоконечного усилительного каскада в режи |
|
ме Л |
49 |
Расчёт оконечного усилителя мощности в режиме АВ |
54 |
Список литературы.............................................................................................. |
61 |
Приложения |
62 |
Обозначения параметров биполярных транзисторов (соответствующие публикации МЭК148 и стандарту - ГОСТ 2003-74)
Асбо |
- обратный ток коллектора |
|
||
- обратный ток эмиттера |
|
|||
Асэо |
|
|||
- максимально допустимый постоянный ток коллектора |
||||
Астах |
||||
- максимально допустимый постоянный ток эмиттера |
||||
Аэтах |
||||
- |
максимально допустимое |
постоянное напряжение коллектор- |
||
^КБтах |
||||
|
база |
|
||
|
|
|
||
|
- |
максимально допустимое |
постоянное напряжение коллектор- |
^КЭтах
|
эмиттер |
^ЭБтах |
- максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база |
|
Р- постоянная рассеиваемая мощность транзистора
Рср |
- средняя рассеиваемая мощность транзистора |
|
- импульсная рассеиваемая мощность транзистора |
||
Ри |
||
- постоянная рассеиваемая мощность коллектора |
||
Рк |
||
Рк> т шах |
- постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом |
|
Л* |
- входная мощность транзистора |
|
- выходная мощность транзистора |
||
^вых |
||
- максимально допустимая импульсная рассеиваемая мощность |
||
^ишах |
||
- максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность |
||
Р К шах |
||
|
коллектора |
Р К ср max - максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность кол
|
лектора |
|
/гр |
- граничная частота коэффициента передачи тока транзистора |
|
для схемы с общим эмиттером |
||
|
||
Л21э, |
- статический коэффициент передачи тока транзистора в режиме |
|
Л21Э |
малого сигнала и в режиме большого сигнала соответственно |
|
|
для схемы с общим эмиттером |
|
Ч р |
- коэффициент усиления мощности |
|
Аэкр |
- температура окружающей среды |
|
Тк |
- температура корпуса |
|
т |
- температура перехода |
|
1 п |
- тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде |
|
Я т , П С |
||
Ят, п-к |
- тепловое сопротивление от перехода к корпусу |
|
Ят, к-с |
- тепловое сопротивление от корпуса к окружающей среде |
ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Задачами курсовой работы являются закрепление знаний, получен ных при изучении дисциплины «Физические основы электроники», приоб ретение опыта разработки и расчета основных характеристик усилитель ных каскадов, а также активизация самостоятельной работы, развитие на выков выполнения информационного поиска, пользования справочной ли тературой, определения параметров эквивалентных схем биполярных и полевых транзисторов, в создании разностороннего представления о кон кретных электронных элементах.
В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданного типа транзистора выписать паспортные параметры и статические характеристи ки, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбрать положение режима покоя и графоаналити ческим методом определить основные параметры усилительного каскада.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ (УНЧ)
1. Произвести эскизный расчет УНЧ, т.е. составить блок схему и принципиальную электрическую схему усилителя для низкоомной нагруз ки по следующим исходным данным (табл. 1):
Рн- требуемая мощность в нагрузке;
RH- сопротивление в нагрузке;
Кг- коэффициент нелинейных искажений (или гармоник);
FHF B- полоса усиливаемых частот, соответственно нижних и верх
них;
Мн, Мв - коэффициент частотных искажений, соответственно ниж них и верхних;
Токррабочий диапазон температуры окружающей среды;
Ес, Rc- ЭДС и внутреннее сопротивление источника сигнала. Величину источника питания выбрать самостоятельно.
2. Рассчитать оконечный и предоконечный каскады УНЧ по исход ным данным табл. 1:
2.1.Методика расчета однотактного оконечного каскада в режиме А.
2.2.Методика расчета двухтактного каскада в режиме В.
2.3.Методика расчета радиаторов.
2.4.Методика проектирования трансформаторов для усилителей.
П р и м е ч а н и е : материал по пп. 2.3 и 2.4 при необходимости вы даётся преподавателем в зависимости от объёма читаемого теоретического курса ФОЭ, специализации и объёма задания на проектирование.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНЧ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
|
|
|
|
|
|
|
Исходные данные |
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Вари |
Р » |
* н , |
к п |
F„, |
F B, |
м „ , |
М й, |
Т |
|
°С |
£ С>В |
Rc, Ом |
|||
ант |
Вт |
Ом |
% |
Гц |
Гц |
Дб |
Дб |
•* окр> |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
1 |
1 |
|
18 |
12 |
250 |
2500 |
3 |
6 |
--40...+40 |
|
0,05 |
50 |
|||
2 |
2 |
|
12 |
12 |
250 |
2500 |
3 |
6 |
--40...+40 |
|
0,1 |
100 |
|||
3 |
3 |
|
|
6 |
12 |
250 |
2500 |
3 |
6 |
--40...+40 |
|
0,2 |
150 |
||
4 |
4 |
|
18 |
10 |
80 |
5000 |
3 |
6 |
•-40...+40 |
0,001 |
400 |
||||
5 |
5 |
|
12 |
10 |
90 |
5000 |
3 |
6 |
-40...+40 |
0,002 |
600 |
||||
6 |
10 |
|
|
6 |
10 |
100 |
5000 |
3 |
6 |
-40...+40 |
0,003 |
800 |
|||
7 |
15 |
|
|
18 |
8 |
80 |
6000 |
3 |
6 |
-40...+40 |
0,003 |
700 |
|||
8 |
20 |
|
|
12 |
8 |
90 |
6000 |
3 |
6 |
-40...+40 |
|
0,004 |
800 |
||
9 |
25 |
|
|
6 |
8 |
100 |
6000 |
3 |
6 |
-40...+40 0,005 |
1000 |
||||
10 |
25 |
|
|
10 |
7 |
50 |
5000 |
3 |
6 |
^10...+40 |
|
0,5 |
30000 |
||
11 |
30 |
|
|
9 |
7 |
75 |
7500 |
3 |
6 |
—40...+40 |
|
1 |
50000 |
||
12 |
40 |
|
|
6 |
7 |
100 |
10000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
2 |
100000 |
||
13 |
50 |
|
|
10 |
6 |
30 |
10000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,2 |
10000 |
||
14 |
60 |
|
|
9 |
6 |
40 |
12000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,3 |
25000 |
||
15 |
70 |
|
|
6 |
6 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
—40...+40 |
|
0,5 |
50000 |
||
16 |
75 |
|
|
10 |
6 |
30 |
10000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,3 |
100000 |
||
17 |
80 |
|
|
9 |
6 |
40 |
12000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,4 |
150000 |
||
18 |
85 |
|
|
6 |
6 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,5 |
200000 |
||
19 |
90 |
|
|
10 |
6 |
30 |
10000 |
3 |
3 |
—40...+40 |
|
0,6 |
200000 |
||
20 |
95 |
|
|
10 |
6 |
40 |
12000 |
3 |
3 |
—40...+40 |
|
0,7 |
250000 |
||
21 |
100 |
|
|
10 |
6 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
0,8 |
300000 |
||
22 |
П О |
|
|
6 |
6 |
30 |
10000 |
3 |
3 |
-40...+40 |
|
1 |
200000 |
||
23 |
120 |
|
|
6 |
6 |
40 |
12000 |
3 |
3 |
-40...+40' |
|
2 |
250000 |
||
24 |
130 |
|
|
6 |
6 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
-40...+40> |
3 |
300000 |
|||
25 |
140 |
|
|
6 |
5 |
30 |
10000 |
3 |
3 |
—40...+401 |
3 |
200000 |
|||
26 |
150• |
|
6 |
5 |
40 |
12000 |
3 |
3 |
-40...+4С) |
|
4 |
250000 |
|||
27 |
1301 |
6 |
5 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
|
-40...+4С) |
|
5 |
300000 |
|||
28 |
140> |
6 |
5 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
|
-40...+4() |
|
5 |
300000 |
|||
29 |
15С) |
|
6 |
5 |
50 |
15000 |
3 |
3 |
|
—40...+41) |
|
5 |
300000 |
||
30 |
16() |
|
6 |
5 |
50 |
15000i 3 |
3 |
|
-40...+41) |
|
5 |
300000 |
Схемы включения транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК), режимы {А, В, АВ), вид каскада (однотактный, двухтактный, с трансформатором или без него на выходе и входе оконечного каскада и т.д.) в каждом варианте обосно-
вываются в зависимости от исходных данных и назначения усилителя мощности. Напряжение источника питания усилителя определяется само стоятельно проектантом с учетом предельно допустимых параметров (^Кшах) Летах) транзисторов для оконечного каскада.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Кроме приведенных в табл. 1 исходных данных для проектирования УНЧ должны быть известны назначение усилителя, тип источника пита ния, требования к конструкции.
Учитывая учебный характер курсовой работы, требования к источ нику питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванические элементы, ста ционарная сеть и т.д.), к конструкции (стационарный, малогабаритный пе реносной и т.д.) проектирующий определяет самостоятельно.
Назначение усилителей в принципе определяется заданным диапазо ном рабочих частот, температурой окружающей среды и уровнем коэффи циента гармоник, т.е. условиями эксплуатации.
Назначение усилителей в целом ориентировано на использование для радиовещания приёмниками среднего качества, коммерческую теле фонию и близко к высококачественному воспроизведению речи и музыки в ряде заданных вариантов расчёта усилителей, а также для промышленных целей.
Требования к источнику сигнала, т.е. к амплитуде ЭДС источника сигнала Ес и его выходному сопротивлению Rc отвечают реальным источ никам радиовещания (микрофоны, звукосниматели, детекторы и т.д.).
Порядок расчёта
1. Эскизный расчёт усилителя (выполняется полностью в каждом варианте).
1.1. Начинают проектирование с составления блок-схемы усилите выбора её каскадов по исходным данным на проектирование. При этом следует знать что типовая (стандартная) блок-схема должна содержать ис точник сигнала и нагрузку, которые представлены в задании. Между ними предусматривают входное устройства, предварительный усилитель и вы ходной мощный усилитель (называемый также оконечным каскадом).
На этом этапе решают, нужны ли в проектируемом усилителе вход ное и выходное устройства (трансформаторы или развязывающие конден саторы), объём элементов схем, а также количество транзисторов и каска дов в составе предварительного усилителя и мощного усилителя.
1.2. Выбор принципиальных схем усилительных каскадов блоксхемы усилителя.
После составления блок-схемы усилителя перед проектировщиком встаёт задача выбора стандартных принципиальных схем:
-входного и выходного устройств (реостатно-ёмкостные, трансформаторные и др.);
-оконечного каскада, т.е. мощного усилителя (однотактная, двух тактная, трансформаторная, бестрансформаторная и др.);
-предварительного усилителя (с прямой связью, реостатной, транс форматорной, инверсной и др.).
1.3.Выбор транзисторов для всех усилительных каскадов и опреде ление количества каскадов.
Для этого за основу берут выходную мощность или напряжение и входную мощность или напряжение источника сигнала. Определяют сум марный коэффициент усиления всех каскадов проектируемого усилителя. Затем определяют коэффициент усиления оконечного и предоконечного каскадов, входного и промежуточных каскадов. Уточняют количество кас кадов усилителя и составляют ориентировочную принципиальную схему усилителя. После этого распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения.
Распределение коэффициентов частотных искажений Мн и Мв произ водят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах.
2. Электрический расчёт элементов схемы усилителя. Расчет усили теля низкой частоты, как любого сложно многокаскадного усилителя, на чинают с оконечного каскада, т.е. мощного выходного каскада усилителя, затем рассчитывают предоконечный каскад, стоящие перед ним промежу точные, заканчивая расчет входным каскадом.
Понятно, что полный расчет усилителя требует больших затрат вре мени, поэтому для детального расчета согласно заданию на проектирова ние предложен лишь оконечный усилитель мощности и предоконечный (если без него не обойтись). При этом объем расчетов в вариантах может зависеть от исходных данных на проектирование усилителя и степени ис пользования в конкретном случае имеющихся возможностей схем включе ния биполярных транзисторов и возможностей самих транзисторов.
На этапе эскизного проектирования УНЧ наиболее ответственной частью проектирования является выбор схемы оконечного каскада, выбор транзистора для него, а также выбор режима работы и схемы включения транзистора. Грамотно решив эту задачу на этапе эскизного проектирова ния, можно рассчитывать на успешное завершение курсовой работы. Для этого необходимо знать следующее. Обычно в усилителях звуковой часто ты оконечный каскад является каскадом мощного усиления с трансформа
торным выходом. Этот каскад должен отдавать в нагрузку заданную мощ ность сигнала при наименьшем потреблении мощности от источника пита ния и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. При этом прежде всего следует решить задачу, будет ли каскад однотактным или двухтактным?
Однотактный каскад имеет один транзистор и может быть использо ван только в режиме А, что ведёт к увеличению мощности источника пита ния, а КПД при этом получается менее 50 % (0,4—0,45). В этом случае не требуется сложных схем предварительного усилителя, зато требуется меньшая пульсация источника питания и обеспечивается высокий коэффи циент гармоник. Конструкция выходного трансформатора в однотактных усилителях больше из-за наличия постоянного подмагничивания.
Двухтактный каскад обеспечивает в нагрузке вдвое большую мощ ность, чем однотактный, имеет меньший коэффициент гармоник, выход ной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в трипять раз большую пульсацию источника питания. С другой стороны, в двухкаскадном каскаде необходимо наличие двух транзисторов, выходно го трансформатора с удвоенным числом витков первичной обмотки и сред ней точкой, а также инверсной схемы предыдущего каскада. Зато эта схема позволяет использовать экономичный режим В (в отличие от однотактной), что уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя и позволяет достаточно высоко поднять КПД.
В схемах включения транзистора с общей базой (ОБ) и общим эмит тером (ОЭ) транзисторы в плечах двухтактной схемы подбираются с оди наковыми или почти одинаковыми значениями (3 (допускается разброс до 20 %), а также по возможности с одинаковой граничной частотой
Выбрав на основании изложенного схему оконечного каскада, режим его работы, находят колебательную мощность сигнала ~Р, которую должен обеспечить транзистор в той или иной схеме.
По найденной колебательной мощности подбирают из справочника подходящий тип транзистора. В справочниках на одинаковые типы транзи сторов приводятся формулы для расчёта рассеиваемой коллектором тран зистора мощности при различной температуре с учётом теплового сопро тивления, что позволяет проверить пригодность выбранного транзистора на допустимую мощность с учётом заданного в исходных данных макси мального уровня температуры окружающей среды.
Способ включения транзистора выбирают из следующих условий:
- при включении транзистора с ОБ обеспечиваются наименьшие не линейные искажения и свойства каскада мало меняются при изменении температуры и замене транзистора, поэтому в двухтактной схеме транзи сторы подбирать по |3 необязательно;
-включение транзистора с ОЭ в р раз снижает необходимую вход ную мощность сигнала по сравнению с включением транзистора с ОБ, но при этом возрастает коэффициент гармоник. Замена транзистора изменяет усиление и характеристики каскада сильнее при колебаниях температуры в сравнении с ОБ;
-включение транзистора с общим коллектором (ОК) требует пере стройки режима по постоянному току после замены транзистора, хотя тре бует примерно такой же входной мощности, как в схеме с ОБ. Включение транзистора с ОК обеспечивает в схеме очень малый коэффициент гармо ник при малом сопротивлении источника сигнала и сравнительно постоян ный коэффициент усиления по мощности (рис. 1).
*Г.%
о >----------------- |
1----------------- |
1------------------ |
1 |
0,01 |
0,1 |
1 |
10 |
б
Рис. 1. Зависимость коэффициента гармоник К г от отношения сопротивления источника сигнала R c к входному сопротивлению транзистора R BX (а)
и коэффициента усиления по мощности К у р входных и промежуточных каскадов от сопротивления нагрузки R н (б)
После выбора схемы включения транзистора оконечного каскада, определяется напряжение источника питания, так как в задании на проек тирование оно не задано.
В трансформаторных каскадах напряжение питания (/<> следует брать равным (0,3-0,5)С /Доп, где (/доп - максимальное допустимое мгновенное значение напряжения между выходными электродами транзистора для различных схем включения транзистора. Оно приводится в справочниках.
Далее находят амплитуду переменной составляющей выходного тока
/Вых т- Для этого с учётом максимально допустимых напряжения и тока коллектора, а также допустимой мощности рассеивания коллектором стро ят нагрузочную прямую на семействе статических выходных характери стик выбранного транзистора. Для большей уверенности в правильности построения нагрузочной прямой целесообразно рассчитать и нанести на семейство статических характеристик допустимую кривую мощности транзистора с учётом максимальной заданной температуры по исходным данным на проектирование.
Выходную мощность, отдаваемую транзистором, определяют в зави симости от режима работы оконечного каскада. Затем по входной динами ческой характеристике определяют амплитуды входного сигнала UBX т,
/ах твходную мощность сигнала и коэффициент усиления оконечного кас када.
Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения
Если требуется предоконечный каскад, то аналогично описанному необходимо привести его принципиальную схему, выбрать транзисторы и т.д. Если по обоснованию он не требуется, то можно приступать к обосно ванию принципиальных схем и выбору транзисторов каскадов предвари тельного усилителя. Выбор схем и транзисторов для них производят так же, как и для предоконечного каскада усилителя. В большинстве случаев каскады предварительного усиления удаётся сделать реостатными. Обычно транзисторы в этом случае, как и для предоконечного каскада, включают с ОЭ, что позволяет получить от каждого каскада наибольшее усиление.
Транзистор входного каскада усилителя при высоком сопротивлении источника сигнала (более 10 к) целесообразно включать по схеме с ОК. Можно предусмотреть каскад на полевом транзисторе или использовать биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT - insulated gate bipolar transistor).
Принципиальную схему предоконечного каскада, последнего в пред варительном усилителе (напомним, если по обоснованию этот каскад не обходим), выбирают в зависимости от схемы оконечного каскада. В трансформаторном двухтактном оконечном каскаде с транзисторами одной проводимости предоконечный каскад выполняют инверсным.
Если требуемую амплитуду тока сигнала входной цепи оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора предоконечного каскада, то предоконечный каскад может быть выполнен реостатным. Если это невозможно и, например, если по обоснованию тре