ОДНОТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы в проектировании усилительных устройств утвердились новые научно-технические направления. К ним относятся создание аналоговых устройств на базе операционных усилителей, где формирование их внешних характеристик осуществляется путем введения внешних цепей обратной связи, совершествование методов проектирования аналоговой микросхемотехники и т.д.

В первой части курсовой работеоднотактный трансформаторный усилитель мощности на биполярном транзисторе. Рассчитаны резисторы, мощности, выделяемой в коллекторной цепи VT1, цепи делителя, выходного трансформатора.

Во второй части рассмотрен предварительный усилитель на операционном усилителе, расчет требуемой глубины ОСС.

В третьем пункте приведен генератор синусоиды на операционном усилителе.

ОДНОТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Исходными данными для расчета однотактного усилителя мощности являются входные параметры двухтактного усилителя мощности (см. подраздел 2.10):

- мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 4,212 мВт;

- сопротивление нагрузки R_н= 58 Ом;

- частота сигнала f_н=75 Гц;

- амплитуда напряжения на нагрузке

Принципиальная схема однотактного трансформаторного усилителя мощности представлена на рисунке 3.1.

Риcунок 1.1 – Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности на биполярном транзисторе

Расчет каскада производится аналогично расчету усилителя с общим эмиттером, но необходимо учитывать, что подключение сопротивления нагрузки R_н к коллекторной цепи транзистора VT1 происходит через трансформатор Тр1. По переменному току напряжение коллектора VT1 U_k и напряжение нагрузки U_н связаны через коэффициент трансформации n:

n=W2/W1= U_н/U_k

1.1 Выбор КПД трансформатора

Выбор КПД трансформатора осуществляем по таблице 2.1. В данном случае принимаем η_тр= 0,65.

1.2 Выбор типа транзистора VT1

Рассчитываем необходимую допустимую мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора.

P_к.доп.=(1,1¸1,2)∙P_н / (h_тр∙h_к),

где h_к – КПД каскада.

Для транзисторов, работающих в режиме A h_к = (0,25¸0,3).

P_к.доп.=1,2*0,004212 / (0,65*0,25) = 0,03 Вт.

1) Рассчитываем граничную частоту, которая должна быть в (5¸10) раз больше частоты сигнала в нагрузке

f_гр= (5¸10)∙f_н = (375¸750) Гц.

3) U_кэ.max≥ 1,2 (2+2 U_н/n) – неравенство зависит от коэффициента n, который нам неизвестен, поэтому его выполнение проверим позже.

Исходя из полученных данных выбираем транзистор КТ201Б, параметры которого:

U_кэ.max=20 В; I_к.max=20 мА; P_к.max=150 мВт (при температуре окружающей среды Т_с=(-60¸+90) ˚С); U_кэ.отс=2 В; f_гр=3 МГц; h_21э=90 (h_{21э min} = 30).

Рисунок 1.2 – Выходные ВАХ VT1

Рисунок 1.3 – Входные ВАХ VT1

1.3 Выбор положения рабочей точки VT1 по постоянному току

Рабочую точку А необходимо выбирать так, чтобы выполнялись следующие условия:

1. Напряжение питания каскада должно иметь стандартное значение E_к={9,12,18,24 и т.д.} В, причем должны выполняться неравенства:

Для уменьшения количества требуемых питающих напряжений, рекомендуется использовать напряжение питание такое же, как и в двухтактном трансформаторном усилителе мощности.

2. Рабочая точка в режиме A обычно находится в середине активной области работы транзистора VT1.

Пользуясь входными и выходными ВАХ выбираем положение рабочей точки транзистора VT1, работающего в режиме А. Исходя из этого, выбираем:

Е_к=15В.

Строим кривую допустимой мощности:

Р_кmax= U_кэּI_к

Координаты рабочей точки по постоянному току:

I_к0 = 11 мA, U_кэ0=E_к/2=7,5 В, I_б0 = 0,15 мA, Uбэ0 = 0,78 В.

1.4 Расчет резисторов R_э, R_ф

Положение рабочей точки А по постоянному току обеспечивается резисторами R_э, R_ф, и ЭДС Е_к: Е_к ≈ I_k∙R_ф + U_кэ + I_э∙R_э и так как I_э ≈ I_k получим окончательное соотношение:

Е_к = I_k(R_ф + R_э)+ U_кэ.

Данное соотношение описывает в координатах I_k,U_кэ уравнение нагрузочной прямой по постоянному току =I, которая на координатных осях отсекает отрезки:

U_кэ= Е_к , при I_k=0 и

I_k.з=Е_к/(R_ф + R_э), при U_кэ=0.

Принимаем: I_k.з= 0,22 А, Е_к= 18 В, тогда:

R_ф + R_э=

Выбирая падение напряжения на резисторе R_э равным:

U_Rэ=(0,05¸0,15)·Е_к=(0,05¸0,15)·15=(0,75¸2,25) В,

получим величину данного резистора:

R_э=

Выбираем R_э=600 Ом. P_Rэ=I_эо²∙R_э=(11,15)²10^-6∙600=0,074 Вт

Тогда тип R_э: МЛТ-0,125-600±10%.

Отсюда R_ф=681-600=81 Ом. Выбираем R_ф=80 Ом.

P_Rэ=I_ко²∙R_ф=(11)²10^-6∙80=0,001Вт.

Тогда тип R_ф: ТВО-5-220±10%.

1.5 Наклон нагрузочной прямой по переменному току

Также как и для двухтактного каскада коэффициент передачи n Тр1 обеспечивает любое положение нагрузочной прямой по переменному току ~I. Поворачивая нагрузочную прямую ~I вокруг рабочей точки А, выбираем наиболее ”высокомощный” режим. Но в заданном случае транзистор VT1 выбран с большим запасом по мощности и практически при любом положении ~I мы можем обеспечить требуемую мощность в нагрузке.

1.6 Расчет мощности, выделяемой в коллекторной цепи VT1

Мощность переменного тока Р_~1, поступающая от коллекторной цепи каскада в первичную обмотку трансформатора Тр1 и мощность, отдаваемую в нагрузку Р_н, связаны между собой соотношением:

Р_~1=Р_н/η_тр=0,004212/0,65=0,006 Вт.

С другой стороны:

Р_~1=(1/2)∙U_кэm∙I_кm.

Для обеспечения требуемой мощности Р_~1 на выходных ВАХ необходимо выбрать соответствующие амплитуды U_кэm (DU_кэ) и I_кm (DI_к).

Используя представленные на ВАХ приращения получаем:

Р_~1=0,5∙(I’_кmax-I_к0)∙(U_кэ0-U_кэmin)=0,5∙(15-11)∙(7,5-2)=11 мВт.

Условие Р_н/η_тр ≈ (1/2)∙U_кэm∙I_кm выполняется (мощность можно выбирать с запасом).

1.7 Расчет нелинейных искажений каскада

Для этого определим амплитуды гармоник коллекторного тока по сквозной динамической характеристике I_к(E_ист) методом пяти ординат.

Сопротивление источника находим по формуле:

R_ист=1,5∙h_11э=1,5∙(DU_бэ / DI_б) | _Uкэ=const

На входных ВАХ используем треугольник MNK для определения h_11э:

h_11э= (DU_бэ / DI_б) | _Uкэ=const=(0,82-0,78)/(0,231-0,15)^-3=0,04/0,081^-3=493,8Ом.

R_ист=1,5∙276,2 =740,7 Ом.

Далее, перенося точки на нагрузочной прямой с выходной ВАХ на входную, рассчитываем э.д.с. эквивалентного источника питания по формуле:

Е_ист = U_бэ + I_б∙R_ист

Накопленные данные заносим в таблицу 3.1.

Таблица 1.1 – Данные для построения сквозной динамической характеристики

Строим сквозную динамическую характеристику I_к(E_ист) (см. рис. 2.4).

Рисунок 1.4 – Сквозная динамическая характеристика однотактного трансформаторного усилителя мощности

Уровни сигнала определяются следующим образом: амплитуда Е_{ист m} однозначно определяется “треугольником мощности” АВС на выходных ВАХ транзистора VT1.

По сквозной динамической характеристике находим номинальные токи:

I_к’_max=23,5 мА;

I’_кmin =6,2 А;

I₀=15,7 мА;

I₂=12,35 мА;

I₁=20 мА.

Далее определяем амплитуды гармоник тока

Проверка:

I_к’_max = I_1m+ I_2m+ I_3m+ I_4m+ I_mср =23,5 мА;

Находим коэффициент нелинейных искажений для транзистора, работающего в режиме А по формуле:

.

Должно выполняться условие: γ < 4%. Условие выполняеться:(0,047 < 4).

1.8 Расчет цепи делителя

1. Находим ток делителя: I_д= 5∙I_б0= 5∙0,15*10 ^-3= 0,75∙10 ^-3А

2. Находим сопротивление резистора R_Д2:

R₂= (U_бэ0 + I_э0∙R_э) / I_д=(0,78+11,15∙10 ^-3∙600)/0,00075 =9960 Ом.

Выбираем R₂=10000 Ом.

Р_R2= I_д­²∙R₂=(0,75∙10 ^-3)²∙5=2,81∙ Вт.

Тип R₂: МЛТ-0,125-10000±10%.

3. Находим сопротивление резистора R₁:

R₁= (E_к - U_Rф - I_д∙R₂) / (I_д + I_б0);

U_Rф= I_ко∙R_ф=11∙10^-3∙80=0,88 В.

R₁=(15-0,88-0,75ּ10^-3∙10000)/(0,75∙ּ10^-3+0,15ּ10^-3)=7355,55 Ом.

Выбираем R₁=7400 Ом.

Р_R1=(I_д + I_б0)_­²∙R₁=(0,75ּ10^-3+0,15ּ10^-3)²∙7400=0,006 Вт.

Тип R₁: МЛТ-0,125-7400±10%.

1.9 Расчет выходного трансформатора

Находим сопротивление нагрузки коллекторной цепи VT1 по переменному току:

R_~=Uкэ_m/Iк_m

R_~=(Uкэ_{0 ­}- Uкэ_min)/(I’к_max- Iк₀)=(7,5-2)/[(15-11)ּ10^-3] = 1375 Ом

Коэффициент трансформации находим по формуле:

Находим активное сопротивление первичной обмотки

r₁= R_~(1-η_тр)∙с/(1+с)

Находим активное сопротивление вторичной обмотки

, где с =(0,5¸0,7)

Получаем:

r₁=1375∙ (1-0,65)∙0,7/1,7=198 Ом

r₂=58∙(1-0,65/0,65)(1/1+с)=18,48 Ом

По полученным данным выбираем типовой трансформатор ТМ10-16, параметры которого:

Номинальная мощность Р_ном=0,01 В·А.

1) Входное сопротивление R_вх=2256 Ом.

2) Выходное сопротивление R_вых=17,5 Ом.

3) Коэффициент трансформации n=0,095.

4) Сопротивление первичной обмотки по постоянному току r₁= 198 Ом.

5) Сопротивление вторичной обмотки по постоянному току r₂= 19 Ом.

1.10 Температурная стабильность каскада

Температурная стабильность каскада определяется по формуле:

S = (1+D) / (1 - a_min + D),

причем должно выполняться условие S < 4 (для однотактных усилителей мощности на биполярных транзисторах, работающих в режиме А).

a_min = h _{21э min} / (1+ h_{21э min})= 30/31=0,9677.

Находим S:

S=(1+0,1516)/(1-0,9677+0,1516)=6,26

Т.к. условие S < 4 не выполняется, поэтому вместо резистора R₂ ставим термистор, параметры которого:

ММТ-4-4,3 кОм ± 20%; ТКС=3 %/˚С; t_раб=(-60…+125) ˚С.

1.11 Расчет блокирующих конденсаторов С_ф,С_э

Величины емкостей конденсаторов выбираются исходя из условия:

Хс(f _н) << R; , отсюда

1. Находим емкость конденсатора С_ф:

U_{Сф max}= 2∙U_Rфo = 2∙4,3=14,8 В.

Выбираем С_ф=0,2 мкФ. Тип конденсатора С_ф: К53-1-0,2±20%-20.

2. Находим емкость конденсатора С_э:

U_cmax= 2∙U_Rэo = 2∙2,41=4,82 В.

Выбираем С_э =0,03 мкФ. Тип конденсатора С_э: К53-1-0,03±20%-20.

1.12 Определение входных параметров

Находим входное сопротивление каскада

R_вх.к.= (R₁|| R₂)|| h_11э = [7400∙10000/(7400+10000)]||493,8= 442,43Ом.

Находим входную мощность каскада

P_вх.к.= I_бm∙U_бэm / 2 = (0,231ּ*10^-3-0,15ּ*10^-3)∙(0,82-0,78)/2= 0,0016 мВт.

1.13 Расчёт разделительного конденсатора С1

мкФ.

Выбираем С1 =47 мкФ.

Тогда тип С1: К53-1-47±20%-30.

1.14 Определение коэффициентов усиления

Коэффициент усиления по мощности:

K_P = P_н / P_вх = 0,004/(0,0016*10^-3)=2500

Коэффициент усиления по напряжению:

=

Коэффициент усиления по току:

K_I=K_P/K_U=2500/70,6=35,41

2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Исходные данные:

- мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 1,6 мкВт;

- сопротивление нагрузки R_н= 442,43 Ом;

- частота сигнала f_н=75 Гц;

- амплитуда напряжения на нагрузке

- коэффициент нелинейных искажений в нагрузке ГСС γ_н = 0.35%;

- коэффициент нелинейных искажений двухтактного усилителя мощности γ_2УМ = 13,77%;

- коэффициент нелинейных искажений однотактного усилителя мощности γ_1УМ = 0,047%;

- коэффициент нелинейных искажений вносимых генератором γ_Гsin = (0.9÷0.95)∙γ_н = 0.32%_.

- - мощность, потребляемая нагрузкой ГСС Р_нГСС = 4 Вт;

- сопротивление нагрузки ГСС R_нГСС = 5 Ом;

- нестабильность амплитуды ∆U_н/U_н= 10^-2.

Рис. 2.1 – Принципиальная схема ПУ с инверсным включением

Выполним предварительный усилитель (ПУ) на ОУ с инвертирующим включением.

Поиск по сайту: