Расчет усилителя на дискретных элементах (стр. 2 из 3)
Rд1 Rk + Ek
Cp2
VT Uвых
Rвх Ср1
R4
Uвх Rэ Сэ
В нем применяется метод подачи смещения на усилительный транзистор с помощью постоянного напряжения базы. Этот метод обладает как достоинствами, так и недостатками. Он предусматривает применение на входе усилительного каскада делителя напряжения. Делитель состоит из двух сопротивлений Rд1 и R4 (рис.1). Этот метод подачи смещения обеспечивает высокую стабильность положения рабочей точки и соответственно стабильный коэффициент усиления. Однако наличие сопротивления R4 приводит к значительному снижению входного сопротивления, поэтому эти каскады с таким смещением редко используются на входе усилителя, так как стабильность рабочей точки во входных каскадах не имеет существенного значения из-за малого входного сигнала, а требуется большое входное сопротивление, что этот каскад обеспечить не может.
Для входных каскадов применяется второй способ подачи смещения на базу постоянным током базы (рис.2).
Достоинством этого метода является более высокое входное сопротивление, меньшее количество используемых деталей. Недостатками является меньшая стабильность положения рабочей точки, но для каскадов с малым входным напряжением это не принципиально.
При изменении температуры окружающей среды положение рабочей точки транзистора изменяется, что приводит к его запиранию. Для ликвидации этого паразитного явления используются схемы стабилизации положения рабочей точки:
- эмиттерная стабилизация;
- коллекторная стабилизация.
Эмиттерная стабилизация заключается в установке в эмиттерной цепи транзистора сопротивления Rэ и емкости Сэ .
Рисунок 2. Подача смещения постоянным током базы
+ Ek
Rб Rk
Cp2
Cp1
VT
Rвх
Uвх
Rэ Сэ
Коллекторная стабилизация выполняется по следующей схеме:
Рисунок 3. Коллекторная стабилизация
+ Ek
Rб1 Rб2 Rk Ср2
Ср1 Uвых
Uвх VT
Cб
Коллекторная стабилизация проще, чем эмиттерная, однако имеет меньший диапазон стабилизации тока, поэтому применяется реже.
Схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель) (рис.4) часто применяется в качестве входного каскада усилителей. У этой схемы коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания практически присоединен к корпусу, т.е на “землю”. Напряжение на базе Uбо=Uвх-Uвых следовательно у этого каскада имеется глубокая ООС, поэтому коэффициент усиления по току очень большой. Фаза выходного напряжения строго совпадает с фазой входного напряжения.
К достоинствам этой схемы можно отнести:
- высокий коэффициент усиления по току;
- высокое входное сопротивление (из-за влияния глубокой обратной связи);
- низкое выходное сопротивление;
Рисунок 4. Эмиттерный повторитель
+ Ек
Rб
Ср1
VT
Cр2
Uвх
Rэ Uвых
В тех случаях, когда заданный коэффициент усиления или другие параметры невозможно получить на одном каскаде применяется многокаскадные схемы. Число каскадов усилителя выбирается в зависимости от величины входного сигнала, выходного и необходимого коэффициента усиления.
Общий коэффициент усиления распределяется по каскадам по следующей формуле Kuj = К1 · К2 ·…· Кn, где n – число каскадов, Кn – примерный коэффициент одного каскада.
Распределение коэффициентов усиления по каскадам представляет собой итерационную процедуру.
На основе проведенного анализа выбираем трехкаскадный апериодический усилитель рис.5.
Первый каскад этого усилителя выполнен по схеме эмиттерного повторителя, второй и третий - однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, что позволяет достичь необходимого коэффициента усиления, необходимой стабилизации рабочей точки транзистора, используя при этом возможное наименьшее количество радиоэлементов, что снизит стоимость изделия и уменьшит вероятность выхода его из строя.
Рисунок 5. Трехкаскадный апериодический усилитель
+ Eк
R1 R3 R6 R7 R10
С6
С1 VT1 C2 VT2 C4 VT3 Rн
Uвых
Uвх
R2 R4 R5 C3 R8 R9 C5
2. РАСЧЕТ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ ЧАСТОТ
Необходимо разработать усилитель низкой частоты со следующими параметрами:
· напряжение входного сигнала Uвх = 25 мВ;
· входное сопротивление усилителя Rвх > 2000 Ом;
· коэффициент усиления по напряжению КU>130;
· сопротивление нагрузки усилителя Rн = 800 Ом;
· нижняя частота полосы пропускания fH = 20 Гц;
· верхняя частота полосы пропускания fB = 16 кГц;
· коэффициент нелинейных искажений Мн = 1,1
Предварительный расчет
Рассчитаем мощность сигнала на входе усилителя:
Рвх = U2вх/ 4 Rг , (2.1)
где Uвх – действующее значение напряжения источника сигнала
Rг – внутреннее сопротивление источника сигнала
Рвх = (25·10-3)2 /4·800 = 0,000000195 Вт
Рассчитаем мощность сигнала на выходе усилителя:
Рвых = U2вых .m / 2 Rн , (2.2)
Выходное напряжение можно рассчитать по формуле:
Uвых.m = Uвх √2·KU (2.3)
Uвых.m = √2· 25·10-3·130 = 4,59 В
Подставим в формулу 2.2 найдем мощность на выходе
Рвых = 4,592/ 2·800 = 0,013 Вт = 13 мВт.
Коэффициент усиления по мощности рассчитаем по формуле:
КР общ = Рвых / Рвх (2.4)
КР общ = 0,013 /0,000000195 = 66666,6
КР общ дБ = 10lg КР общ (2.5)
КР общ дБ = 10lg66666,6 = 48,24 дБ
Определяем ориентировочно число каскадов и составляем структурную схему усилителя:
m = КР общ дБ / 20 (2.6)
m = 48,24 /20 = 2,4
полученное значение округляем до ближайшего целого числа в сторону увеличения, и принимаем количество каскадов равное 3.
Предварительно выбираем схему выходного каскада, тип усилительных приборов и ориентировочную величину коэффициента усиления.
Рассчитаем выходное напряжение усилителя:
Uвых = Uвх ·KU (2.7)
Uвых = 130 ·25·10-3 = 3,25 В
Рассчитаем напряжение коллекторного питания усилителя:
Ек = Uбэр + 2·Uвых+0,1 Ек (2.8)
Ек = (0,45+2·3,25) / 0,9 = 7,72 В
Принимаем стандартное ближайшее напряжение – 9 В
Так, как 3 каскада то распределяем общий коэффициент усиления по каскадам:
КU = KU1·KU2·KU3 = 1·20·6,5 = 130 (2.9)
Принимаем KU1<1, KU2 ≥ 20, KU3 ≥ 6,5.
2.1 Расчет выходного каскада
В качестве выходного каскада выбираем каскад с общим эмиттером и смещением постоянным напряжением базы. Схема каскада представлена на рис. 6
+Ek 
R7 R10 C 6 
C4 
VT3 
R8 R9 C5 Uвых  |
Рисунок 6 Выходной каскад усилителя
Используем в этом усилителе транзистор КТ315 А, так как его характеристики (таблица 2.1) удовлетворяют предъявленным требованиям.