Рязанская государственная радиотехническая академия
Контрольная работа
“Транзисторный безтрансформаторный каскад усилителя”
Выполнил:
Проверил:
Рязань
Задание: Рассчитать транзисторный безтрансформаторныйкаскад усилителя с коэффициентом полезного действия h>50% согласно исходнымданным:
1. 2хтактный усилитель мощности;
2. Обосновать выбор схемы усилителя;
3. Определить типы транзисторов и площади радиаторов;
4. Построить нагрузочные прямые;
5. Рассчитать значения элементов принципиальной схемы;
6. Рассчитать коэффициент полезного действия;
7. Построить сквозную динамическую характеристику;
8. Рассчитать частотные искажения методом 5-и ординат.
Исходные данные:
1. Действующее значение напряжения источника сигнала Eген=3.2[В];
2. Сопротивление источника сигнала Rген=50[Ом];
3. Нижняя граница рабочей полосы усиления Fн=900[Гц];
4. Верхняя граница рабочей полосы усиления Fв=812[КГц];
5. Допустимый коэффициент частотные искажений Mн=1.1Mв=1.2;
6. Сопротивление нагрузки усилителя Rн=4.7[Ом];
7. Паразитная ёмкость нагрузки Cн=20 [нФ];
8. Напряжение питания Uпит=-25 [В] (Полярность питанияотносительно общего провода [корпуса]);
9. Действующее значение напряжения сигнала в нагрузке усилителя Uн должно быть максимально возможным при заданном Uпит;
10. Диапазон рабочих температур Tн=+5°C Tв=+50°C;
В качестве усилителей мощности широкое применение получили кактрансформаторные, так и безтрансформаторные усилители. Современные усилители небольшоймощности (до нескольких десятков ватт) выполняют по безтрансформаторным схемам,что позволяет уменьшить габариты, массу, стоимость и расширить полосу пропусканияустройства.
Безтрансформаторные каскады работают в режиме В, обеспечиваявысокий КПД. При этом для уменьшения нелинейных искажений применяют двухтактныесхемы. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах, что упрощает схемныепостроения рис 1. С увеличением выходной мощности устройства в выборе типов комплиментарныхтранзисторов, которые преодолеваются путем вклычения непосредственно на его выходеболее мощных транзисторов одинаковой проводимости рис 2. Схема рис 1.
Представляет собой соединение двух эмиттерных повторителей, работающихна общую нагрузку Rн. Режим по постоянному току, соответствующийрежиму работы А-В, обеспечивается делителем R1ДR2. Сопротивление диода создаёт необходимое напряжение между базамитранзисторов T1 и T2.
Получение мощных выходных колебаний при высоком КПД исключаетиспользование малосигнальных параметров (системы H,Y,Z типов) транзисторовв процессе проектирования, поэтому все основные расчеты ведут по статическим характеристикамтранзисторов на средних частотах.
Для расчетов выберем схему рис 1. т.к. она легче в расчетах ииз за трудностей построения сквозных характеристик в схеме рис 2.
/>
Рис 1.
/>
Рис 2.
Определение типов транзисторов:
Тип транзистора определяют исходя из нижеперечисленных требований.
1. Определим напряжение источника питания для каждого плеча схемы.
/>
/>
/>
2. Определим мощность отдавемую в нагрузку.
/>
3. Определяем необходимую амплитуду тока коллектора.
/>
4. Среднее значение тока коллектора в режиме В.
/>
5. Мощность потребляемая каждым из транзисторов.
/>
6. Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора.
/>
7. Требуемая предельная частота транзисторов.
/>
Выберем типы транзисторов например КТ819А (n-p-n) и КТ818А(p-n-p)имеющие:
Iкмакс=10 А; h21э=15;Fгр=3 Мгц; Допустимая температура окружающей среды: — 40…+100°C.
Pкмакс=60 Вт. При Tк>25°С мощность уменьшается линейно на 0.015 Вт/ °С для корпуса ТО-220
Построим нагрузочные прямые.
На выходной характеристике через точки E1=Uкэ=12.5 В; Iк=0 и Uкэ=0В; Iк=E1/Rн=12.5/4.7=2.66A проведем нагрузочную прямую постоянноготока.
Для построения нагрузочной прямой переменного тока необходиморассмотреть зависимость модуля выходного сопротивления от частоты. Разделительныйконденсатор Сp оказывает влияниетолько на низких частотах (его берут достаточно большим) он на выходное сопротивлениевлияет очень мало, а Сн=20 пФ включенное паралельно Rн будетвлиять на высоких частотах. Запишем выходное сопротивление в виде Zн=Rн/ (1+j·w·Cн·Rн), где t= Cн·Rн постоянная времени выходной цепи.
Найдем модуль Zн и построим его зависимостьот частоты рис 3. Из рисунка видно, что модуль Zн падаетна верхней границе рабочей полосы усиления Fв=812 кГц доRнпер=4.2378 Ом от первоначального значения Rн=4.7 Ом. Учитывая это для построения нагрузочной прямой переменноготока требуются 2-е точки E1=Uкэ=12.5В; Iк=0 и Uкэ=0 Iк=E1/Rнпер=12.5/4.2378=2.95.Построение нагрузочных прямых показано на рис 4. Из построения видно, что
/>
Рис 3.
/>
Рис.4.
На выходной характеристике определяем Iко=0.05Imax=0.122 отмечаем положение рабочей точки. Построив треугольникчерез точки AR P.T. убеждаемся в возможности получениязаданной выходной мощности Pвых= [11.025* (2.45-0.122)]/2=12.833 Вт. Отметим положение Р.Т. на входной характеристике рис.5. Перенесемточки ABCDE на входную характеристикудля построения СДХ.
Рассчитаем КПД каскада.
/>
/>
Рис.5.
По входной и выходной характеристике определяем усредненную крутизну
g21=Iкmax/Umaxбэ=2.45/0.3=8.167 Cм.
И усредненную входную проводимость:
g11=Iбmax/Umaxбэ=0.06/0.3=0.2 Cм.
Расчитаем глубину ООС F=1+g21*Rн F=1+8.167*4.7=39.385
Используя входные и выходные характеристики построим таблицуCДХ по точкам A,B,C,D,E.
Еист=Uбэ+Iб*RистТочки
Iк, А
Iб, мА
Uбэ, В
Еист, В
Rист, Ом А 2.449117 60 1.0448 4.045 50 B 2.1507 50 1.0041 3.504 50 C 1.8001 40 0.96042 2.96 50 D 1.40001 30 0.9133 2.413 50 E 1 20 0.86238 1.862 50
Т1.
Сквозную динамическую характеристику построим без учета ООС.Если построить СДХ с учетом ООС то у неё не будет изгиба в нижней чатси графика.
/>
Отметим положение рабочей точки в точке пересечения идеализированнойСДХ (Прямой) с осью абсцисс. Ток коллектора в рабочей точке приблизительно равенIк0=0.122 А.
Отметим на СДХ точки О и О` соответствующие 0.5Uвхmax и Uвхmax на осиЕист.
Найдем Iк (0.5Uвхmax) =1.645 и Iк (Uвхmax) =2.877.
Используя метод 5-и ординат вычислим коэффициент нелинейных искаженийусилителя для одного плеча схемы.
/>
Нелинейные искажения по 2-й гармонике компенсируются в двухтактныхсхемах только при полной симметрии плеч. В реальных условиях плечи несколько ассиметричны.Если ток транзистора включенного в одно плечо схемы, отличается от тока транзистора,включенного в другое плечо в (1+x) раз, где x — коэффициент асимметрии, то согласно [1]
Kг2=x/2* (2+x)
Задаёмся коэффициентом асимметрии x=0.5находим Kг2.
/>
/>
I1= Iк (Uвхmax) =2.887
I2= Iк (0.5Uвхmax) =1.645
Полный коэффициент нелинейных искажений усилителя:
/>
Полный коэффициент нелинейных искажений усилителя c учетом ООС:
/>
Приведенный выше расчет коэффициента нелинейных искажений усилителяносит приближенный характер. Для более точного исследования необходима СДХ 2-гоплеча схемы.
Найдем СДХ 2-го плеча аналогично предыдущим построениям.
/>
Рис 7.
Выходная характеристика транзистора КТ818А.
/>
/>
Рис 8.
Входная характеристика транзистора КТ818А.
Используя входные и выходные характеристики построим таблицуCДХ по точкам A,B,C,D,E.
Еист=Uбэ+Iб*Rист
Составим таблицу T2.Точки
Iк, А
Iб, мА
Uбэ, В
Еист, В
Rист, Ом А 2.515 100 0.85 5.858 50 B 2.29 75 0.8 4.55 C 1.84 50 0.728 3.228 D 1.42 37.5 0.683 2.558 E 0.97 25 0.627 1.877
Используя таблицы 1 и 2 построим полную СДХ схемы. Рис 9. Подавсинусоидальное напряжение Еист=4.525*sin (x) можно оценить форму выходного тока Рис 10.
Из рисунка видно что при выбирать рабочую точку в начале характеристикине выгодно из за искажений сигнала. Используя СДХ найдем коэффициентгармоник.
/>
Рис 9. СДХ
/>
Pис 10. I вых.