Усилвател - Аналогова схемотехника

Увод

Усилването на електрическите сигнали е основен процес в радиоелектрониката, тъй като сигналите от източниците са слаби и не могат да се използват непосредствено.

За усилването на електрически сигнали е характерно следното:

-          изходната мощност е по-голяма от входната за сметка на захранващият източник;

-          изходният и входният сигнал трябва да са еднакви по форма, за да се запази информацията, която се съдържа в тях;

-          отношението на изходния и входния сигнал трябва да е независимо от честотата и амплитудата.

Усилвателя е устройство, с което се осъществява усилване на електрически сигнали.

 

Обзор, избор и обосновка на проектираното устройство. Изчисления.

1. Определя се коефициента на усилване на мощността Кp. Изходната мощност Pout е извстна и е равна на 50W. Входната мощност може да се изчисли като се използва известната формула от схемотехника.

W.

dB

 

I.                  Усилвател на мощност

Предлагам следните две схеми който отговарят на изходните параметри на заданието. Първата схема се състои от интегрален усилвател с изходна мощност 3,5 W и след него е свързано крайното стъпало състоящо се от комплементарна девойка мощни транзистори. Това е и един от недостатъците на тази схема, поради факта че трудно се намират комплементарна двойка мощни транзистори. Друг недостатък е двуполярното захранващо напрежение използвано в схемата. Предимствата са лесната изработка ( малко на брой използвани електронни елементи ) и сравнителната простота.

Втората схема изцяло използва биполярни транзистори като дискретни елементи. Това значително усложнява схемата. От друга страна схемата използва еднополярно захранване което е предимство пред горепосочената. Друг плюс е използването на еднотипни транзистори в крайното стъпало.

1. Транзисторите Т4 и Т5 се избират, като се изхожда от допустимата разсейвана мощност, напрежението колектор емитер и колекторния ток. Те са:

;

На тези изисквания отговаря транзисторът BD130. За него PCmax=100W, UCemax=100V, ICmax=15A, fT=1,1 MHz, h21e=20-70.

2. Токът на крайните транзистори при липса на сигнал се опеделя с цел да се получат малки нелинейни изкривявания ъответно при малка изходна мощност. Използва се зависимостт

Приема се IC0=0,25A.

3. Съпротивленията на резисторите  се избират от 5 до 10 пъти по-големи от входните съпротивления на транзисторите Т4 и Т5, т.е. на BD130. Получава се

,

където S0=40IC0=40*0,25=10 A/V.

Тогава

Избират се стандартни 47.

4. Транзисторите от комплементарната двойка Т2 и Т3 трябва да осигурят необходимият ток за крайните транзистори , при условие че минималното усилване на Т4 и Т5 е h21емин=20. Амплитудата на колекторния ток на Т2 и Т3 трябва да отговаря на условието

.

Разсейваната мощност от всеки транзистор на двойката при този ток и определеното в т. 1 захранващо напрежение Е=60V е

PCmax=0,05EICm=0,05*60*0,175=0,525W.

На тези условия отговаря транзисторите BC141 и BC161. Първият е от тип NPN, а вторият – PNP. За тях важат данните: ICmax=1A, PCmax=0,75 W, h21e=40-250, fT=50 MHz.

За транзисторите от комплементарната двойка е от значение и стойноста h21e. Тя трябва да е в границите от 30 до 60. По-малките стойности от 30 утежняват режима на транзистора Т1, а по-големите от 60 увеличават температурната нестабилност на съставните транзистори.

5. Токът при липса на сигнал се определя чрез формула, която беше използвана в т. 2 за крайните транзистори:

Избира се IC0=15 mA.

6. Изискванията към транзистора Т1 не са много строги. Може да се избере например BC174. Той се характеризира със следните данни: UCemax=64 V, ICmax=0,1 A, PCmax=0,3W, fT=250 MHz, h21e=125-500.

Изходния ток на Т2 и Т3, изчислен в т. 4, е ICm=0,175A. Входния ток в най-неблагоприятния случай ще бъде

Съпротивлението на резисторите Rc + Rф се определя от пада на напрежение върху тях и от протичащите токове:

където UB0­ е напрежението на база- емитер при липса на сигнал за транзисторите в рамената ( Т2 и Т4 или Т3 и Т5 ), което се приема 0,7V. Избира се съответно ICmin=(0,5-1)mA. Тогава

RC+Rф=

За RC и Rф важат условията

RC>(20-50)RL, Rф<(0,05-0,1)RC.

Първото условие произтича от изискването да не се шунтира товарното съпротивление, а второто – от необходимостта да не се нарушава режимът на транзистора Т1.

Приемат се стандартни стойности RC=5,1 kW и Rф=510W

Кондензаторът Cф трябва да има пренебрежимо малко съпротивление в сравнение с Rф за най-ниската честота на сигнала:

Приема се стандартна стойност 200mF.

7. Транзисторът за стабилизиране на режима Т6 може да бъде например BC148. Към него не се предявяват особени изисквания. Неговото напрежение колектор-емитер се управлява от напрежението база-емитер, получено от полупроменливият резистор R3, който изпълнява ролята на делител. Неговата стойност е (1-3) kW. За ограничаване на изминенията на R3 при крайните положения на плъзгача от двете му страни могат да се поставят резистори с постоянно съпротивление 200-300W.

8. Съпротивлението RE се избира (0,1-0,2)RC. В т.6 за Rc беше приета стойност 5,1кW. За RE може да се приеме 510 W.

Съпротивленията R1 I R2 образуват делител за напрежението Е/2. Токът в делителя трябва да бъде няколко пъти по-голям от входния ток на транзистора при липса на сигнал.

Колекторния ток на Т1 при липса на сигнал трябва да превишава тока в знаменателя на формулата за изчисляване на Rc+Rф, който е IBm+ICmin=. За Т1 може да се приеме ток IC0=7mA. Входният ток IB0 се получава при h21emin за Т1:

Нека тока в делителя е 5-10 пъти по-голям( IД =0,6 mA). Toгава чрез напрежението на базата на Т1 спрямо общия проводник и тока в делителя се определя R2:

Избирам стандартна стойност R2=4,7 kW.

През  освен токът на делителя IД протича и токът в базата IB0 на Т1. Приложеното напрежение е разлика от Е/2 и напрежението на базата спрямо общия проводник, т.е.

Получената стойност се разделя на две части при условието , за да не се шунтира товара.

Приемам

За капацитета на филтърния кондензатор се получава

Избира се стандартна стойност F.

9. Капацитетите Cp1, Cp2 и CE се изчисляват по следните съображения.

Кондензаторът Cp1 трябва да представлява пренибрежимо малко съпротивление спрямо общото входно съпротивление на транзистора Т1 и съпротивлението R2 , свързани паралелно. Определящо е входното съпротивление на транзистора, което е 1-2 kW. Тогава

Приема се резерв стандартна стойност 10mF.

При изчисляването на Cp2 се взема под внимание RL. Получава се

Приема се Cp2 = 1000mF.

За определяне на капацитета CE се използва опростената формула

mF.

Приемам стандартна стойност CE=1000mF.

10. Резисторът  и кондензаторът , заедно с входното съпротивление Т1, създава отрицателна обратна връзка, която намалява нелинейните изкривявания и стабилизира усилването. Техните стойности се подбират при настройката на усилвателя.

За ориентировачно пресмятане се използва формулата

,

където К е коефициентът на усилване на усилвателя без обратна връзка;

Rin- еквивалентното входно съпротивление, което в случая е приблизително равно на h11е на Т1.

Коефициентът на усилване се определя чрез Uout и U­in на усилвателя, а именно

V,

В случая се приема ориентировачна обратна връзка F=5-10.

За  се получава

.

Може да се приеме 270кΩ.

Капацитета на кондензатора е до няколко стотици пикофарада. С нарастване на честотата общото съпротивление намалява, увеличава се дълбочината на отрицателната обратната връзка и възможността за поява на самовъзбуждане става много по-малка.

11. За изчисляване на радиатора за охлаждане на крайните транзистори се използва формулата

където tj е зададената температура на колекторния преход в °С, която може да се приеме в случая  75 °С; Rthjc- топлинното съпротивление между прехода и корпуса на транзистора в °С/W; за този тип транзистор е 1,5°С/W.

Като се заместят съответните величини, получава се

Това е пълната повърхнина на радиатора.

 

II. Предусилвател и регулиране силата на  звука

            Предусилвателите усилват сигнала до необходимото ниво за възбуждане на крайния усилвател или на следващото стъпало. Те трябва да имат преди всичко равномерна честотна характеристика, малко собствени шумове и да не се влияят от смущения. От тях зависи най-вече отношението сигнал/шум на целия усилвател.

Тези усилватели са маломощни. Най-често от тях се изисква да имат голямо входно и малко изходно съпротивление.

Използват се предусилватели с биполярни транзистори, полеви транзистори и операционни усилватели.Предусилвателите с операционни усилватели се отличават в схемно решение с простота, а, от друга страна, осигоряват голямо усилване, сравнително голямо входно и малко изходно съпротивление.

При гранична стойност от 1МHz и усилване Au=100dB, т.е. 10000 пъти тъй като зависимоста е почти линейна, при 25кHz усилването трябва да бъди AUF<106/2,5*104=40 или 32dB. Следователно при усилване 30dB може да се усигори честотна лента 25kHz.

Примерна схема може да е показаната по-долу.

 

 
 


Кондензаторът C1 служи за затихването при честоти който са по високи от fh. Съпротивлението R5 трябва да бъде поне 3-10 пъти по-голямо от товарното съпротивление и по-малко от максималнaтa стойност, която при операционите усилватели с биполярни транзистори е 1-2МΩ. Вконкретния случай може да се избере R5=270kΩ.

Oт зависимоста за коефициента на усилване AUF=R5/R4 се определя

R4=R5/AUF=270000/40=6,75kΩ

Избира се стандартна стойност R4=6,8kΩ.

Чрез резистор R7 се въздейства на поляризиращите токове на двата входа с цел на изхода на ОУ да се получи посторнно напрежение при липса на сигнал, което да е близко до нула. За определянето на R7 се използва формулата:

R7=

Избирам стандартна стойност R7=6,8kΩ.

Cp3

Избирам стандартна стойност F.

Избирам стандартна стойност 22pF.

За регулиране силата на звука избирам потенциометър R6=20kΩ.

 

III. Тонкоректор

            Тонкоректорите и еквалайзерите са устройства, чрез които се регулира в определени граници честотната характеристика на усилвателя. Това се налага във връзка със субективното възприемане на звука, шумове, акустичните условия и други причини.

 

 
 


            Най-често използваният тонкоректор допуска изменението на характеристиката в областа на ниските и високите честоти. По тази пречина той се нарича комбениран. Схемата на такъв коректор е дадена по долу. Регулиращите елементи са включени във веригата за обратна връзка. Регулирането на честотната характеристика се извършва чрез потенциометри Р1 и Р2. При движение на плъзгачите наляво се получава спадане, а надясно – подем на характеристиката. Потенциометъра Р1 е за ниските, а Р2 – за високите честоти. Примерният вид на идеализираната честотна характеристика при двете крайни положения на плъзгачите е изобразена на следващата графика.

 

1. Избира се съпротивлението на R14 между 50 и 100 кΩ. Може да се приеме R14=100 кΩ. Характеристиките на двата потенциометъра трябва да са линеини!

За R11 се използва зависимостта:

R16>3,7 R14=370кΩ

Приема се R16=510кΩ.

2.Съпротивленията на резисторите R11, R12 , R13 трябва да отговарятна условието:

R11=R12=R13=0,11 R14=11кΩ

 

 
 


Приема се R11=R12=R13=10кΩ.

3. Резисторите R15 и R17 също са еднакви:

R15 =R17=0,04R14=4kΩ

Приема се R15=R17=3,9kΩ.

4. Cp4 и C2 са разделителен може да се приеме F.

5. Капацитета на кондензаторите C5 и C6 се определят чрез зависимостта :

C5 = C6=

Приема се C5= C6=33nF.

6. Капацитетът на кондензаторът С4 зависи от fh и R11 . За определянето му се използва формулата:

Избира се C4=1,8nF.

Резисторите R10 и R8 са свързани с режима на операциония усилвател. Може да се приеме:

R10=10R11=1MΩ и R8=10kΩ.

Веригата съставена от R9 и C3 е за честотона компенсация против самовъзбуждане при напълно включен тонкоректор за високи честоти. Примерните стойности са.

R9=3кΩ C3=1nF.

III. Входно стъпало

Изчислението на входните стъпала е аналогично на изчислението на предусилвателите. Някои особености произтичат от схемното решение и изискванията за малък собствен шум и защита от смущения.

            Особеностите в схемата се свеждат до свързването с източника на сигнала. При малък сигнал е необходимо добро съгласуване. Някои източници се нуждаят от коригиращи вериги. Срещу собствените шумове се използва паралелно свързванена активните елементи и подходящ режим.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чрез резисторите R18, R20, R21, се фиксира и стабилизира режима на транзистора. Освен това R21 създава последователна отрецателна обратна връзка по ток, която увеличава входното съпротивление, намалява входния капацитет иподобрява честотната характеристика на стъпалото. За сметка на това се намалява усилването.

Резисторът R се използва за съгласуване на източника с входа на стъпалото и за разреждане на кондензатора при прекъсване във входната верига. Стойноста му се избира опитно.

При избор на режим трябва да се работи с възможно по-малък ток. Обикновенно се избира ICo=1mA. За получаване на малки шумове може да се използва микрорежим Ico=(0,1-o,5)mA UCo=(2-3)V.

За захранващо напрежение използвам 12V.

Избирам транзистор BC174. Той се характеризира със следните данни: UCemax=64 V, ICmax=0,1 A, PCmax=0,3W, fT=250 MHz, h21e=125-500.

R19= - избирам стандартна стойност 4,7кΩ.

R20+R21=(0,1-0,3)R19=(0,1-0,3)4,7*103=470-1410Ω Приема се 1к Ω което се разпределя опитно на двата резистора.

Резисторът R18 се смята по формулата

Избирам стандартна стойност 12МΩ

където UBo=0,7V, а токът Ibo зависи от усилването на транзистора

Поради слабия сигнал е необходимо екраниране.

Кондензаторите няма да предизвикат спадане на усилването при долната гранична честота с повече от –3dB, ако техните капацитети се определят чрез формулите

Приема се F.

 приема се 200 μF.

 

Български

categories:

Коментари

Може ли малко пояснения за първата схема и някакви формули към нея?

Георги Ненов - Усилватели - изчисляване измерване регулиране (София,2000)
страница 24

Коментар

Plain text

  • Не са разрешени HTML тагове.
  • Линиите и параграфите се прекъсват автоматично.
CAPTCHA
This question is for testing whether or not you are a human visitor and to prevent automated spam submissions.