Введення

Електронні підсилювачі низької частоти (УНЧ) призначені для посиленнясигналів змінного струму, частоти яких лежать в інтервалі від низькоїчастоти fн до якоїсь частоти fв. Вони використовуються в різноманітних попризначенням, технічні пристрої, що розрізняються по смузі робочихчастот, за характером навантаження, за умовами застосування.

Особливості УНЧ, вимоги до їх показниками багато в чому визначаютьсяхарактером навантаження та умовами їх застосування. Навантаження в переважнійбільшості випадків носить комплексний характер, будучи електромагнітнимабо електростатичним пристроєм. Умови застосування УНЧ визначаютьдіапазон змін температур навколишнього середовища, в якому підсилювач повинензберігати повну працездатність, вид механічних впливів,вимоги до вагових і енергетичними показниками.

Круг вимог до УНЧ з досить широкою смугою робочих частотпов'язаний, в основному, з інтервалом робочих частот, в межах якогокорисний сигнал повинен посилюватися з допустимими частотними і нелінійнимиспотвореннями. УНЧ з вузькою або фіксованого робочою частотою призначені,в основному, для роботи на демодулятори або двофазні індукційнідвигуни. Основні вимоги до таких підсилювачів пов'язані з фазо-частотноїхарактеристикою. Однак зазначені особливості УНЧ не виключають загальномупідходу до проектування.

Розглянуті підсилювачі характеризуються різними конструктивними іенергетичними показниками. До перших можна віднести вага і габарити,виділення тепла, стійкість до механічних впливів і іншим. Доенергетичним слід віднести показники, що характеризують режим роботитранзисторів, властивості підсилювачів по відношенню до сигналу змінного струму.
Найважливішими з них є коефіцієнт посилення по напрузі (току,потужності), його стабільність, смуга робочих частот, коефіцієнт частотнихспотворень, кут зсуву фази між вхідним і вихідним сигналом, вхідні івихідний опір, коефіцієнт нелінійних спотворень. Про такіпоказниках УНЧ можна сказати наступне. Якщо в підсилювачі не передбаченіспеціальні заходи стабілізації, то його коефіцієнт посилення може змінитисяв широких межах через велику технічного розкиду параметрівтранзистора.

Транзисторні підсилювачі мають порівняно невелику верхню граничнучастоту посилення, якщо в крайовому каскаді використаний потужний транзистор.
Разом комплексними ланцюгами зв'язку це призводить до значних частотнимспотворень підсилюваного сигналу. Нелінійність вольтамперних характеристиктранзистора є джерелом великих нелінійних спотворень на виходіпідсилювача. Фізичні властивості транзистора як підсилювального елементавизначають низький вхідний і високий (при роботі транзистора в активнійобласті) вихідний опір підсилювального каскаду.

Для оцінки можливості використання таких транзисторних підсилювачівможна порівняти основні параметри до вимог, які до них частопред'являються. Підсилювач пов'язаний вхідний ланцюгом з джерелом сигналу, недопускають, як правило, скільки-небудь значних навантажень по струму. Цезмушує шукати шляхи збільшення вхідного опору транзистора вдесятки, сотні й тисячі разів. Вхідна ланцюг підсилювача передає посиленийсигнал в навантаження. У багатьох випадках зручно подавати живлення в навантаженняабо від джерела струму (внутрішній опір підсилювача прагнути донескінченності), або від джерела напруги (внутрішній опірпідсилювача близько до нуля). Інакше кажучи, однією з практичних завдань припроектуванні підсилювача є зміни його вхідного опору.
Вимоги підвищення точності роботи системи в різних кліматичнихпристроях змушують стабілізувати коефіцієнт підсилення. В підсилювачі,що працюють у радіотехнічних системах, завжди жорсткі вимогипред'являються до частотним спотворень, а в підсилювачах системи автоматики,керуючих двигунами змінного струму, до зменшення фазового зсуву.
Звичайно, без спеціальних заходів, транзисторні підсилювачі не задовольняють цимвимогам.

Таким чином, умови застосування транзисторних підсилювачів в різнихелектронних пристроях намічають певну спрямованість у змінівластивостей УНЧ. Ці завдання ускладнюються вимогами збереженняпрацездатності підсилювача в широкому температурному діапазоні навколишньогосередовища та значним технічним розкиду параметрів транзисторів.

Основна частина

1 Аналітичний огляд

Розвиток підсилювачів нерозривно пов'язане з появою івдосконаленням підсилювальних елементів - спочатку ламп, потімтранзисторів, інтегральних схем та інших електронних приладів, що підсилюютьелектричні сигнали.

лампова підсилювальна техніка стала розвиватися в результатіпояви в 1904р. вакуумного діода, винайденого американським інженером
Флемінгом, і особливо після винаходу Лі де Форестом в
1907р. вакуумного тріода.

У розвиток теорії і техніки підсилювачів внесли свій внесок івітчизняні фахівці. Так, у 1910р. В.І. Коваленков створює підсилювачна тріоді, а в 1915р. демонструє на всеросійському з'їзді інженерів --електриків перша у світі макети телефонних підсилювачів дляміжнародного зв'язку, які виявилися кращими серед аналогічнихпідсилювачів, запропонованих фахівцями з інших країн. Підсилювачі,розроблені В.І. Коваленковим, були використані в 1922р. на телефоннійлінії між Москвою і Ленінградом, а в 1931р. - Між Москвою і
Кузбасом.

У 1918р. була заснована Нижегородська радіолабораторія, керована
М.А. Бонч - Брускевічем, яка освоїла випуск малопотужних приймально --підсилювальних, а також малопотужних генераторних ламп, що використовуються,відповідно в радіоприймальної й радіопередавальними апаратурі. Молодийспівробітник радіолабораторії О.В. Лосєв відкрив у 1922р. властивістькристалічного детектора посилювати і генерувати електричнийколивання. Роботи О.В. Лосєва, безсумнівно сприяли винаходу вмайбутньому транзистора. У 1925р. А.І. Берг розробив теоріюлінеаризації лампових характеристик, створив основи методики інженерногорозрахунку підсилювачів. У першої великої монографії А.І. Берга «Основирадіотехнічних розрахунків підсилювачів »докладно аналізував всівідомі на той час лампові каскади. Подальший розвиток теорії ірозрахунку підсилювачів було відображено в роботі М.Т. Марка «Підсилювачінизької і високої частоти (розрахунок і проектування) »та« Підсилювачі низькоїчастоти ».

Різкий стрибок у поліпшенні показників підсилювачів стався врезультаті застосування в них негативного зворотного зв'язку, запропонованої в
1927р. американським інженером Х. Блек.

У другій половині 30-х років починають створюватися широкополосніпідсилювачі гармонійних та імпульсних сигналів, призначені длятелебачення, радіолокації і т.д. Значне місце в Розробці такихпідсилювачів займають роботи Г.В. Брауде, а також О.Б. Лурье, що запропонувавпроведення їх аналізу і розрахунку на основі використання перехідниххарактеристик.

Транзисторна підсилювальна техніка отримала можливість свогорозвитку після винаходу в 1948р. американськими вченими Дж. Бардін, У.
Браттейном і У. Шоклі трьох електродного напівпровідникового підсилювальногоелемента - транзистора, який став швидко витісняти електронну лампу зрадіотехнічних пристроїв. Великий внесок у розвиток теорії підсилювачіввнесли такі вчені. Як Х. Найквест, а також Р. Борде, перу якогоналежить відома монографія «Теорія ланцюгів і проектуванняпідсилювальних пристроїв зі зворотним зв'язком ».

Певну роль у розвитку теорії та практики підсилювачів зігралироботи вітчизняних вчених Г.С. Ципкин, Г.В. Войжвілло, С.Н. Криза, Н.Л.
Безладкова, А.Г. Муродяна та інші.

60-ті роки нинішнього століття ознаменувалися створенням лауреатами
Нобелівської премії академіками Н.Г. Басовим і А.М. Прохоровим квантовихпідсилювачів, здатних працювати як в оптичним, так і врадіодіапазоні. Ці підсилювачі стали застосовувати в оптичних системах,системах зв'язку, космічних системах радіолокації, медичної техніки тат.д. У цей же період були продовжені (розпочаті ще в 1945р.) Роботи зстворення більш досконалої апаратури для систем передачі з використаннямкабельних ліній. Слідом за розробленою (в період 1945-1960гг.) Апаратуроюна 24 та 60 телефонних каналів до 1960р. було розроблено та впровадженоустаткування більш складної системи К-1920 (на 1920 каналів), що дозволяєпередавати разом з телефонними сигналами та телепрограми. Цясистема мала спектр переданих частот 312 - 8524 кГц поодносмуговою способу. В подальшому був створений вдосконаленийваріант цієї системи К-1920У.

В апаратурі систем передачі важлива роль відводиться лінійнимпідсилювачів, що входять до її складу, а також пристроїв автоматичногорегулювання посилення й амплітудно-частотної корекції.

Згодом була створена система К-3600 (на 3600 каналів),що працює в діапазоні частот 0.8 .. 18 МГц. Свого часу була розробленаапаратура системи К-5400 зі смугою частот до 30МГц і система К-10800 (на
10800 каналів).

Прагнення до подальшого вдосконалення підсилювальної техніки,поліпшення її показників, привело в кінці 60-х рр.. до створення підсилювачів наоснові інтегрально (планарної) технології. Підсилювачі, виконані за допомогоюцієї технології, мають малі габарити і енергоспоживання, мають високунадійністю, хорошими економічними і якісними показниками. Урозробку методів аналізу і розрахунку підсилювачів з використаннямінтегральних мікросхем внесли значний внесок роботи таких вчених, як
Л. Хьюлсман, Дж. Греш, Р. Відлар, Дж. Ленк, І. Дістав. З вітчизнянихфахівців у цій галузі можна відзначити роботи В.А. Шило, А.Г.
Алексєєнко, Е.А. Калобеа, А.Г. Остапенко, Д.Є. Полиннікова.

В останні роки швидкими темпами розвивається оптоелектроніка,представляє дбав науки і техніки, що поєднує як оптичні, так іелектронні явища, створення на цій основі різних приладів, схем ісистем. Зокрема, дедалі ширше використовується волоконно-оптичні системизв'язку, до складу яких входять і підсилювальні пристрої. Помітну роль урозвитку технічного прогресу взагалі і підсилювальної техніки зокремавідіграло створення ЕОМ. Машинне проектування електронних схем, в тому числіта електронних підсилювачів, являє собою порівняно нову областьнауки і техніки - схемотехнічне проектування.

Спочатку ЕОМ використовували для знаходження оптимальних результатівроботи підсилювальних елементів, основних параметрів і характеристик, вЗокрема аплітудо - частотних характеристик і фазо - частотниххарактеристик. Згодом за допомогою ЕОМ стали вирішуватися завдань синтезу, втому числі і коригувальних LCR - елементів в ланцюгах межкаскадних зв'язків, вланцюгах зворотнього зв'язку, а також у частотноформірующіх ланцюгах на вході івиході підсилювача.

З широким застосування інтегральних схем машинне проектуваннямікроелектронних пристроїв прийняло форму системи автоматизованогопроектування.

Класифікація підсилювачів

Поділ на типи здійснюють за призначенням підсилювача, характерувхідного сигналу, смузі і абсолютним значенням підсилюємо частот, видувикористовуваних активних елементів.

1. За своїм призначенням підсилювачі умовно поділяються на підсилювачі напруги, підсилювачі струму і підсилювачі потужності. Якщо основна вимога - посилення вхідної напруги до необхідного значення, то такий підсилювач відноситься до підсилювачів напруги. Якщо основна вимога - посилення вхідного струму до потрібного рівня, то такий підсилювач відносять до підсилювачів струму. Слід зазначити, що в підсилювачах напруги та підсилювачі струму одночасно відбувається посилення потужності сигналу (інакше замість підсилювача достатньо було б застосувати трансформатор). В підсилювачі потужності на відміну від підсилювачів напруги та струму потрібно забезпечити в навантаженні заданий або максимально можливий рівень сигналу.

2. Залежно від характеру вхідного сигналу розрізняють підсилювачі гармонічних (безперервних) сигналів і підсилювачі імпульсних сигналів. До першої групи належать пристрої для посилення безперервних гармонійних сигналів або квазігармоніческіх сигналів, гармонійні складові яких змінюються багато повільніше всіх нестаціонарних процесів в ланцюгах підсилювача. До другої групи підсилювачів для апаратного забезпечення для посилення імпульсів різної форми і амплітуди з допустимими спотвореннями їх форм. У цих підсилювачах вхідний сигнал змінюється настільки швидко, що процес встановлення коливань є визначальним при знаходженні форми сигналу.

3. Смуга і абсолютні значення підсилюємо частот дозволяють розділити підсилювачі на такі типи.

Підсилювачі постійного струму призначені для посилення електричних коливань в межах від нижньої частоти, що дорівнює нулю, до верхньої робочої частоти підсилювача. Головним є те, що вони посилюють постійні і змінні складові вхідного сигналу.

Підсилювачі змінного струму призначені для посилення лише змінних складових вхідного сигналу. В залежності від граничних значень робочого діапазону частот підсилювачі змінного струму можуть бути низької і високої частоти. По ширині смуги частот підсилюємо виділяють виборчі і широкосмугові підсилювачі.

4. За родом застосовуваних активних елементів підсилювачі діляться на транзисторні, магнітні, діодні, лампові, параметричні і ін

В якості активних елементів в даний час в підсилювачах частіше використовуються польові або біполярні транзистори, або інтегральні схеми. Значно рідше застосовуються активні елементи у вигляді нелінійних ємностей або індуктивностей і спеціальні типи напівпровідникових діодів.

Режими роботи підсилювачів

Режим роботи підсилювача визначається початковим положенням робочоїточки на наскрізний динамічної характеристиці підсилювального елементу, тоє на характеристиці залежності вихідного струму підсилювального елемента від
ЕРС вхідного сигналу.

Розрізняють три основних режими роботи - режими А, В, С.

У режимі А робоча точка Про вибирається на середині прямолінійногоділянки наскрізної динамічної характеристики. Вихідний сигнал практичноповторює форму вхідного сигналу при відносно невеликій величиніостаннього. Нелінійні спотворення при цьому мінімальні. Ток у вихідний ланцюгаіснує протягом усього періоду вхідного сигналу. При цьому середнєзначення вихідного струму велике в порівнянні амплітудою його змінноїскладової. Тому ККД каскаду невисокий - 20-30%.

У режимі У робоча точка вибирається так, щоб струм через підсилювальнийелемент протікав лише протягом половини періоду вхідного сигналу.
Підсилювальний елемент працює з так званої відсіченням. Струм спокою черезнижнього вигину наскрізної характеристики виявляється не рівним нулю, і формавихідного струму спотворюється щодо вхідного. У кривої струму з'являютьсявищі гармоніки, що призводить до збільшення нелінійних спотворень попорівняно з режимом А. Середнє значення вихідного струму зменшується, ввнаслідок чого ККД каскаду досягає 60-70%.

Існує ще проміжний режим АВ, коли робоча точка вибираєтьсяна наскрізний характеристиці нижче, ніж точка А і вище, ніж в режимі В.
Тому й показники цього режиму мають проміжне значення міжрежимами А і В - ККД 40-50% при невисокому рівні нелінійних спотворень.

Типи зв'язку між окремими підсилювальними каскадами.

Можна виділити наступні типи зв'язку між окремими підсилювальнимикаскадами: гальванічну (безпосередню); ємнісні (за допомогою RC0ланцюжків); трансформаторну; за допомогою частотно-залежних ланцюгів; оптронів.

Для порівняно низькочастотних підсилювачів частіше використовують перший ідругий тип зв'язку. Третій застосовують рідше з-за великих габаритівтрансформаторів, неможливості їх мікро мініатюризації, високу вартість,складності виготовлення, підвищених нелінійних спотворень. Четвертий типвикористовують при створенні виборчих підсилювачів, а п'ятий застосовуєтьсяпорівняно рідко, тільки в спеціальних випадках, коли при низькій робочоїчастоті потрібна хороша гальванічна розв'язка між каскадами.

Зворотній зв'язок.

Зворотній зв'язок (ОС) називають негативною, якщо її сигнал віднімаєтьсяз вхідного сигналу, і позитивною, якщо сигнал ОС підсумовується з вхідним.
При негативній ОС коефіцієнт підсилення зменшується, а при позитивній
- Збільшується. Через схемних особливостей підсилю?? Еля в ланцюзі ОС можливіваріанти, коли ОС існує тільки для повільно змінюється сигналу,або тільки для змінної складової його, або всього сигналу. У цихвипадках кажуть, що зворотний зв'язок здійснена за постійним, зазмінному, а так само як на постійному, так і по змінному струмів.

Залежно від способу отримання сигналу розрізняють зворотний в'язьпо напрузі, коли знімається сигнал ОС пропорційний напрузі вихіднийланцюга; зворотний зв'язок по струму, коли знімається сигнал ОС пропорційний струмувихідний ланцюга; комбіновану ОС, коли знімається сигнал пропорційнийяк і напрузі, так і току вихідний ланцюга.

За способом впровадження у вхідні ланцюг сигналу зворотного зв'язкурозрізняють: послідовну схему введення ОС, коли напруга гналапідсумовується з вхідною напругою; паралельну схему введення ОС, колиток ланцюга підсумовується зі струмом вхідного сигналу; змішану схему введення ОС,коли з вхідним сигналом підсумовуються струм і напруга ланцюга ОС.

2 Попередній розрахунок

Визначення амплітуди струму Iнm і напруги Uнm на навантаженні:

, (2.2.1) де Pнmax - потужність навантаження,

Rн - опір навантаження .

Визначення вхідного опору УНЧ.
Зазвичай величину вхідного опору визначають з умови:. Виходячиз гіршого випадку, вхідний опір УНЧ береться рівним Rг: Rвх = Rг.

Визначення необхідного коефіцієнта посилення по ЕРС Ke і коефіцієнтпосилення по напрузі Ku:

(2.2.2)

Розрахунок кількості каскадів попереднього підсилення (КПУ) такожслід проводити, орієнтуючись на гірший випадок, тобто при розрахунку требаприймати найменший коефіцієнт посилення по напрузі, що забезпечуєтьсясхемами ОЕ і ОІ: Kumin = 10. Тоді, враховуючи, що Rвх = Rг, кількістькаскадів КПУ n обчислюється за формулою:

(2.2.3)

.

Враховуючи, що для закладу негативного зворотного зв'язку (ООС)різниця фаз між вхідним і вихідним сигналом повинна бути кратна,де k - ціле число, округляємо n до найближчого цілого непарного числа (вбільшу сторону).

Визначення напруги живлення УНЧ Eп.
Напруга живлення УНЧ визначається за такою формулою:

, (2.2.4) де - падіння напруги на переході колектор - емітер вихідного транзистора в режимі насичення, В;

- падіння напруга на резистори , встановленому на емітерний ланцюга вихідного транзистора, В.

Орієнтовно приймаємо = 1В, = 0.7В. Тоді Eп = 28.54В.
Отриману величину округляємо до найближчого цілого числа, а потім приймаємозі стандартного ряду: Eп = 30В.

3 Складання структурної схеми підсилювача

Структурна схема підсилювача наведена на малюнку 2.1

вхід

Рис 2.1 - Структурна схема УНЧ

ВХК - вхідний каскад здійснює передачу вхідного сигналу відджерела у вхідні ланцюг першого наступного каскаду. Основною функцієювхідного каскаду є забезпечення необхідного вхідного опору.
Відповідно, при виборі вхідного каскаду слід орієнтуватися нанаступні дані: Схема з загальним емітером має вхідний опір,рівне 103 .. 104 Ом, схема з загальним колектором - 104 .. 105 Ом,диференційний підсилювач на біполярних транзисторах - 103 .. 104 Ом,підсилювальний каскад на польовому транзисторі - 105 .. 107 Ом. При цьому слідвраховувати зниження або підвищення вхідного опору за рахунок введеннязворотних зв'язків.

КПУ - каскади попереднього посилення призначені для посиленнянапруги, струму і потужності до значення, необхідного для подачі на вхідпідсилювача потужності. Кількість каскадів попереднього посиленнявизначається необхідним підсиленням.

УМ - каскад посилення потужності повинен забезпечити подачу в навантаженнязаданої потужності сигналу при мінімальних спотворення його форми.

ООС - Негативний зворотний зв'язок призначена для стабілізаціїрежиму по постійному струму, завдання необхідного коефіцієнта посилення, атакож зниження коефіцієнта нелінійних спотворень. Здійснюється вона шляхомпередачі сигналу з вихідний ланцюга у вхідні в протифазі, тобтовихідний сигнал віднімається від вхідного.

4 Розробка принципової електричної схеми підсилювача

Принципова схема підсилювача наведена на малюнку 2.2

З урахуванням вимог до функціональних вузлів схеми підсилювача,наведених у пункті 2.3, вибираємо схеми відповідних каскадів.

Вхідний каскад - каскад на польовому транзисторі, що включений за схемою ззагальним витоком (ОІ); що працює в режимі А. Даний каскад має великевхідний опір, значне посилення як по струму, так і занапруги, має малі нелінійні спотворення.

Каскади попереднього підсилення - каскади на біполярнихтранзисторах, включені за схемою з загальним емітером (ОЕ), що працює врежимі "Данні каскади мають характеристики дещо гірше, ніж ОИ
(невеликий вхідний опір, великі нелінійні спотворення), однакбіполярні транзистори більш надійні і дешеві.

Межкаскадная зв'язок обрана гальванічної, тому що вона не вноситьнелінійних спотворень.

Вихідний каскад - бестрансформаторним двотактний підсилювач потужності,зібраний на біполярних транзисторах, включених за схемою із загальнимколектором. Даний каскад дозволяє здійснити безпосередній зв'язок знавантаженням, що дає можливість обійтися без громіздких трансформаторів ірозділових конденсаторів, має гарні частотні і амплітудніхарактеристики. Крім того, у зв'язку з відсутністю частотно-залежнихелементів в ланцюгах зв'язку між каскадами можна вводити глибокі загальнінегативні зворотні зв'язки, що істотно покращує перетворювальніхарактеристики всього каскаду.

При складанні схем вихідного і предоконечного каскадів, необхідноврахувати наступні моменти:

- У режимі спокою напруга база-емітер кожного транзистора вихідногокаскаду повинно варіюватися від 0 до, приблизно, 0.7В. З урахуванням тогофакту, що потенціали емітером даних транзисторів рівні 0, потенціал базимає відповідно варіюватися від 0 до 0.7В. Потенціал бази задаєтьсяколекторним резистором предоконечного каскаду. При цьому на предоконечнийкаскад необхідно подати Двуполярность харчування. При цьому слід враховувати,що зі збільшенням напруги база - емітер збільшується струм колекторавідповідного транзистора, що призводить до зменшення нелінійнихспотворень даного каскаду, але в той же час і до зменшення ККД.

- Так само необхідно враховувати обмеження по маса - габаритнимпоказниками як нелінійних, так і лінійних елементів. Одне з обмежень
- Максимальна потужність резисторів не повинна перевищувати 2Вт. У зв'язку з тим,що обрана гальванічна межкаскадная зв'язок, то до колекторногорезистори предоконечного каскаду буде прикладатися напругу, рівну
Eп (тому що необхідно поставити нульовий потенціал бази транзисторів вихідногокаскаду) і через нього буде протікати струм, трохи більший амплітудивхідного струму вихідного каскаду. З урахуванням чого розраховуємо мінімальнийкоефіцієнт передачі струму транзисторів вихідного каскаду h21еум min проформулою:

, (2.4.1)

де Eп - напруга джерела живлення,

Iнm - амплітуда вихідного струму підсилювача.

Даний коефіцієнт передачі струму потужних транзисторів можна отриматишляхом застосування транзисторів з високим h11е (складові транзистори), абозамінивши транзистори вихідного каскаду схемою Дарлінгтона.

Негативний зворотний зв'язок - паралельна ОС по напрузі.
Застосування даного виду ОС пояснюється тим, що в якості вихідногокаскаду застосовується двотактний підсилювач потужності з Двуполярность харчуванням,в якому потенціал виходу в режимі спокою дорівнює нулю (струм виходу спокоювідсутній), а в якості вхідного - каскад на польовому транзисторі,вхідний струм якого близький до нуля. Все це обумовлює неможливістьзастосування ОС по струму або комбінованої ОС.

При розрахунку підсилювача слід враховувати, що паралельна ООСзменшує вхідний опір каскаду, збільшуючи ті самим коефіцієнтпосилення по напрузі підсилювача.

Вхідний каскад зібраний на транзисторі VT1, що включений за схемою ОИ.
Резистор R1 є вхідним опором підсилювача, а також для завданняпотенціалу затвора VT1. Резистор є R2 стокової навантаженням транзистора
VT1. Резистор R3 задає струм стоку транзистора VT1 в режимі спокою. Каскадипопереднього посилення зібрані на транзисторах VT2 і VT3 за схемою ззагальним емітером. Резистори R4 і R6 служать колекторним навантаженнямивідповідних каскадів. Вихідний каскад зібраний за схемою двотактногопідсилювача потужності на транзисторах VT6 - VT9. Діод VD1 і резистор R7утворюють ланцюг зсуву. Резистори R8 і R9 служать для компенсації тепловихструмів транзисторів VT8 і VT9 в режимі спокою. Захист по струму зібрана натранзисторах VT4 і VT5 і резистор R10 і R11, призначених длявідмикання відповідних транзисторів при перевищенні струмів колекторів VT8і VT9. Резистори Roc1 і Roc2 і конденсатори Coc1 і Coc2 утворюють ланцюгнегативного зворотного зв'язку по напрузі. Конденсатор C1 розділять вхідніланцюг підсилювача і ланцюг джерела сигналу по постійному струму. Ланцюжок C2R5представляє собою фільтр.

Рисунок 2.2 - Принципова схема підсилювача.

5 Електричний розрахунок

1 Розрахунок вихідного каскаду

Враховуючи, що основні нелінійні спотворення виникають на вихіднихтранзисторах, знайдемо максимально допустимий струм колектора спокою Iкп8.
Збільшення цих струмів дозволить вивести точку спокою якомога ближче долінійному ділянки вхідної характеристики вихідних транзисторів, що ізменшує нелінійні спотворення. Збільшення струму спокою обмежуєтьсязаданим ККД.

допустиму повну суму колекторних струмів всього підсилювачарозраховуємо за формулою:

, (2.5.1)

де - заданий ККД підсилювача,

pН - потужність навантаження,

Eп -напруга живлення.

задається, Iкп8 становить 80% від. Тоді знаходимо поформулою

(2.5.2)

При даному струмі спокою вихідні транзистори будуть знаходиться в класіблизькому до В *, відповідно потужність, розсіює на вихіднихтранзисторах становитиме 0.17 від потужності навантаження.

За даними, отриманими в попередньому розрахунку, вибирає транзистори VT8 і VT9.

Вихідними даними для вибору транзистора служать: амплітудаколекторного струму Iкmax, максимальна напруга колектор-емітер Uкеmax
, Максимальна частота колектора, режим роботи, необхідний коефіцієнтпосилення по струму, максимальна розсіюється потужність Pкmax.

Для вибору транзисторів необхідно дотримуватися таких умов:

- потужність, розсіюється на колекторі транзистора Pк, не повиннаперевищувати допустиму Pкдоп;

- струм колектора не повинен перевищувати допустимий Iкдоп;

- напруга колектор - емітер не повинно перевищувати допустиму
Uкедоп;

- верхня частота не повинна перевищувати граничну.

(2.5.3).

Вибираємо транзистори КТ819В і КТ818В (параметри наведені в додатку
А).

Розрахунок проводимо для однієї напівхвилі вхідного сигналу.

За залежності коефіцієнта передачі струму від струму колекторавизначаємо коефіцієнт передачі струму в статичному режимі h21еп8 = 108 і вдинамічному h21е8 = 20.

Знаходимо струм бази спокою і амплітуду струму бази транзистора VT8:

, (2.5.4)

За вхідний характеристиці знаходимо напруга база -- емітер спокоютранзистора VT8 Uбеп8 = 0.52В, а так само при максимальному значенні струму бази
Uбеm8 = 1.37 В.

Визначаємо вхідний опір транзистора VT8 в режимі спокоюh21еп8:

. (2.5.5)

Розраховуємо резистор R8. Даний резистор служить для компенсаціїтеплого струму транзистора VT8:

. (2.5.6)

За даними розрахунку вибираємо стандартний резистор МЛТ-0.125Вт-1кОм
.

Розраховуємо струм емітера спокою транзистора VT6 Iеп6.

(2.5.7).

Розраховуємо амплітуду струму емітера транзистора VT6 Iеm6. Враховуючи,що Iбm8 багато більше Iбп8, отже h11е8 багато менше h11еm8, то
Iеm6 приймаємо рівним Iеm8, тому що струм в резистори R8 близький нуля.

. (2.5.8)

Вибираємо транзистори VT6 і VT7 за наступними параметрами

(2.5.9).

Вибираємо транзистори КТ815В і КТ814В (параметри наведені в додатку
А).

За залежності коефіцієнта передачі струму від струму колекторавизначаємо коефіцієнт передачі струму в статичному режимі h21еп6 = 69 і вдинамічному h21е6 = 40.

Знаходимо амплітуду струму бази транзистора VT6:

, (2.5.10)

За вхідний характеристиці знаходимо напруга база - емітер спокоютранзистора VT6 Uбеп6 = 0.62В, а так само при максимальному значенні струму бази
Uбеm6 = 0.86 В

Знаходимо напругу зміщення транзисторів VT6 VT8.

. (2.5.11)

Знаходимо вхідний опір вихідного каскаду при максимальномузначенні вхідного струму.

, (2.5.12)

де UR10 - падіння напруги на емітерний резистори транзистора VT8.

2 Вибір транзисторів каскадів попереднього підсилення і вхідного каскаду

При розрахунку даних каскадів приймаємо, що амплітуда колекторного
(стокового) струму даного транзистора дорівнює амплітуді вхідного струмунаступного транзистора. До відома нелінійних спотворень до мінімуму,мінімальний струм колектора кожного транзистора вибираємо при максимальномузначенні коефіцієнта передачі струму, при цьому бажано, щоб транзисторзнаходився в класі А.

1 Розрахунок каскаду на транзисторі VT3

Вибір транзистора VT3 проводиться за наступними параметрами:

, (2.5.13)

де Iкmin - орієнтовний значення мінімального струму длятранзисторів середньої потужності.

Вибираємо транзистор КТ815В (параметри наведені в додатку А).

За залежності коефіцієнта передачі струму від струму колекторавизначаємо максимальний коефіцієнт передачі струму h21е3 і струм колекторапри цьому коефіцієнті Iкmin3: h21к3 = 75, Iкmin3 = 20мА.

За отриманими значеннями розраховуємо струми колектора і бази спокоютранзистора VT3:

, (2.5.14)

Знаходимо току амплітуду струму бази спокою транзистора VT3:

, (2.5.15) < p> За вхідний характеристиці знаходимо напруга база - емітер спокоютранзистора VT3 Uбеп3 = 0.74В.

Розраховуємо резистор R6:

, (2.5.16)

де Uсм - напруга зсуву транзисторів VT6 і VT8.

За отриманими даними вибираємо резистор МЛТ-1Вт-910Ом.

2 Розрахунок каскаду на транзисторі VT2

Вибір транзистора VT2 проводиться за наступними параметрами:

, (2.5.17)

де Iкmin - орієнтовний значення мінімального струму длятранзисторів малої потужності,

UФ1 - напруга, падаюча на резистори фільтра.

Вибираємо транзистор КТ208В (параметри наведені в додатку А).

За залежності коефіцієнта передачі струму від струму колекторавизначаємо максимальний коефіцієнт передачі струму h21е2 і струм колекторапри цьому коефіцієнті Iкmin2: h21е2 = 148, Iкmin2 = 5мА.

За отриманими значеннями розраховуємо струми спокою колектора і базиспокою транзистора VT2:

, (2.5.18)

Знаходимо току амплітуду струму бази і струм бази спокою транзистора VT2:

, (2.5.19)

За вхідний характеристиці знаходимо напруга база - емітер спокоютранзистора VT2 Uбеп3 = 0.648В.

Розраховуємо резистор R4:

. (2.5.20)

За отриманими даними вибираємо резистор МЛТ-0.125Вт-160Ом.

3 Розрахунок каскаду на транзисторі VT1

Транзистор VT1 вибирається малопотужний, з умовою, що:

. . (2.5.21)

Зважаючи на малій потужності вхідного сигналу іншими параметрами можназнехтувати.

Вибираємо транзистор КП303А (параметри наведені в додатку А).

Здається значенням струму стоку спокою транзистора VT1 Iсп = 0.8мА

Розраховуємо резистор R2:

. (2.5.22)

За отриманими даними вибираємо резистор МЛТ-0.125Вт-820Ом.

За залежності струму стоку від напруги затвор - витік знаходимонапруга затвор - витік спокою Uзіп = 0.042В.

Розраховуємо резистор R3 за формулою:

. (2.5.23)

За отриманими даними вибираємо резистор МЛТ-0.125Вт-51Ом.

За залежності крутизни від напруги затвор-витік визначаємокрутість транзистора VT1 S = 2.5 мА/В.

3 Розрахунок коефіцієнта посилення без зворотного зв'язку

Визначаємо амплітуду вхідної напруги підсилювача:

. (2.5.24)

Визначаємо амплітуду струму стоку транзистора VT1 Iсm згідно з формулою
4.85 з літератури [1]:

, (2.5.25)

де S - крутизна транзистора VT1,

RСІдіф = 0.8МОМ - диференціальний опір сток - витік транзистора VT1,

M = S RСідіф = 2кОм.

Визначаємо амплітуду вхідного струму наступного каскаду Iбm2 поформулою:

, (2.5.26)

де h11едіф2 - диференціальне вхідний опір транзистора VT2.

Цей вираз було отримано на підставі виразів < p>, (2.5.27)

де - миттєве значення струму колектора (стоку) поточноготранзистора,

- миттєве значення струму бази наступного транзистора,

- миттєве значення напруги база - емітер наступноготранзистора,

- колекторна (стокова) навантаження поточного транзистора, h11едіф - диференціальне вхідний опір транзистора.

Визначаємо амплітуду струму колектора транзистора VT2 Iкm2:

(2.5. 28)

Визначаємо амплітуду вхідного струму следующег?? каскаду Iбm3 аналогічнопопередньому випадку:

, (2.5.29)

де h11едіф3 - диференціальне вхідний опір транзистора VT3.

Визначаємо амплітуду струму колектора транзистора VT3 Iкm3:

(2.5.30)

Визначаємо амплітуду вхідного струму підсилювача потужності:

, (2.5.31)

Нехтуючи струмами на резистор R8 і R9 , визначаємо амплітудувихідного струму підсилювача:

, (2.5.32)

Розраховуємо вихідна напруга підсилювача:

, (2.5.33)

Знаходимо коефіцієнт посилення по напрузі без ООС Kuр:

, (2.5.34)

4 Розрахунок фільтрів і ланцюга зміщення

Розраховуємо опір фільтра R5:

, (2.5.35)

де UФ1 - падіння напруги на резистори фільтра.

За отриманими даними вибираємо резистор МЛТ-0.125Вт-3.3кОм.

Конденсатор фільтра вибираємо такої ємності, щоб він давав лінійніспотворення на частоті набагато меншою fн:

, (2.5.36)

За отриманими даними вибираємо конденсатор К10-7В - 50В - 0.082мкФ
.

Вибір діода для ланцюга зміщення VD1 проводиться за наступними умовами:

- максимальне зворотна напруга не повинна перевищувати допустиму;

- максимальний прямий струм не повинен перевищувати допустимий .

Вибираємо діод VD1 Д220Б.

За залежності прямого ока від прямої напруги знаходимо напругападіння на даному діоді при мінімальному значенні струму колекторатранзистора VT3: Uпр = 1.6В.

Розраховуємо опір резистора зміщення R7:

, (2.5.37)

За отриманими даними вибираємо резистор СП-44А -- 0.25Вт - 33Ом.

5 Розрахунок захисту по струму

Вибираємо транзистори VT4 VT5 КТ814В - КТ815В.

Розраховуємо резистори R10 і R11: < p>, (2.5.38)

де UБепор - граничне вхідна напруга транзисторів захисту по струму
VT4 і VT5.

За отриманими даними вибираємо два паралельно включених резистора С5-
16МВ - 3Вт-0.1Ом.

6 Розрахунок нелінійних спотворень

1 Розрахунок нелінійних спотворень на транзисторі VT2.

Визначаємо амплітуду напруги база-емітер транзистора VT2:

, (2.5.39)

де h11едіф2 - диференціальне вхідний опір транзистора VT2,

Iбm2 - амплітуда струму бази транзистора VT2.

Так як VT2 працює в класі А, нелінійні спотворення розрахуємометодом п'яти ординат. Розраховуємо значення колекторного струму прирізних значеннях напруги база-емітер.

Порядок визначення струму колектора по напрузі база-емітер.

1. За вхідний характеристиці визначаємо струм бази Іб.

2. За залежності коефіцієнта передачі струму від струму колектора визначаємо такий струм колектора Ік і коефіцієнт передачі струму h21е, щоб вони задовольняли умові:

, (2.5.40)

Розраховуємо Imin

, (2.5.41)

Розраховуємо I1

, (2.5.42)

Розраховуємо I0

, (2.5 .43)

Розраховуємо I2

, (2.5.44)

Розраховуємо Imax

, (2.5.45)

Розраховуємо амплітуди гармонік:

, (2.5.46)

Розраховуємо коефіцієнт нелінійних спотворень транзистора VT2 Kf3:

. (2.5.47)

2 Розрахунок нелінійних спотворень на транзисторі VT3.

Визначаємо амплітуду напруги база-емітер транзистора VT3:

, (2.5.48)

де h11едіф3 - диференціальне вхідний опір транзистора VT3,

Iбm3 - амплітуда струму бази транзистора VT3.

Розрахунок проводимо аналогічно Попер