4. Расчетная часть

Задание: Определить параметры резисторного каскада для обеспечения максимального усиления по следующим исходным данным:

F = 465 кГц, ∏ = 9 кГц, δ = 0,015, σ = 4, Ε = 9В, ∆Т = 30 град. Цельсия.

Расчет основных параметров каскада, схема которого приведена на рисунке 6,a. Коэффициент усиления напряжения определяется по формуле K_U=У_21Э/(У_22Э+ У_Н), где У_22Э – выходная проводимость транзистора в схеме с ОЭ, У_Н – проводимость нагрузки каскада. Если нагрузкой кас­када является следующий каскад, то У_Н=1/R_ВХ2 + 1/R_К .

Входное сопротивление рассчитываемого каскада определяется по формуле R_ВХ=R_Б/(1+Y_11ЭR), где R=R₁R₂/(R₁ + R₂).

Выходное сопротивление каскада можно принять равным сопротивлению резистора в цепи коллектора.

Так же часто­та резонанса ; волновое (характеристиче­ское) сопротивление ; добротность Q=ρ/R, где R - активное сопротивление потерь в контуре; полосой пропускания П, измеряемой на уровне 0,707 от резонансного значения напряжения U_n.

Полоса пропускания связана с добротностью контура соот­ношением Q=f₀/П. Добротность усилителя Q_ЭКВ меньше добротности контура Q, что связано с шунтирующим дей­ствием нагрузки и выходного сопротивления усилителя. Вводят понятие эквивалентного сопротивления контура усилителя R_ЭКВ, которое удовлетворяет соотношению .

Здесь R_ВЫХ - выходное сопротивление усилителя [R_BЫХ=r_K/(1 + β)]; R_K – сопротивление нагрузки; m_К=U₁/U_К – коэффициент включения контура к транзистору; m_Н=U_Н/U_К – коэффициент включения контура к нагрузке; R₀=L/(C₁R) – резонансное сопротивление контура, где по-прежнему R – сопротивление потерь в контуре. Тогда Q₂=QR₃/R₀.

Итак, эквивалентная добротность контура тем меньше, чем сильнее шунтируется контур сопротивлением нагрузки и вы­ходным сопротивлением транзистора.

Коэффициент усиления усилителя на резонансной частоте

Величины К_U0 и Q_ЭКВ существенно зависят от коэффициентов включения контура m_К и m_Н; при изменении m_К и m_Н может так­же несколько изменяться и резонансная частота. С уменьше­нием коэффициентов включения эквивалентная добротность контура увеличивается, повышается избирательность усилите­ля, но его усиление при этом падает. Варьируя величины m_К и m_Н можно обеспечить требуемые параметры усилителя.

Проведем анализ схемы, приведенной в приложении А. Основное свойство этой схемы состоит в том, что ее параметры определяются больше значениями компонентов схемы, чем параметрами транзистора.

Для расчета выбран транзистор типа КТ315Б, вследствие его широкого и частого применения в устройствах подобного типа.

Выбрана схема эмиттерной стабилизации режима работы транзистора. Напряжение смещения на базу подается с помощью делителя напряжения R₁R₂. В нагрузку коллектору включен колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту 465кГц, что позволяет в режиме резонанса получить максимальный коэффициент усиления по напряжению.

Максимальный размах выходного напряжения ограничен величиной напряжения источника питания. В режиме класса А потенциал коллектора в отсутствие сигнала приблизительно равен половине напряжения источника питания. Это обуславливает максимум как положительного, так и отрицательного размаха выходного напряжения. Обычно максимум абсолютного значения полного размаха выходного напряжения составляет от 90 до 95% напряжения источника питания. Например, если напряжение источника питания равно 20 В, то потенциал коллектора в точке покоя будет равен 10 В, а выходной сигнал может изменяться от 1 до 19 В. Однако нелинейные искажения сигнала на выходе будут значительно меньше, если размах выходного напряжения составляет 30…50% напряжения источника питания. При этом в любой цепи не должно превышаться предельно допустимое коллекторное напряжение.

Расчеты:

Определяем рабочую точку, исходя из характеристик данного транзистора и находим эле­менты схемы R₁, R₂, R_3.

Строим нагрузочную прямую на выходной вольт-амперной характеристике КТ315Б. На оси U_КЭ отмечаем точку U_КЭmax=9 В, это точка, которая характеризует режим холостого хода. На оси I_К отметим точку I_Кmax=E/R_Н=18 мА, которая характеризует режим короткого замыкания транзистора.

Ток коллектора в рабочей точке принимаем I_К0=0,5 I_Кmax=0,009 мА. Значит напряжение U_КЭ в рабочей точке U_КЭ0=4,4 В и ток базы в рабочей точке I_Б0=0,1 мА.

По входной ВАХ определяем, что U_БЭ0=0,47 В (при T=30°С).

Сопротивление в цепи эмиттера долж­но быть не менее R_Э= γΔТ/ΔI_Э, где ΔI_Э – допустимое изменение тока эмиттера, примем его равным 0,1I_К0.

.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем величину номинала равную 510 Ом. Принимаем, что I_К0≈I_Э0. Мощность рассеивания на резисторе равна:

Исходя из полученных данных выбираем резистор

С2-27-0.5-510Ом 0.5%.

Находим напряжение на базе, которое определим по формуле

U_Б = U_БЭ0 + I_К0R₃,

U_Б =0,46 + 0,009∙510=5,05В.

Сопротивления резисторов делителя определим по формулам R_Б2=U_Б/(0,1-0,25)I_К0;

R₁ = (Е - U_Б )/(0,1.. 0,25)I_К0.

R₂=5,05/0,0009=5611 Ом,

R₁=(9-0,46)/0,0009=9488 Ом.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R₁=5600 Ом R₂=9100 Ом.

Определим некоторые нужные для расчетов h и Y параметры.

Известны:

h_21Э=50,

h_11Б=40,

h_22Б=0,3 мкСм.

h_21Б=h_21Э/(1+h_21Э)=0,995.

h_11Э=h_11Б/(1+h_11Б)=79,8,

Следовательно: Y_11Э=1/h_11Э=0,0125.

Y_21Э=h_21Э∙Y_11Э=0,625.

Найдем емкости конденсаторов С₂ и С_Р.

Емкость конденсатора С₂ = (5...10) У_21Э/2πf_Н.

Где f_Н=f₀ – 1/2∙П=460,5 кГц.

Таким образом С₂=7∙0,625/6,28∙460,5∙10³=1,5 мкФ.

Из ряда номинальных ёмкостей выбираем величину ёмкости равную 1,5 мкФ. Используя полученные данные выбираем конденсатор К50-6-60В-1,5мкФ 10%. Положим сначала, что коэффициенты включения контура

m_К = m_Н = 1 и определим элементы резонансного контура. Для выбранного транзистора С₁ = 7 пФ; значит С_ВЫХ = С₁(1 + β) = 7∙51 = 357 пФ.

Выберем С₁ >> С_ВЫХ + С_Н (для того чтобы емкости С_ВЫХ и С_Н не влияли на резонансную частоту). Емкость нагрузки С_Н примем равную 100 пФ. Пусть С_НОМ = 10000 пФ, тогда

L = 1/(С_КОН(2πf₀)²) = 12 мкГн.

Известно, что для катушки индуктивности небольших размеров в диапазоне частот 0,1 – 1 МГц характерны величины добротностей Q=20~100. Потери в индуктивности контура обычно много больше потерь в емкости, и поэтому добротность контура определяется добротностью катушки. Выберем Q_КАТ=50, тогда

Определим эквивалентное сопротивление контура:

,

где R_ВЫХ=r_К/(1+β)≈65360 Ом. Отсюда 1/R₃=0,00058+0,0000153+0,002=0,0026, следовательно R₃=385 Ом.

Найдем эквивалентную добротность усилителя:

Q_ЭКВ=QR_ЭКВ/R₀=19250/1739=11

Рассчитаем усиление на резонансной частоте:

Определим емкость разделительного конденсатора

С_Р≥0,37/f_Н(R_К + R_ВХ),

где R_ВХ- сопротивление нагрузки.

Следовательно, С_Р≥0,37/460,5∙10³(385 + 500)=900 пФ. Из ряда номинальных ёмкостей выбираем величину ёмкости равную 10 нФ.

Заключение

В разработанном устройстве положительными качествами являются надежность и значительно малая энергоемкость, что особенно очень важно в практическом применении. Данное устройство имеет широкий спектр применения.

Использованная литература

1. Севин Л. А. Полевые транзисторы [Текст]/ Л. А. Севин — М.: «Советское радио» , 1968. – 150 с.

2. В. Н. Хмелев, А.В.Шалунов, Е. В. Сыпин "Электроника и микропроцес сорная техника". Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2008.-309с.

3. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника: Учебное пособие для радиотехнических вузов [Текст] Ерофеев Ю.Н.— М.: Высш. шк., 1984. — 391 с.; ил.

4. Бондарь В. А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения [Текст] В.А.Бондарь— М.: Энергоатомиздат, 1988. — 160 с.

5. Изъюрова Г. И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учебное пособие для вузов по спец. электрон. Техники [Текст]/ Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев – М.: Высшая школа,1987. – 335с.

6. Ицхоки Я. С. Импульсные и цифровые устройства [Текст]/ Я. С. Ицхоки, Н. И. Овчинников - М.: «Советское радио»,1972. – 592с.