Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств. Практикум для СПО
.pdf
П8. Расчет трансформаторного каскада
Схема трансформаторного каскада на биполярном транзисторе с эмиттерной стабилизацией режима (рис. П8.1) может быть использована как в предварительных, так и в выходных каскадах усиления.
Выходные каскады усиления рассчитываются на получение максимальной
мощности неискаженного выходного сигнала. Для получения максимальной
выходной мощности необходимо стремиться к максимальному использованию
усилительного элемента по току и напряжению.
Чтобы в однотактном транзисторном каскаде усиления мощности получить амплитуду переменного напряжения на коллекторной нагрузке близкой
постоянному напряжению между коллектором и эмиттером Uк0, а амплитуду
переменного коллекторного тока близкой постоянному току коллектора iк0 и,
следовательно, получать от транзистора максимально возможную мощность
неискаженного сигнала, необходимо выбрать оптимальное сопротивление нагрузки переменному току
R
к~ опт
=
U
I
mк
U
mк
к
. (П8.1)
i
00к
Соответствующая этому сопротивлению нагрузочная прямая показана на
рис. П8.2.
В транзисторном каскаде нагрузкой для переменного коллекторного тока
является входное сопротивление трансформатора, нагруженного на Rн.
н
R
к~
= R
вх.тр.
=
R
. (П8.2)
2
ηn
тр
Очевидно, изменяя коэффициент трансформации n, можно получить
R
вх.тр.
= R
к~опт
, т. е. преобразовать заданное значение нагрузки R
в опти-
н
мальное. Для этого коэффициент трансформации должен быть выбран из условия:
н
n
опт
R
, (П8.3)
ηR
тропт~к
где
– коэффициент полезного действия трансформатора.
тр
Следует иметь в виду, что при выполнении условия получения от транзистора максимальной мощности, коэффициент усиления по мощности в этом
случае не будет максимальным.
Нелинейные искажения в трансформаторном каскаде могут быть обусловлены как усилительным элементом, так и трансформатором. Нелинейные искажения в трансформаторе возникают за счет нелинейной зависимости индукции
в сердечнике от тока намагничивания.
81
Нелинейные искажения, обусловленные транзистором, возникают при
2
2
больших токах из-за уменьшения динамического коэффициента усиления транзистора по току; при малых токах – из-за нелинейности входной динамической
характеристики. Величина нелинейных искажении зависит от выходного (внут-
реннего) сопротивления источника сигнала R
искажения будут минимальны, когда сопротивление источника сравнимо по величине с входным сопротивлением транзистора.
При небольших допустимых искажениях можно считать амплитуду переменного коллекторного тока и напряжения равными: Umк ≈ 0,9 uк0; Imк ≈ 0,9 iк0.
При этом для расчета максимальной выходной мощности, отдаваемой транзи-
стором, можно воспользоваться выражением:
IU
P
~
Мощность в нагрузке Pн из-за потерь в трансформаторе будет меньше
мощности, отдаваемой транзистором:
Pн = Р
Потребляемая коллекторной цепью мощность P0 равна произведению Е0
на i
к0
:
. Для схемы с ОЭ нелинейные
ист
iU
810
,
. (П8.5)
тр
00 ккmкmк
. (П8.4)
P0 = E0 iк0. (П8.6)
Часть этой потребляемой мощности рассеивается на коллекторе:
Pк = P0 – P~. (П8.7)
В режиме «А» наибольшая мощность рассеивается на коллекторе при
отсутствии сигнала, т. е. в режиме покоя:
iUP
. (П8.8)
к0к0макс к
Предварительные трансформаторные каскады должны обеспечивать получение максимального коэффициента усиления по мощности Kм. Условием получения максимального коэффициента усиления по мощности является согла-
сование на выходе транзистора, т. е. равенство выходного сопротивления транзистора входному сопротивлению трансформатора:
н
R
R
Для того чтобы обеспечить согласование, а тем самым и максимальный коэффициент усиления по мощности, коэффициент трансформации должен удовлетворять соотношению:
э.вых
2
(П8.9)
ηn
тр
н
n
согл
82
R
(П8.10)
ηR
трвых.УЭ
Следует иметь в виду, что выходная мощность в этом случае не макси-
к
u
к
б
1
m
к
U
m
к
к
0
б
2
б
3
i
б
5
i
б
6
i
б
7
б
8
i
б
0
=
i
б
4
m
к
U
m
к
к
0 Rк~ опт.
мальна.
Условие получения максимальной выходной мощности (R
вх тр
= R
к опт
и условие получения максимального коэффициента усиления по мощности
(R
вх тр
= R
) не совпадают, и значения n
вых э
отличается от n
опт
согл
.
i
, мА
i
I
i
I
к0
i
i
i
, В
u
i
Рис П8.1. Выходные характеристики транзистора
Коэффициент усиления по мощности равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности, поступающей на вход транзистора
)
н
P
К
где
P
м
P
вх.уэ
U
R
2
УЭ вх
.
вх.УЭ
2
н
U
н
R
P
,
н
УЭ вх
, (П8.11)
Из-за внутренней обратной связи входное сопротивление транзистора
R
83
зависит от величины сопротивления нагрузки переменному коллектор-
вх.УЭ
ному току Rк~ и, следовательно, от n. Однако изменения входного сопротивле-
ния сравнительно невелики и при расчетах можно полагать R
Частотные искажения в трансформаторной каскаде обуславливаются не
только транзистором (на высоких частотах) и элементами Сэ, С
частотах), как это было в резистивном каскаде, но и трансформатором.
Частотные искажения, возникающие за счет трансформатора в области
низких частот, можно рассчитать по формуле:
2
RR
R
эн
L
, (П8.12)
1
rRrR
~квых.э
11
. (П8.13)
~квsх.э
2
L
s
. (П8.14)
RR
~квых.УЭ
1
М
н
R
где
эн
На верхних частотах искажения могут возникать за счет индуктивности
рассеивания. Они определяются по формуле
1
М
в
вх.
УЭ
= const.
(на низких
р
Значение Rк~ можно определить по формуле (П8.2).
84
П9. Графоаналитический расчет усилителя в режиме «В»
2
2
Значения мощностей Рн, P0, 2Рк и коэффициента полезного действия ŋ
могут быть определены по известным формулам. Колебательная мощность Р
отдаваемая выходными транзисторами в нагрузку:
2
mк
Р~ =
Мощность, потребляемая выходными транзисторами от источника питания:
n
E
IP
2
0
Мощность, рассеиваемая на выходных транзисторах:
cp к
2
. (П9.1)
RU2
н
U
11
mk
R
E
. (П9.2)
n
н
EI
nмакс к
вых.ц
2Pк = P0 – P~. (П9.3)
Мощность, рассеиваемая на одном транзисторе:
- PP
P
к
0 ~
. (П9.4)
,
~
Коэффициент полезного действия выходной цепи:
P
~
Для выполнения расчета нужно знать тип выходных транзисторов, Е
Umк. Тип выходных транзисторов, значения Е
данных.
Значение Umк можно определить следующим образом. На семействе выходных характеристик транзистора данного типа следует построить нагрузочную прямую (рис. П.8.2):
U
где величина напряжения U
при котором выходные характеристики становятся нелинейными и круто изменяются вниз.
определяется как напряжение на коллекторе,
ост
ц. вых
E
. (П9.5)
P
0
и Rн приведены в исходных
п
0
U
, (П9.6)
остmк
, Rн,
п
Следует отметить, что найденные значения Р
ствуют полной «раскачке» выходного каскада, т. е. случаю, когда на него пода-
но максимальное напряжение, при котором транзисторы выходного каскада
еще не перегружаются.
85
, P0, 2Рк и
н
вых.ц
соответ-
При расчете Р
н
н
u
кэ
, В
к
мощность сигнала на нагрузке может быть определена как
, P0, 2Рк и
н
P
н
на основе экспериментальных данных
вых.ц
2
н
U
. (П9.7)
R
Колебательная мощность на выходе транзисторов из-за наличия дополнительных сопротивлений несколько больше, чем мощность на нагрузке, примерно на 10 %:
Р~ = 1,1 Рн . (П9.8)
Мощность, потребляемая от источника питания:
U
P
Мощность, рассеиваемую на двух или одном транзисторе, и величину
П214Б приведены на рис. П9.1.
можно определить по формулам П9.3–П9.5.
вых.ц
Семейство выходных статических характеристик транзисторов П214А,
i
, А
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
Рис. П9.1. Семейство выходных характеристик транзистора П214А–П214Б
5 10
1
0
90
15
н
R
2
20
E
. (П9.9)
n
80
70
60
50
40
30
20
iб = 10мА
86
к
кэ
б
0
к
0
к
0
п
н
mk
mk
б
1
б
2
б
3
б
4
б
5
ост
i
, мА
i
к
i
i
i
E
i
к
n
R
2
i
i
I
U
Т.П.
E
i
U
/2
i
u
, В
U
Рис. П9.2. Построение нагрузочной прямой двухтактного каскада в режиме «В»
87
П10. Особенности применения программы компьютерного моделирования
компонентов
инструментов
Electronics Workbench
Для операций с компонентами на общем поле Electronics Workbench выделены две области: поля компонентов и поля инструментов (рис. П10.1).
Поля
Поля
Вкл./выкл. Пауза
Рис. П10.1. Общее поле Electronics Workbench
В правом верхнем углу расположена пиктограмма выключателя схемы,
нажав на которую можно запустить или остановить процесс моделирования работы схемы. Немного ниже находится кнопка паузы, нажав на которую можно
приостановить процесс моделирования.
Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов в виде их
условных изображений. Щелчком мыши на одной из одиннадцати пиктограмм
полей компонентов можно открыть соответствующее поле. Расположение элементов в полях ориентировано на частоту использования компонента. В качестве примера на рис. П10.2 открыто поле источников компонентов (Sources).
В библиотеки элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые и цифро-аналоговые компоненты.
Все компоненты можно условно разбить на следующие группы:
─ базовые компоненты;
─ источники;
─ линейные компоненты;
─ ключи;
─ нелинейные компоненты;
─ индикаторы;
─ логические компоненты;
─ узлы комбинационного типа;
─ узлы последовательного типа;
─ гибридные компоненты.
88
Рис. П10.2. Источники Electronics Workbench
Приведем описания некоторых элементов из перечисленных выше групп.
● – соединительный узел. Узел применяется для соединения проводников
и создания контрольных точек. К каждому узлу может присоединяться не более
четырех проводников. После того как схема собрана, можно вставить дополнительные узлы для подключения приборов.
– заземление. Этот компонент имеет нулевое напряжение и таким
образом обеспечивает исходную точку для отсчета потенциалов. Не все схемы
нуждаются в заземлении для моделирования, однако, любая схема содержащая:
операционный усилитель;
трансформатор;
управляемый источник;
осциллограф
должна быть обязательно заземлена, иначе приборы не будут производить
измерения или их показания окажутся неправильными.
– источник постоянного напряжения. Все источники в Electronics
Workbench идеальные. Внутреннее сопротивление идеального источника
напряжения равно нулю, поэтому его выходное напряжение не зависит от
нагрузки. Идеальный источник тока имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление, поэтому его ток не зависит от сопротивления нагрузки. ЭДС
источника постоянного напряжения или батареи измеряется в Вольтах и задается произвольными величинами (от мкВ до кВ).
– источник переменного напряжения. Действующее значение (rootmean-square-RMS) напряжения источника измеряется в Вольтах и задается производными величинами (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы.
Действующее значение напряжения U
, вырабатываемое источником пе-
RMS
ременного синусоидального напряжения, связано с его амплитудными значениями V
следующим соотношением:
РЕАК
U
RMS
U
PEAK
. (10.1)
2
89
– резистор. Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается
производными величинами (от Ом до МОм).
– конденсатор. Его емкость измеряется в Фарадах и задается произ-
водными величинами (от пФ до Ф).
– катушка индуктивности. Индуктивность катушки (дросселя)
измеряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).
Для изменения величины пассивных компонентов (или модели транзисторов и интегральных микросхем) необходимо выполнить одну из следующих
операций:
1. Дважды щелкнуть левой кнопки мыши на изображении компонента
схемы. При этом открывается окно параметров компонента, пример которого
показан на рис. П10.3.
Рис. П10.3. Окно изменения параметров резистора
2. Щелкнуть правой кнопки мыши на изображении компонента и при появлении окна контекстного меню выбрать опцию Component Properties (свойства компонента). При этом также открывается окно параметров компонента
(см. рис. П10.3).
Для изменения величины компонента в линейке меню выбирается опция
Value (величина). Далее, в соответствующих ячейках меняется значение и единица измерения компонента. При выборе опции Label можно указать обозначение элемента, которое будет явно указано на схеме.
– ключ, управляемый клавишей. Ключи могут быть замкнуты или
разомкнуты при помощи управляющих клавиш на клавиатуре. В выключенном
состоянии они представляют собой бесконечно большое сопротивление, во
включенном состоянии их сопротивление равно нулю. Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после
двойного щелчка мышью на изображении ключа.
Используемые клавиши:
буквы от A до Z;
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]