1.2 Предварительные расчеты

Для определения количества каскадов определяем общий коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Для этого определяем напряжение на выходе усилителя по формуле

,

где P_вых – мощность в нагрузке, Вт: P_вых=2

R_Н – сопротивление нагрузки, Ом: R_Н=6

Определяем коэффициент усиления по напряжению всего усилителя по формуле

где U_вх – напряжение, поступающее от детектора, мВ: U_вх=120

Определяем коэффициент усиления усилителя в логарифмических единицах по формуле

Учитывая, что коэффициент усиления по напряжению одного каскада принято иметь не более 15 дБ, так как нелинейные искажения могут превышать допустимый уровень, принимаем количество каскадов равным трем. Выбираем схему, состоящую из трех каскадов, где оконечным каскадом будет двухтактная трансформаторная схема, предоконечным каскадом является фазоинверсный каскад, каскадом предварительного усиления будет схема с общим эмиттером. Структурная схема усилителя представлена на чертеже ПК 200108.314.08.09.Э1.

1.3 Описание существующих конструкций

Транзисторные усилители низкой частоты обычно строятся по двум схемам – трансформаторная и бестрансформаторная. Бестрансформаторная схема используется чаще всего из-за ее основных преимуществ. Во-первых – нет необходимости использовать трансформаторы, занимающие достаточно много места. Во-вторых – отсутствие трансформаторов означает отсутствие паразитных высокочастотных резонансов, значительно ухудшающих качество сигнала. В целом в бестрансформаторном варианте можно значительно улучшить качество сигнала путем правильного подбора компонентов.

Но у этой схемы есть свой существенный недостаток – трудность подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. К тому же бестрансформаторную схему нельзя приспособить к широкому диапазону нагрузок, а это недопустимо в усилителе такого типа.

Поэтому была применена трансформаторная схема усиления, лишенная недостатков трансформаторной. Ее основные достоинства это:

- широкополосность;

- обеспечение наилучшего согласования нагрузки с выходным сопротивлением усилителя;

- обеспечение симметричности выходной цепи усилителя;

- цепь нагрузки изолируется от действующих в цепях усилителя постоянных напряжений.

1.4 Описание схемы электрической принципиальной

Схема содержит три каскада. Предварительный каскад построен по схеме с общим эмиттером. Транзистор VT1 предназначен для усиления сигнала. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для подачи на базу напряжения смещения. Резистор R4 и конденсатор С4 обеспечивают температурную стабилизацию схемы. Конденсаторы С2 и С3 одинаковы, емкость большая, они называются разделительными – не допускают шунтирования входных цепей усилительных каскадов по постоянному току.

Фазоинверсный предоконечный каскад включает в себя трансформатор TV1, вторичная обмотка которого имеет вывод со средней точки. Он применяется для последующего включения оконечного каскада – двухтактного. Усиленный сигнал воспроизводится на динамической головке ВА1.

2. Расчет элементов схемы электрической принципиальной

2.1 Расчет оконечного каскада

1.Определяем колебательную мощность, отдаваемую каскадом по формуле

где P_вых – мощность в нагрузке, Вт: Р_вых=2

𝜂_тр – КПД транзистора, принимаем равным 0,7

2.Определив отдаваемую каскадом мощность, можно выбрать тип транзистора. Это КТ 814 А. Основными параметрами транзистора являются Р_КМАХ= 10 Вт, U_КЭМАХ= 2,5 Вт, I_KMAX= 1,5 A, h_21ЭMIN=40, f_h21Э= 3МГц.

3. Определяем дополнительное напряжение на коллекторе транзистора по формуле

где U_KMAX – максимально допустимое напряжение на коллекторе транзистора, В: U_KMAX= 25

4. Определяем величину импульса тока в коллекторной цепи по формуле

5. Определяем сопротивление нагрузки, вносимое в половину первичной обмотки трансформатора по формуле

где U_Km – амплитуда напряжения в цепи коллектора U_Km=U_Ko–U_KOCT

где U_KOCT – остаточное напряжение на коллекторе, В: U_KOCT= 1

U_Km=8,75–1=7,75 В

6. Строим нагрузочную характеристику каскада по двум точкам

1 точка – U_Ko = 8,75 B

2 точка –

Из графика определяем максимальное значение коллекторного тока

I_KMAX= 0,63 А

7. Определяем отдаваемую каскадом мощность по формуле

8. Определяем мощность рассеяния на коллекторе транзистора по формуле

9. Определяем исходный ток коллектора по формуле

Исходя из полученных данных находим амплитуду тока коллектора по формуле

По статической характеристике определяем:

-ток базы I_Б0= 0,6 мА

-напряжение смещения U_Б0= 0,75 В

Для максимального выходного тока I_KMAX= 0,63 А находим следующие значения

-I_БМАХ= 15 мА

-U_БМАХ= 0,98 В

Исходя из этих данных определяем амплитуды тока и напряжения базы

10. Определяем входное сопротивление с учетом цепи смещения по формуле

11. Определяем амплитуду тока базы с учетом запаса по входной мощности по формуле

12. Определяем требуемую входную мощность по формуле

13. Определяем коэффициент усиления по мощности по формуле

14. Определяем значения резисторов делителя по формуле

15. Определяем мощность рассеяния на резисторах R9 и R10 по формулам

16. Определяем наибольшее значение напряжения на резисторе R9 по формуле

17. Определяем напряжение входного сигнала по формуле

18. Определяем сопротивление первичной обмотки входного трансформатора по формуле

19. Определяем параметры выходного трансформатора. Для этого определяем коэффициент трансформации по формуле

Определяем сопротивление первичной обмотки по формуле

Определяем сопротивление вторичной обмотки по формуле

Определяем индуктивность первичной обмотки

Определяем индуктивность всей обмотки

20. Определяем коэффициент нелинейных искажений

Точки	IK, А	IБ, мА	UБЭ, В	еИСТ, В
1	0,063	0,6	0,75	0,79
2	0,17	1	,077	0,83
3	0,34	5	0,88	1,2
4	0,50	10	0,96	1,6
5	0,66	15	0,98	1,9

По полученным значениям напряжения сигнала и коллекторного тока строим динамическую характеристику каскада. Крайние точки соответствуют минимальному и максимальному значениям выходного тока.

I_MAX= 0,66 A

I_MIN= 0,063 A

I₀= 0,4 A

I1= 0,51 A

I2= 0.27 A

Определяем гармоники тока и его среднее значение по формулам

Правильность определения токов гармоник проверяем по формуле

Определяем коэффициент гармоник по формуле

Вывод:

21. Определяем коэффициент усиления по напряжению оконечного каскада по формуле

2.2 Расчет предоконечного каскада

1. Выбираем транзистор по следующим параметрам

U_KMAX ≥ E_K = 24 В

I_KMAX ≥ 2·I_БMAX = 2·15·10^-3 = 30 мА

таким параметрам отвечает транзистор КТ3107Д с параметрами

P_KMAX = 300 мВт

I_KMAX = 100 мA

U_KMAX = 25 B

h_21ЭMIN = 180

f_ГР = 200 МГц

2. Определяем ток коллектора транзистора в точке покоя по формуле

3. Определяем напряжение в точке покоя по формуле

4. Определяем положение точки покоя на статической характеристике транзистора КТ3107Д и определяем ток базы и напряжение базы в точке покоя

I_Б0 = 0,11 мА

U_Б0 = 0,9 В

5. Определяем сопротивление резистора в цепи эмиттера и его мощность рассеяния по формулам

6. Определяем ток делителя в цепи смещения по формуле

7. Определяем сопротивления и мощности рассеяния резисторов делителя

где U_R7 = 0,2·E_K = 0,2·24 = 4,8 В

8. Определяем общее сопротивление делителя по формуле

9. Определяем емкость конденсатора в цепи эмиттера по формуле

10. Определяем коэффициент усиления по напряжению по формуле

где

R_K≈=R_{BX 3 KAC} = 64,8 Ом

11. По нагрузочным характеристикам определяем I_БМАХ = 0,35 мА

12. Определяем сопротивление коллекторной цепи второго каскада по формулам

2.3 Расчет каскада предварительного усиления

1. Выбираем транзистор для предварительного каскада.

Для выбора транзистора определим допустимое напряжение между коллектором и эмиттером и допустимый ток коллектора

U_KMAX≥ E_k = 24 B

I_KMAX≥ 2·I_БMAXOK = 2·0,74·10^-3 = 1,52 мА

Таким требованиям отвечает транзистор КТ3107Д с параметрами

P_KMAX = 300 мВт

I_KMAX = 100 мA

U_KMAX = 25 B

h_21ЭMIN = 180

f_ГР = 200 МГц

2. Определяем ток в точке покоя по формуле

Принимаем I_Ko= 4мА, так как при меньших значениях резко снижается усиление по току.

3. Определяем сопротивление в цепи коллектора по формуле

4. Определяем сопротивление в цепи эмиттера по формуле

5. Определяем величину сопротивления в цепи делителя, для этого задаем величину коэффициента нестабильности S=3, по формуле

где - сопротивление базы

- коэффициент передачи тока в схеме с общей базой

R_Э = R4 = 1200 Ом

6. Определяем сопротивления в цепи делителя по формулам

где I_Э = I_K0 = 4·10^-3 A

7. Определяем коэффициент усиления по напряжению каскада по формуле

8. Определяем емкость С4 по формуле

9. Определяем емкости разделительных конденсаторов по формуле

10. Определяем параметры элементов фильтра в цепи питания по формулам

11. Определяем общий коэффициент усиления всего усилителя

2.4 Выбор элементов схемы

Выбор элементов проектируемого усилителя низкой частоты проводим исходя из расчета элементов схемы электрической принципиальной, а так же с учетом условий эксплуатации.

Расчетные и принятые номинальные значения элементов схемы электрической принципиальной сведены в таблицах 2 и 3

Таблица 2 – Конденсаторы

Обозначение	Расчитанная емкость, мкФ	Номинальная емкость, мкФ	Номинальное напряжение, В	Марка
C1	100	100	25	К50-35
C2	2,2	5	25	К50-35
C3	2,2	5	25	К50-35
C4	4,14	5	25	К50-35
C5	62	100	25	К50-35

Таблица 3 – Резисторы

Обозначение	Расчитанное сопротивление, Ом	Номинальное сопротивление, Ом	Рассчитанная мощность, Вт	Номинальная мощность, Вт	Марка
R1	10695	12000	-	0,25	С1-4
R2	1783	1800	-	0,25	С1-4
R3	2400	2700	0,04	0,125	С1-4
R4	1200	1200	0,019	0,125	С1-4
R5	42000	50000	0,007	0,125	С1-4
R6	17000	20000	0,0019	0,125	С1-4
R7	160	200	0,14	0,25	С1-4
R8	1171	1200	0,0019	0,125	С1-4
R9	50	100	0,011	0,125	С1-4
R10	1280	1300	0,42	0,5	С1-4