Расчет трансформаторного усилителя

Задание для курсовой работы по дисциплине "Электроника"



Студенту 3 курса факультета ЭАСХП Марич Александру Ярославовичу № 03137

Рассчитать двухкаскадный трансформаторный усилитель мощности, выполненный на кремниевых транзисторах структуры p-n-p по условиям задачи 2.3 учебного пособия.

Исходные данные для расчета:

Сопротивление нагрузки Rн 25 Ом

Диапазон рабочих частот fн 20 кГц

fв 18 кГц

Мощность сигнала в нагрузке Pн 0.15 Вт

Коэффициент частотных искажений Мн=Мв 1.41

Коэффициент гармоник К 0.3

Коэффициент температурной нестабильности S 5

Глубина обратной связи F 1.5

Температура окружающей среды Т ºС 40

Напряжение питания Е 9 В


Расчет однотактного трансформаторного усилителя мощности



Задача. Трансформаторный усилитель построенный на схеме, должен развивать в нагрузке Rн мощность входного сигнала Pн при температуре окружающей среды Т. Рабочий диапазон частот усилителя от fн до fв при допустимых частотных искажениях Мв, Мн. Для уменьшения нелинейных искажений усилитель охвачен цепью общей последовательности отрицательной обратной связи по напряжению (RосСос), глубиной F.







Выбрать транзисторы и рассчитать параметры элементов схемы, обеспечив, при этом температурную стабилизацию рабочей точки каждого каскада с коэффициентом нестабильности S. Вычислить амплитуду входного напряжения и мощность, потребляемую усилителем от источника входного сигнала. Определить к. п. д. усилителя и полный ток, потребляемый от источника питания напряжением Е.




Порядок расчета



По заданной величине Pн из таблицы 1.4.1 определяем к.п.д трансформатора и рассчитываем выходную мощность каскада



Рвых= Pн / ηтр=0.15/0.7=0.21 Вт



ηтр-КПД трансформатора

Находим максимальную мощность, рассеиваемую коллектором транзистора VT2



Pk.т.= Рн/(ηк* ηтр) =(2.5…3.5) Рн=3*0.15=0.45 Вт



ηк-КПД коллекторной цепи

Выбираем транзистор VT2 по величине РК макс, UКЭ макс и fгр, учитывая особенность трансформаторного каскада, а также рекомендации раздела 1.8



Тип транзистора

Материал

h11Э, кОм

h21Э, кОм

h22б, мкОм

fh21Э, мГц

Iкмах, А

UкЭмах, В

∆Т, К

РК.макс, мВт



Si



























Оцениваем работоспособность выбранного транзистора в заданных температурных условиях



РК.макс=(Тn-Т)/2*RК.n-к



Т-температура окружающей среды, К

Тn-максимальная температура коллекторного перехода, К

RК.n-к-тепловое сопротивление переход-корпус, К/Вт

Так как по условию Рк.р.< РК макс, то данный транзистор проходит по условию.

Выбираем режим усиления класса А и рассчитываем оптимальный коэффициент трансформации:

находим амплитуду коллекторного напряжения UkA2 из уравнения



E= Ukn2+ Uэп2= UкА2+ Uост+ Uэn2



Остаточное напряжение на коллекторе Uост для высоковольтных транзисторов при больших токах выбирают равным 2…10 В, для низковольтных 1….4 В.



UкА2=Е- Uост- Uэn2



Uэn2=(0.1…0.3) Е



зная выходную мощность каскада, вычисляют эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора VT2 в точке покоя(Rk~2)



Rk~2= U2кА2/(2* Рвых)



рассчитываем оптимальный коэффициент трансформации по формуле



n=√(Rн/Rk~2)



Составляем эквивалентную схему усилителя для области средних частот, учитывая при этом структуру транзисторов, и отмечая на ней все напряжения и токи. Сопротивлением Rф можно пренебречь.






Примечание: Далее расчет ведем считая цепь ООС разомкнутой.

Вычисляем ток коллектора покоя



Ikn2=Ukn2/ Rk~2,



полагая что



Ukn2=UkA2+Uост



Графически определяем ток базы Iбn2 и напряжения U бn2 . Для этого на семействе выходных характеристик транзистора отмечаем дополнительную точку А (Ikn,Ukn), через которую при необходимости проводят дополнительную характеристику, соответствующую Iбn2 . Величину тока Iбn2 определяют методом линейной интерполяции, используя две соседние характеристики. Полученную точку переносят на входную характеристику транзистора и находят U бn2 .



Находим величины h21Э и h11Э в точке покоя.



h21Э=(∆Ik/∆Iб)/ UкЭ

h11Э=(∆UбЭ/∆Iб)/UкЭ


Строим на семействе выходных ВАХ транзистора динамическую линию нагрузки и гиперболу допустимой мощности



α=arctg(Кm/Rk~),



где



Кm=Um/Im



Определяем динамически режим работы транзистора. Для этого откладываем на оси абсцисс амплитуду напряжения коллектор-эмиттер UkA2, определяем амплитудные значения тока коллектора IkА2, тока базы IбА2. Переносим значения тока IбА2 на семейство входных характеристик и находим напряжение U бА2 , делаем вывод об эффективности использования усилительных свойств транзистора.



UkA2= IkА2= IбА2= U бА2



Вычисляем сопротивление резистора R7 и мощность, рассеиваемую на нем по току покоя, а затем окончательно выбираем его тип и номинал.



E= Uкэn+ Ikn2*R7=> R7=( E- Uкэn)/ Ikn2



Находим величину эквивалентного сопротивления базового делителя Rб2 с учетом коэффициента температурной нестабильности S.



Rб2/Rэ=S-1



Составляем уравнение для базовой цепи VТ2 в режиме покоя и находим сопротивление резистора R5.



Uбэn+Uэn=(E*R6)/(R5+R6)Ucм=(E*R6)/(R5+R6)

Uэn= Ikn*R7

R5=(E* Rб2)/ Ucм



Рассчитываем сопротивление резистора R6.



R6=( Rб2*R5)/(R5- Rб2)



Определяем ток делителя Iд2 и находим мощность рассеивания резисторов базового делителя и окончательно выбираем их тип и номинал.



Iд2=E/(R5+R6)

P5= Iд22*R5

P6= Iд22*R6



Выбираем резистор R5 МЛТ- R6 МЛТ-

Вычисляем входное сопротивление оконечного кacкaдa Rвx2.



Rвx2=( Rб2* h11Э)/( Rб2+ h11Э)



Рассчитываем коэффициент усиления оконечного каскада по напряжению Кu2 без учета ООС.



Rr=(2…6) Rвx2

Кu2=n*( h21Э* Rk~)/( Rr+ h11Э*(1+ Rr/ Rб))



Определяем мощность, потребляемую базовой цепью транзистора VT2 от предыдущего каскада, по формуле:



Rб2=0.5* I2бА2* Rвx2

Вычисляем выходную мощность предоконечного каскада по формуле



Pвых1=Кз.м*РбА=(1.1…1.2)*РбА2



Где Кз.м=1.1…1.2- коэффициент запаса, учитывающий потери мощности в цепи смещения оконечного каскада.

Находим мощность РК.р, рассеиваемую коллектором VТ1.



РК.р=(2…3)Рвых



Принимая, с учетом падения напряжения на резисторе фильтра Rф, напряжение питания предоконечного каскада



Eк1= 0.9Е1



выбираем транзистор VТ1



Тип транзистора

Материал

h11Э, кОм

h21Э, кОм

Iк.мах А

fh21Э, мГц

Uкэмах, А

Pk.мах, МВт

∆Т, К

Тмах К



Si



















Режим покоя транзистора.



Eк1= 0.9Е

Ukэn1=0.5*Ек1

Uэn=(0.1…0.3) Ек1

R3=(2…6) Rвx2

Ikn1=(E1- Ukэn1- Uэn)/R3

Iбn1=Ikn1/h21э

Выбираем сопротивление резистора R3 таким, чтобы обеспечить возбуждение транзистора оконечного каскада в режиме генератора тока.

Высчитываем мощность рассеиваемую резистором R3 и выбираем его тип и наминал



P3= Ikn1* R3= МТЛ-



Вычисляем эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора VТ1 в точке покоя (Rk~1)



Rk~1=(R3* Rвx2)/( R3+ Rвx2)



Оцениваем коэффициент усиления предоконечного каскада



Кu= (h21э* Rk~1)/ h11Э



Определяем требуемую амплитуду коллекторного тока транзистора VТ1 по формуле, учитывая, что для последовательно соединенных каскадов должно выполняться равенство:



UkA1= UбA2Pвых=1.1*Pб2=> UkA* IkА=1.1* UбA2* IбА2

IkА1=1.1* IбА2



Вычисляем амплитудное значение тока базы и напряжение база-эмиттер транзистора VT1



IбА1=IkA1/ h21Э=UбA1= IбА1* h11Э



30. Находим сопротивление резистора R4


E1=Ikn1*R3+Ukэn1+Ikn*R4=> R4= (E1- Ikn1*R3- Ukэn1)/ Ikn1

P4=I2kn1*R4



Вычисляем сопротивления R1 и R2



Rб1/R4=S-1=> Rб1

Uсм=Uбэn1+ Uэn1=E1* Rб1/R1=>R1=E1* Rб1/ Uсм

R2= Rб1*R1/( R1- Rб1)

Iд1=E1/(R1+R2)

P1= Iд12*R1

P2= Iд12*R2



Вычисляем входное сопротивление предоконечного каскада Rвx1 в точке покоя.



Rвx1=Rб1* h11Э/( h11Э+ Rб1)



Рассчитываем фактический коэффициент усиления предоконечного каскада



Ku1= (h21Э*R3* Rвx2/( R3+ Rвx2))/(Rr+ h11Э*(1+ Rr/Rб1))



Уточняем коэффициент усиления оконечного каскада с разомкнутой цепью ООС.



Ku=Ku1*Ku2



Строим сквозную динамическую характеристику оконечного каскада и рассчитываем коэффициент нелинейных искажений Кr, полагая цепь ОС разомкнутой.

Uвх=Uбэ+Iб*Rr= Rr=R3

Krр=0.5*((Ik`- Ik``)/( Ik`+ Ik``))



Krр<Kr, так как Krр<Kr, то ООС не требуется.

Определим амплитуду входного сигнала



Uc=UбА1



Находим входное сопротивление усилителя

Рассчитываем мощность потребляемую усилителем от источника входного сигнала.



Рвх=Uc2/ Rвх1



Рассчитываем емкость разделительных и электрических конденсаторов.



Ммсм=3√(1/Ммус)

τ1=√(1/((М2мсм-1)* (2*π*fm)2))

С1= τ1/(Rr+Rвх1)



Выбираем конденсатор К



С2= τ2/(R3+Rвх2)



Выбираем конденсатор К

Определяем значения Rф и Сф и выбираем окончательно



Сф=√(Ku/(2*π*fm*Rm))

Iф=Ikср+Iд+Iвср

Rф=∆UФ/Iф

PФ= Rф* Iф2



Вычисляем полный ток I0, потребляемый усилителем от источника питания.



I0=ΣIkср+ΣIд+ΣIбср



Рассчитываем КПД усилителя



η=РН/(I0*E)*100%