Типы усилителей

Введение

Общие понятия

 

В современной  технике широко используется принцип  управления энергией, позволяющий при  помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как  управляемой, так и управляющей  энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором  процесс управления является плавным  и однозначным и управляемая  мощность превышает управляющую, носит  название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое  применение в современной технике  имеют усилители, у которых как  управляющая, так и управляемая  энергия представляет собой электрическую  энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания  поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую  эти колебания вводятся, - входной  цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных  областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

Типы усилителей

 

Усилители делятся  на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических  сигналов усилители можно разделить на две группы:

– усилители  гармонических сигналов, предназначенные  для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические  составляющие которых изменяются много  медленнее длительности устанавливающихся  процессов в цепях усилителя.

– усилители  импульсных сигналов, предназначенные  для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной  величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых  частот усилители делятся на ряд следующих типов:

– усилители  постоянного тока или усилители  медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания  любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.

– усилители  переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

– усилители  высокой частоты (УВЧ), предназначенные  для усиления электрических колебаний  несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.

– усилители  низкой частоты (УНЧ), предназначенные  для усиления гармонических составляющих непреобразованного передаваемого  или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты характеризуются большим  отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилетелей звуковых частот и превышающим 10⁵ для некоторых типов видеоусилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

 

Расчет каскада  окончательного усиления (каскад усиления мощности 3 на рис.1)

 

Принципиальная  схема каскада из трех усилителей:

 

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя.

Выбор транзисторов.

 

Поскольку усилитель  мощности в каскаде является основным потребителем энергии источников питания, то он должен работать в режиме класса АВ, обеспечивая высокий к.п.д. Транзисторы  Т₅, Т₆ выбираются, исходя из допустимой мощности рассеяния на коллекторе P_Кмах ³ 0,25 ¸ 0,3 * P_ВЫХ = 0,625 ¸ 0,75 Вт, и максимальной амплитуде коллекторного тока I_Кмах ³ 0,423 А.

Выбираем в качестве T₅ транзистор К504Б, а в качестве транзистора T₆ – транзистор  К505Б.

ЕДС источника питания находят из условия Е_пит => 2*(U_нач + U_mн) = 26 В, принимаем E_пит = 30 В, или два источника питания E_пит+ = 15 В, E_пит- = -15 В.  g₂₁ = I_мн / U_бэ = 2,5 A/В. Отсюда глубина обратной связи F = 1 + g₂₁*R_н = 71.

Выбираем для каскада  кремниевые диоды типа Д9В. Из характеристик диода следует, что для обеспечения напряжения на нем U_бэ0 = 0,2 В ток через диод должен быть I_д = 8 мА. При этом выполняется условие I_д >= (2¸3) I_б0.

Принимая  I_д  =  8  мА,  находим R₁₄ = R₁₅ = 3,7 кОм.  Сопротивление делителя  R_дел  = 
R₁₄ / 2 = 1,85 кОм.

Входная проводимость транзистора  g₁₁ = I_мб / U_мбэ = 4*10^-2 См. Тогда входное сопротивление каскада с учетом ООС составит R_вх = F R_дел (1+g₁₁ R_дел)^-1 = 1730 Ом.

Задаваясь f_н = 40 Гц, найдем емкость разделительного конденсатора С₄ = (2pf_нR_н) = 142 мкФ. Принимаем С₄ = 150 мкФ.

Коэффициент усиления по напряжению выходного каскада  составит К₀ = g₂₁ R_н (1 + g₂₁R_н)^-1 = 0,986. Амплитуда входного напряжения составит U_вх3 = U_вых3 / К₀ = 14,7 В, а амплитуда входного тока I_вх = U_вх /R_вх = 8,5 мА.

 

Расчет дифференциального  каскада промежуточного усиления (каскад 2 на рис.1)

 

Для промежуточного каскада усиления исходными для  расчета данными будут входные  параметры выходного каскада.

Для определения  сопротивления нагрузки первого  каскада необходимо рассчитать второй каскад. Второй каскад работает в режиме В,

Выбираем в  качестве T₃ , T₄ транзисторы КТ312А.

Второй каскад должен работать в режиме B, для обеспечения требуемого усиления сигнала. Коэффициент усиления в двух каскадах должен составить не менее К_у = 294.

R₁₁ = 160 Ом, R₁₂ = R₁₃ = 15 Oм.

I_к’ = 28,6 мА, E_пэк = 29 В.

R₁₀ = 3,4 кОм.

R_н =  2 R₁₂ + 2 h_11Э = 100 Ом.

Емкость С₃ составит С₃ = (2pf_нR_н)^-1 = 2,3 мкФ.

 

Расчет дифференциального  каскада промежуточного усиления (каскад 1 на рис.1)

 

Выбор транзисторов.

 

Выбираем в  качестве T₁ , T₂  транзисторы КТ3126А.

Расчет произведем, учитывая идентичность транзисторов в каждом из каскадов.

В условии необходимо усилить  поступаемый на вход слабый сигнал до максимального амплитудного (U_вх3).

Сначала по семейству выходных характеристик транзистора выберем рабочую точку. Для этого построим нагрузочную прямую по переменному току: выберем значение максимального тока коллектора I_{К макс} таким образом, чтобы точка, соответствующая выбранной величине, располагалась по меньшей мере над пятью - шестью кривыми i_K = f (U_K) при i_Б = const, приведенными в справочнике. Из этих соображений выбираем значение

I_{K макс} =40 мА.

Значение максимального  напряжения на коллекторе U_{K макс} = Е_К. Ток I_К0 можно взять равным половине I_{К макс}:     I_K0 = 0.5 I_{K макс} = 20 мА.

Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера R_Э. Для этого прежде всего зададимся падением напряжения на нем:

U_Rэ = 0.2 E_К = 3 В, отсюда   R₈ = R₉ =R_Э = U_RЭ / I_Э0 » U_RЭ / I_K0 = 75 Ом.

Теперь с  помощью выбранной рабочей точки определяем напряжение покоя между коллектором и эмиттером:

U_КЭ0 = 5.5 В.

По входной  характеристике  находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером, и входное сопротивление каскада (по переменному току):

I_Б0 = 1 мкА,  U_БЭ0 = 0.45 В,  R_{ВХ ОЭ} » R_{ВХ ~} = 2 R₅ = 450 кОм, R₅ = 230 кОм.

Сопротивление в цепи коллектора R_K рассчитываем аналогично R_Э, задавшись напряжением на нем:

U_Rк = E_K – U_Rэ – U_КЭ0 = 7.5 В,  R₆ = R₇ = R_K = U_Rк / I_K0 = 75 кОм.

Входное сопротивление  каскада должно быть больше, чем сопротивление источника сигнала, поэтому R₁ принимаем R₁ = R₃ = 30 кОм.

Затем рассчитываем R₂ с помощью следующего выражения:

              (E_К – (U_Rэ – U_БЭ0)) R₁ R_вх

                R₂ = R₄ = –––––––––––––––––––––– = 152 кОм,

                 (U_Rэ – U_БЭ0) (R₂ + R_вх)

Задаваясь f_н = 40 Гц, найдем емкость разделительного конденсатора С_1,2 = (2pf_нR_н)^-1

С₁ = С₂ = 40 мкФ.

Коэффициент передачи определим, учитывая, что R₈, R₉ << R_н2:

Максимальный  ток нагрузки равен

  U_Н

I_НМ = –––– = 0.1 мА,

   R_К

максимальный  входной ток каскада

I_НМ       0.1

I_{вх м} = ––– = ––– = 0.04 мА,

b_мин   25

отсюда коэффициент  усиления каскада по току

I_НМ

    К_I = –––––– = 2.5.

I_{вх м}

Максимальное  входное напряжение

U_{вх м} = 50 мВ,

откуда получаем коэффициент усиления по напряжению

U_Н

  K_U = –––– = 600.

U_{вх м}

 

Список используемых деталей:

№ поз.	Обозначение на схеме	Тип детали	Количество	Примечание
1	T1, T2	KT3126A	2
2	T3, T4	KT312A	2
3	T5	K504Б	1	Комплиментарные
4	T6	K505Б	1
5	VD1, VD2	Д9Б	2
6	С1,С2	40mPS	2
7	C3	2m3PS	1
8	C4	M15PS	1
9	R1,R3	30KJ	2
10	R2,R4	M15J	2
11	R5	M23J	1
12	R6,R7	75KJ	2
13	R8,R9	75RK	2
14	R10	3K4J	1
15	R11	K16J	1
16	R12,R13	15RK	2
17	R14,R15	3K7J	2