Приклад остаточного розрахунку каскаду попереднього підсилення з СЕ

6.1.4.1 Вихідні дані

У результаті попереднього розрахунку (розділ 5) було складено схему ПНЧ, в яку входять декілька однотипних каскадів попереднього підсилення з СЕ.

Виконаємо розрахунок каскаду попереднього підсилення, схема електрична принципова якого наведена на рис. 6.1, за такими вихідними даними (загалом отримуються у результаті попереднього розрахунку):

1) напруга на виході каскаду U_вих.т = 7,5 В;

2) опір навантаження R_н = 1200 Ом;

3) напруга джерела живлення Е_К = 30 В;

4) нижня межа частот f _н = 75 Гц, верхня межа частот f _в = 19,5 кГц;

5) допустимі значення коефіцієнтів викривлень в області нижніх частот М_н = 1,15, в області верхніх частот М_в = 1,12.

Як і для попереднього розрахунку, вважаємо, що ПНЧ працює у стаціонарних умовах.

6.1.4.2 Необхідно визначити:

1) тип транзистора VT1 (уточнити правильність попереднього вибору);

2) режими роботи транзистора;

3) опори резисторів дільника R ₁, R ₂;

4) опір резистора колекторного навантаження R ₃;

5) опір резистора в ланцюгу емітера R ₄;

6) ємність розділяючих конденсаторів С₁, С₂;

7) ємність конденсатора в ланцюгу емітера С ₃;

8) гарантовані значення коефіцієнтів підсилення каскаду за струмом К _I, напругою К _U та потужністю К _P.

При побудові схеми каскаду будемо використовувати елементи з допустимим відхиленням від номінальної величини ± 5% (ряд Е24; керуючись цим, в результатах розрахунку можна залишати не більше трьох значущих цифр).

6.1.4.3 Порядок розрахунку

6.1.4.3.1 Перевіримо правильність попереднього вибору транзистора:

1) допустима напруга між колектором та емітером повинна перевищувати напругу джерела живлення

U_{K max} > E_K; (6.1)

2) величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора

I_Kmax > (I_0K + I_Km), (6.2)

де I_0K – струм спокою у колі колектора;

I_Km – амплітуда змінної складової струму у колі колектора;

I_Km = U _{вих. m} / R_н», (6.3)

де – еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом. При цьому R ₃ є навантаженням за постійним струмом.

З огляду на те, що даний каскад є підсилювачем потужності, для забезпечення максимальної передачі потужності задаємо:

R ₃ = R_н, (6.4)

тобто R ₃ = 1200 Ом,

(до речі, за умови підсилення напруги задають R ₃ << R_н, а при підсиленні струму R ₃ >> R_н), тоді:

Ом;

I_Km мА.

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають

I_0K = (1,05...1,1) I_Km = 1,1 × 12,5 = 13,8 мА.

На підставі (6.1) та (6.2) необхідно вибрати транзистор, який би забезпечував:

U_Kmax > 30 В;

I_Kmax > (13,8 + 12,5) = 26,3 мА.

За результатами попереднього розрахунку було обрано в якості підсилюючого елемента транзистор типу КТЗ15. За даними табл. 5.2 або довідника [4] знаходимо, що заданим вимогам відповідає транзистор КТЗ15Г, у якого U_Kmax = 35В, I_Kmax = 100 мА, h_21Е = 50...350, P_Kmax =150 мВт.

6.1.4.3.2 Знаходимо напругу між колектором та емітером транзистора у режимі спокою

U_0К = U _вих.т + U_ост, (6.5)

де U_ост – напруга між колектором та емітером, нижче якої при роботі каскаду виникають значні нелінійні викривлення через те, що у робочу зону потрапляють ділянки характеристик транзистора зі значною кривизною.

Для малопотужних транзисторів як правило задають U_ост = 1В. Тоді

U_0К = 7,5 + 1 = 8,5 В.

6.1.4.3.3 Знаходимо потужність, що виділиться на колекторі транзистора:

P_K = I_0K U_0K. (6.6)

При цьому необхідно забезпечувати виконання умови:

P_K < P_Kmax; (6.7)

P_K = 13,8 × 8,5 = 117 < 150 мВт.

Таким чином, вибраний тип транзистора відповідає вимогам за потужністю.

6.1.4.3.4 Знаходимо опір навантаження у колі колектора. З огляду на (6.4), маємо

R ₃ = 1200 Ом.

За табл. 6.2, 6.3 вибираємо R₃ = 1,2 кОм.

Потужність, що розсіюється в резисторі:

P = I ² R. (6.8)

Отже

Вт.

За табл. 6.4 вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,25 Вт.

6.1.4.3.5 Знаходимо опір резистора R₄ у ланцюгу термостабілізації:

 

. (6.9)

При цьому оптимальним співвідношенням є:

При цьому бажано виконувати оптимальне співвідношення:

(6.10)

що забезпечує незначне зниження динамічного діапазону каскаду і падіння напруги на R ₄, яке перевищує значення контактного потенціалу p-n переходу транзистора (для забезпечення умов температурної стабілізації режиму спокою каскаду). Отже:

Ом;

За табл. 6.2, 6.3 вибираємо R₄ = 360 Ом. Тоді

Останнє відповідає умові (6.10).

Потужність, що розсіюється в R ₄

Вт.

 

За табл. 6.4 вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,125 Вт.

6.1.4.3.6 Знаходимо ємність конденсатора С ₃, що шунтує R ₄ за умови, що його опір на частоті f _н повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора R ₄:

, (6.11)

де множник 10⁶ дозволяє отримувати значення ємності у мікрофарадах.

мкФ.

Робоча напруга на С ₃

В.

За табл. 6.2, 6.3 та 6.5 вибираємо конденсатор типу К50-35 ємністю 100 мкФ на напругу 6,3 В.

6.1.4.3.7 Знаходимо величину струму спокою бази транзистора

, (6.12)

мА.

6.1.4.3.8 Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази

В (6.13)

і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора

, (6.14)

Ом.

6.1.4.3.9 Знаходимо величини опорів резисторів дільника R ₁, R ₂.

Дільник підімкнено до напруги

U _Д = E_K = 30 В. (6.15)

Величина струму в дільнику вибирається в межах

I _Д = (2...5) I_0Б, (6.16)

що забезпечує незалежність задання режиму спокою транзистора при зміні його параметрів під впливом температури, при заміні на інший і т.п.

I _Д = 5 × 0,276 = 1,38 мА.

Падіння напруги на резисторі R₄ складає

(6.17)

= (13,8+0,276)× 10^-3 × 360 = 5,07 В.

Тоді

; (6.18)

. (6.19)

Отже,

R ₁ = = 14700 Ом;

R ₂ = Ом.

За табл. 6.2 – 6.3 вибираємо R₁ = 15 кОм; R₂ = 4,3 кОм.

Знаходимо потужність, що виділяється в резисторах R₁ і R₂:

; (6.20)

(6.21)

= [(0,276+1,38)×10-3] · 2 · 15 · 103 = 0,041 Вт;

= (1,38×10-3)2 × 4,3 × 103 = 0,008 Вт.

З табл. 6.2 - 6.4 вибираємо резистори типу С2–33 потужністю 0,125 Вт.

6.1.4.3.10 Знаходимо ємність конденсаторів С₁ та С₂ за умови забезпечення допустимого значення коефіцієнта частотних викривлень М_{н .} З цією метою розподіляємо частотні викривлення по колах, що включають конденсатори С₁ і С₂:

М_н = при , (6.22)

= 1,058.

Знаходимо ємність (в мікрофарадах) конденсатора С₁ на вході підсилювача:

, (6.23)

мкФ.

Знаходимо ємність (в мікрофарадах) конденсатора С₂ на виході підсилювача:

, (6.24)

мкФ.

Робочу напругу С₁ і С₂ приймаємо рівною

(6.25)

В.

За табл. 6.5 вибираємо конденсатори типу К73-17 ємністю С₁ = 3,3 мкФ, С₂ = 4,7 мкФ на напругу 63 В.

6.1.4.3.11 Знаходимо амплітудні значення струму й напруги на вході каскаду:

, (6.26)

де h _{21 Emin} – мінімальне значення коефіцієнта передачі струму в схемі з СЕ для обраного транзистора.

мА.

. (6.27)

В.

Необхідна потужність вхідного сигналу

, (6.28)

Вт.

6.1.4.3.12 Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою та потужністю:

(6.29)

(6.30)

(6.31)

дБ.

Раніше було прийнято значення коефіцієнта підсилення за потужністю 20 дБ, отже каскад розраховано вірно.

Більш того, навіть за мінімального значення коефіцієнта підсилення транзистора h_21Emin = 50 маємо запас за підсиленням. Діапазон можливих значень коефіцієнта підсилення у транзисторів досить широкий: для КТ315Г він складає h_21Emin =50...350. Отже основний параметр може перевищувати своє мінімальне значення у сім разів.

На перший погляд це може здатися суттєвим недоліком, бо результати розрахунків, що ми отримали, виявились досить приблизними. Але введення в підсилювач від’ємного зворотного зв’язку у цьому випадку зможе зменшити та стабілізувати значення коефіцієнта підсилення, а також покращити інші параметри пристрою.

6.1.4.3.13 По значеннях ємностей С₁ і С₂ будуємо амплітудно-частотну характеристику в діапазонах частот (0,6...1,4) f _н і (0,8...1,2) f _в для 8...10 точок кожного діапазону. При цьому для нижніх частот:

, (6.32)

(6.33)

(6.34)

Для верхніх частот:

, (6.35)

(6.36)

де гранична частота підсилення транзистора

(6.37)

кГц.

Результати розрахунків заносимо у табл. 6.6 та 6.7.

 

Таблиця 6.6 – АЧХ для нижніх частот

fн,Гц		52,5		67,5		82,5		97,5
МНС1	1,094	1,070	1,054	1,043	1,035	1,029	1,024	1,021	1,018
МНС2	1,084	1,062	1,048	1,038	1,031	1,026	1,022	1,018	1,016
КР	20,2	21,0	21,6	22,1	22,4	22,6	22,8	23,0	23,1

 

Таблиця 6.7 – АЧХ для верхніх частот

fв,кГц	15,6	17,6	19,5	21,4	23,4
Мв	1,078	1,099	1,120	1,143	1,169
КР	22,2	21,7	21,3	20,9	20,4

 

Розрахована АЧХ наведена на рис. 6.2

f

7 ВИБІР ТА РОЗРАХУНОК ІНТЕГРАЛЬНОГО СТАБІЛІЗАТОРА НАПРУГИ