Усилители с непосредственной связью. Простые, двухкаскадные усилители Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на рис. 174. Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, С3 и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); С3 - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя гю высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на рис. 174, а работают транзисторы структуры р-n-р, в усилителе на рис. 174, б - структуры n-p-n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21Э 20-30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21Э. Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м или абонентский громкоговоритель. Для питания усилителя используй батарею 3336Л или сетевой блок питания (о котором я рассказал в предыдущей беседе).

Предварительно усилитель собери на макетной панели, чтобы всесторонне изучить и научиться налаживать его, после чего перенесешь его детали на постоянную плату.

Сначала на панели смонтируй детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включи головные телефоны.

Рис. 174. Двухкаскадные усилители ЗЧ на транзисторах структуры р-n-р (а) и на транзисторах структуры n-р-n (б)

Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами детекторного приемника, настроенного на какую-либо радиостанцию, или подключить к нему звукосниматель и проиграть грампластинку, в телефонах появится звук радиопередачи или грамзаписи. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в седьмой беседе), добейся наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, - должен показывать ток, равный 0,4-0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы транзистора.

Затем смонтируй детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включи в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4-0,6 мА.

Можно, однако, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а тебе придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный.

Надеюсь, ты понял, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. Но, как я уже говорил, нагрузкой усилителя может быть телефонный капсюль ДЭМ-4м или абонентский громкоговоритель. Режим работы выходного транзистора при этом должен измениться. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4-6 мА, а с абонентским громкоговорителем (сопротивление первичной обмотки его согласующего трансформатора, используемого как выходной трансформатор, еще меньше)-увеличить до 8-10 мА.

Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на рис. 175. Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры р-n-р, а во втором - структуры n-р-n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через связующий конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2.

В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р-n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35-МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680-750 Ом, а если кремниевый (МП111-МП116, КТ315) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю.

Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л, или, наоборот, от источника напряжением 1,5-3 В - от одного-двух элементов 332 или 316?

Рис. 175. Усилитель на транзисторах разной структуры

Рис. 176. Монтажная плата двухкаскадного усилителя ЗЧ

Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на рис. 176 показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 174, а). Плату выпили из листового гетинакса или текстолита толщиной 1,5-2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у тебя деталей. Например, на схеме мощность разисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К50-3 или К52-1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50-6, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у тебя деталей может измениться и монтажная схема усилителя.

О самом монтаже я уже говорил в девятой беседе. Если забыл, загляни в нее еще раз.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой части беседы, пригодится тебе в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный Университет»

Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Расчет двухкаскадного резистивного усилителя на биполярных транзисторах

пояснительная записка

к курсовой работе по электронике

Студент гр. 130601 ___________________ П.Л. Леонов

(подпись и дата)

Руководитель - доцент каф. РЭ_________________ В. В. Давыдов

Тула – 2012

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Проверить что тут писать

Разраб.

Леонов П.Л.

Провер.

Давыдов В.В.

Т.котр.

Давыдов В.В.

Н. Контр

Утв.

Прохождение периодического сигнала через LC-фильтр с потерями.

Листов

ТулГУ гр.130601

Аннотация

Данная пояснительная записка написана к курсовой работе по дисциплине «Электроника» для варианта «03» и содержит в себе результаты расчета резистивного усилителя на биполярных транзисторах. В качестве анализируемого усилителя выступает двухкаскадный усилитель на кремниевых биполярных транзисторах, основные параметры которого рассчитываются в одной из частей данной записки.

В качестве дополнительного материала к текстовой информации данной пояснительной записки здесь приведены NN иллюстраций. Помимо этого составлена графическая часть на листе формата А1, включающая наиболее важные схемы и характеристики.

Объем пояснительной записки – NN листов.

1. Титульный лист………………………………………………………..1
2. Аннотация……………………………………………………………...2
3. Бланк задания к курсовой работе………………………………….....3
4. Содержание…………………………………………………………….5
5. Введение………………………………………………………………..6
6. Анализ технического задания на курсовую работу……………...….7
7. Обзор литературных источников……………………………………..9
8. Анализ заданной ЭДС………………………………………………..10
9. Определение ширины спектра ЭДС…………………………………11
10. Анализ схемы. Расчет параметров схемы………………………...14
11. Расчет А-параметров схемы фильтра……………………………..15
12. Входное сопротивление нагруженного четырехполюсника…….17
13. Нахождение спектра выходного напряжения…………………….18
14. Расчет коэффициентов передачи фильтра.……………………….20
15. Расчет формы сигнала на выходе………………………………….23
16. Изменение сопротивления нагрузки при неизменных параметрах схемы…………………………………………………………….………………..25
17. Заключение………………………………………….………………28
18. Список использованной литературы………….…………………..29

Введение

«Электроника» является важнейшей дисциплиной в программе подготовки специалиста направления «Радиотехника». Данный курс лекций помогает студентам приобретать навыки разработки методов анализа и синтеза радиотехнических устройств различного назначения на уровне схемотехнических решений. В соответствии с этим курс «Электроника» также является теоретической базой для изучения специальных дисциплин с одной стороны, и основой расчета и исследования разнообразных устройств и систем передачи/обработки информации с другой стороны.

Резистивные усилители являются неотъемлемой частью подавляющего большинства современных технических устройств, т.к.

дают возможность исследования и обработки слабых сигналов.

Помимо приобретения навыков анализа подобных систем в ходе выполнения курсовой работы студенты должны:

Закрепить знания о физических процессах в электрических цепях;

Закрепить и расширить знания о математических моделях, описывающих характеристики и свойства электрических цепей;

Закрепить навыки работы с прикладными программами как, например, с интегрированной средой для решения математических задач MathCAD и текстовым процессором (редактором) Word ;

В результате выполнения курсовой работы каждый студент должен будет понять физические явления в резистивных усилительных каскадах, основным назначением которых является усиление слабых сигналов в заданной полосе частот.

Анализ технического задания на курсовую работу

Вариант курсовой работы с номером «03» предполагает следующие входные данные для анализа и расчета:

Рис. 1 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Таблица №1 (параметры схемы):

Результатом выполнения курсовой работы должен быть расчет номинальных величин резисторов и конденсаторов схемы, коэффициентов нестабильности рабочих точек каскадов, а так же АЧХ каскадов и усилителя в целом. Я бы хотел выделить несколько этапов на пути получения результата:

1) Расчет номинальных величин сопротивлений и емкостей;

2) Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя;

3) Нормированная АЧХ усилителя;

4) Минимальные значения входных и выходных сопротивлений каскадов по переменному току;

Обзор литературных источников

В методическом указании к курсовой работе был приведен список рекомендуемой литературы. Расчет курсовой работы я вел с использованием лекционного материала, теоретических знаний, полученных на занятиях и лабораторных, а также некоторых изданий из списка рекомендуемых. О трех используемых мною книгах стоит поговорить более подробно.

Наиболее важным считаю данное издание:

В данной книге изложены все тонкости курса Основ теории цепей, особенно подробно рассмотрены основные законы и методы расчета электрических цепей при постоянных токах и напряжениях. Авторы уделяют внимание и вопросу о синусоидальных токах – данная тема важна для меня.

Вторым используемым изданием был справочник по математике, наиболее полный и наиболее подробных из всех представленных в библиотеке:

Третье издание я решил выбрать самостоятельно, им оказался самоучитель по работе в математической среде MathCAD . Справочник Кудрявцева, предложенный к использованию руководителем курсовой работы, был не таким понятным для меня, а также был недоступен для использования. В найденном мной самоучителе не был указан автор, т. к. издание имелось лишь в электронном виде. Тем не менее, данное пособие очень пригодилось при написании расчетного файла к курсовой работе.

Выбор биполярного транзистора.

Т.к. к усилителю не предъявлено жестких требования по граничной частоте,усилению и стабильности каскадов,выберем общедоступный транзистор кт361б

Рис. 2 – зависимость U нас от температуры кт361а.

Исходя из данных принимаем U нас=0,5В для 20 градусов по Цельсию.

Рис. 3 – входная ВАХ кт361б.

Входная ВАХ относительно линейна при U бэ=0,7В.

Таблица №2 (параметры транзисторов):

Расчет номинальных величин сопротивлений.

Рис. 4 – Двухкаскадный резистивный усилитель.

Для согласования выходного сопротивления усилителя с нагрузкой расчет следует вести с оконечного каскада:

R 5 примем равным R н для согласования каскада с нагрузкой.

Т.к. R н=510 Ом, то выберем R 5=510 Ом. β примем равным 200.

Напряжение на R 6 примем равным 0,1*Е=1 В;

На R 5 падает напряжение U 5=(E -U нас-U 6)/2=4.25 В;

Ток коллектора I к2=U 5/R 5=8.33 мА;

Отсюда найдем ток базы I б2= I к2/β=41.7 мкА;

R 6=0.1*E / I к2=120 Ом

Найдем ток делителя:

I дел2=(5÷10)* I б2=8* I б2=0,33 мА;

На резисторе R 4 падает напряжение U 4,следовательно

R 4=U 4/I дел2=(0.1E +U бэ)/I дел2=5.1 кОм;

R 3=(E -U 4)/(I дел2+ I б2)= 22 кОм;

Сопротивление R бэ=U бэ/I б2=16,8 кОм.

Найдем входное и выходное сопротивления 2-го каскада по переменному току:

Рис.5-эквивалентная схема замещения второго каскада.

Из рис.5 видно:

Y вх2=1/ R 4+1/ R 3+1/(R 6+ R бэ)

R вх2=1/ Y вх2=3.3 кОм.

R кэ2= U Эрли/ I к2

U Эрли примем равным 95В

R кэ2=11,5 кОм.

R вых2= (R кэ2* R 5)/(R кэ2+ R 5)=588 Ом.

Расчитаем номинальные величины сопротивлений первого каскада:

R 2≈ R вх2=3.3 кОм.

I к1=(E - U нас)/(2* R 2)=1.44 мА.

I б1= I к1/ β =7.2 мкА.

R 1=(E - U бэ)/ I б1=1,2 Мом.

Рис.6-эквивалентная схема замещения первого каскада.

R бэ1=97,2 кОм.

R кэ1=66 кОм.

R вх1=(R бэ1* R 1)/(R бэ1+ R 1)=89,9 кОм.

R вых1=(R кэ1* R 2)/(R кэ1+ R 2)=3,14 кОм.

Найдем номинальные величины емкостей:

Т.к. на R вх должно быть падение напряжения не менее 1/√2 U сигн,то

Zc на f н не должно превышать (√2-1) R вх,следовательно

С=0,312/(f н* R вх).

С1≈0,312/(f н* R вх1)=33 нФ.

С2≈0,312/(f н* R вх2)=0,75 мкФ.

С3≈0,312/(f н* R н)=5,1 мкФ.

Рис.7-Принципиальная электрическая схема усилителя.

Уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя.

Коэффициент передачи входного напряжения равен

Кu вх(jω )=R вх*(R вх+Zc вх(jω )).

I вх(jω )=U вх* Кu вх(jω )/R бэ.

I вых(jω )=β* I вх(jω ).

U вых(jω )= I вых(jω )*R н/(R вых+R н).

При обработке данных формул с помощью ЭВМ получаем:

Имея уравнение комплексного коэффициента передачи усилителя можно найти АЧХ усилителя в заданной полосе частот.

Расчет АЧХ усилителя.

Для расчета АЧХ усилителя нам понадобится модуль коэффициента передачи. Произведя расчет получаем:

Таблица №3 (коэффициенты передачи усилителя):

Коэффициент передачи усилителя зависит от частоты нелинейно,

т.к. в схеме присутствуют реактивные элементы (конденсаторы).

Построим график нормированной АЧХ от 0 Гц до 10 кГц:

Рис.8-нормированная АЧХ усилителя от 0 Гц до 10 кГц.

Коэффициент усиления выражен в дБ. Этот график не удобен, т.к. на нем плохо видно увеличение АЧХ на низких частотах. Поэтому разобьем диапазон частот на несколько отрезков.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены характеристики П-образного реактивного фильтра нижних частот и приведены все необходимые формулы вычисления его параметров с таблицами значений и рисунками. Результаты расчёта были получены с помощью интегральной среды Math CAD . Система Math CAD называется самой современной, универсальной и массовой математической системой. Она позволяет выполнить как численные, так и аналитические (символьные) вычисления, имеет удобный математическо-ориентированный интерфейс.

По итогам курсовой работы можно сделать некоторые выводы. Если говорить конкретнее, то:

1. Был произведен анализ задания на курсовую работу;
2. Исходная функция входного сигнала была разложена в ряд Фурье и полностью проанализирована;
3. Были рассчитаны параметры элементов схемы фильтра, рассчитаны его важные параметры, а также составлены амплитудно- и фазочастотные характеристики.

Также в ходе выполнения курсовой работы я нашел входное сопротивление системы и формы выходного напряжения для заданной формы сигнала. В некоторых местах пояснительной записки были приведены необходимые цветные иллюстрации, поясняющие работу и упрощающие понимании написанного.

Список использованной литературы

1. Основы теории цепей: Учебник для вузов ⁄ Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.: ил.
2. Бронштейн И.Н. и Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд-е 13-е, перераб. – М.: ГИТТЛ, 1986. – 504 с.
3. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ
4. Самоучитель по MathCAD – книга в электронном виде.

При реализации транзисторных усилителей приходится решать ряд специфических задач. Прежде всего требуется обеспечить . Виды рабочих режимов транзистора, таких как режим линейного усиления A, режимы B, C, ключевые режимы D и F, мы уже рассматривали ранее. Чаще всего схемы усилительных каскадов на транзисторах рассматриваются применительно к режиму A. Наиболее распространенными схемами усилительных каскадов являются:

• Схема эмиттерной стабилизации
• Дифференциальный усилитель
• Двухтактный усилитель

Схема с фиксированным током базы

Схема с фиксированным напряжением на базе

Схема коллекторной стабилизации

Схема эмиттерной стабилизации

Дифференциальный усилитель

Еще одной распространенной схемой усилительного каскада является . Схема дифференциального усилителя получила распространение благодаря высокой помехоустойчивости входного дифференциального сигнала. Еще одним преимуществом данной схемы усилительного каскада является возможность применения низковольтных источников питания. Дифференциальный усилитель образуется при соединении эмиттеров двух транзисторов на едином сопротивлении или генераторе тока. Один из вариантом усилительного каскада, реализованного в виде дифференциального усилителя приведен на рисунке 6.

Усилительные каскады, построенные по схеме дифференциального усилителя широко применяются в современных интегральных схемах, таких как операционные усилители, усилители промежуточной частоты и даже полностью функциональные узлы, такие как приемник ЧМ синалов, радиотракт сотовых телефонов, высококачественные смесители частоты и т.д.

Двухтактный усилитель

В двухтактном усилителе может быть использован любой из режимов работы транзистора, однако чаще всего в этой схеме каскада усилителя используется режим работы B. Это связано с тем, что двухтактные каскады применяются на выходе усилителя, где требуется повышенная экономичность работы (высокий к.п.д. усилительного каскада). реализуются как на транзисторах с одинаковой проводимостью, так и с разной проводимостью транзисторов. Схема одного из самых распространенных видах двухтактных усилителей приведена на рисунке 7.

Схемы двухтактных усилителей позволяют значительно уменьшать уровень четных гармоник входного сигнала, поэтому данная схема усилительного каскада получила значительное распространение, однако схема двухтактного усилителя широко применяется и в цифровой техники. В качестве примера можно привести КМОП-микросхемы.

Литература:

Вместе со статьей "Cхемы усилительных каскадов на транзисторах" читают:

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Двухкаскадный усилитель на биполярных транзисторах

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио - аппаратуры:

• Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
• Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

• Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
• Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
• Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто - чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов - 0,1%.
• Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
• Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей - трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

• По мощности. Предварительный - своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

• По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
• По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы - А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
• По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi - fi.
2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот - от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.