Методика расчета усилителя постоянного тока.

 

Рассчитать двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с непосредственной межкаскадной связью.

Исходные данные:

Напряжение источника питания Е_к;

Максимальное изменение входного сигнала DU_вх ;

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала R_c;

Сопротивление нагрузки R_н;

Требуемые максимальные изменения выходного напряжения

DU_вых;

Изменения температуры окружающей среды t⁰_окр;

Определить:

Выбор точки покоя транзистора второго каскада.

Выбор транзистора.

Проверить режим покоя на соответствие допустимой

рассеиваемой мощности коллектора.

Сопротивление резисторов R_Э2, R_К2;

Сопротивление делителя R₁, R₂;

Сопротивление нагрузки для второго каскада R^/_Н2;

Правильность выбора тока I_К2, для чего рассчитать требуемую амплитуду тока I_К2m;

Коэффициент усиления напряжения второго каскада К₂;

Необходимое входное напряжение второго каскада DU_ВХ2;

Напряжение U_К1 в режиме покоя;

Выбрать точку покоя первого каскада;

Сопротивление резисторов R_К1, R_Э1, R_Б;

Входное сопротивление усилителя R_ВХ, коэффициент усиления

первого каскада К₁, общий коэффициент усиления напряжения К;

Дрейф выходного напряжения;

 

5.1. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают три основных режима работы усилительныхкаскадов, или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и к.п.д.

Режим А.

Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик транзистора. На рис. 3 для режима А показано положение рабочей точки на переходной характеристике, линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Значение входного напряжения в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток – очень низкий к.п.д. усилителя.

К.п.д. усилителя определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания. Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А,

,

где U_km, I_km – соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем мощность частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую в элементах усилительного каскада. Эта мощность равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора:

,

Таким образом, к.п.д. усилительного каскада:

,

Как видно из рисунка 1, амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т.е. U_km < U₀ и

I_km < I₀. Следовательно, к.п.д. усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому в усилителях мощности, для которых к.п.д. имеет существенное значение, режим А используют очень редко.

 

 

Работа усилительного каскада в режиме А

 

 

 

Рис. 5.1.

Режим В.

Рис. 5.1.

Режим B.

Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают в начале переходной характеристики транзистора (рис. 2). Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т.е. нелинейные искажения очень большие. Поэтому режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности.

 

Режим В характеризуется значительно более высоким к.п.д. усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение.

К.п.д. усилителя, работающего в режиме В, может достигать 80 %

Работа усилительного каскада в режиме В.

 

 

 

 

 

Рис. 5.2.

 

 

Иногда используют режим работы усилительного каскада промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка покоя при этом должна находиться в интервале между положениями рабочей точки в режимах А и В. В этом случае к.п.д. усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

 

Режим С.

Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рис. 3.) Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к.п.д. устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

 

Работа усилительного каскада в режиме С

 

Рис. 5.3.