Введение

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и , имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов , и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , , и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и , для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 13 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рис. 14) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 13. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии и конденсатор заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке течет ток . Таким образом, на нагрузке реализуется биполярный сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и имеют разное включение: - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 14. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.

Рисунок 15. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рис. 15 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор и закрыт , при отрицательной полуволне, наоборот, открыт и закрыт . В остальном работа схемы рис. 15 аналогична работе соответствующих схем рис. 14 и рис. 13. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК.

Для того что бы усилитель мощности перевести в режим АВ для снижения нелинейных искажения, базы разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение для транзисторов, при котором в них течёт ток в режиме покоя (рис 16).

Рисунок 16. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ

На рисунке 17 приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности с двухтактным выходным каскадом на МДП – транзисторах с индуцированными каналами типа n (VT2) и типа p (VT3). Подложка обычно соединяется с истоком внутри мощных МДП – транзисторов. Полевые транзисторы вносят меньше нелинейных искажений и не подвержены тепловой неустойчивости. Пороговое напряжение стокозатворной характеристики современных мощных МДП – транзисторов с индуцированным каналом близко к нулю. Недостатком их являются повышенное остаточное напряжение и производственный разброс параметров, однако по мере совершенствования технологии они уменьшаются.

Рисунок 17. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ на ПТ

2 ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА И ЕЁ ОПИСАНИЕ

Схема состоит их двух каскадов: первый каскад RC-генератор на мосте Вина, второй каскад – усилитель мощности класса АB.

Мост Вина подключён к неинвертирующему входу ОУ.

Пусть , тогда частота сигнала будет определятся по формуле:

Для того что бы в генераторе с мостом Вина установились колебания, усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 3. Коэффициент усиления задаётся резисторами . Следовательно, должно выполнятся условие:

Диоды включённые параллельно служат для стабилизации амплитуды генерируемых сигналов (т.е вводят симметричную нелинейную обратную связь).

Достоинства RC-генератора с мостом Вина:

· обладает достаточно хорошей стабильностью частоты;

· может давать очень малые искажения;

· легко перестраивается (обычно перестройка частоты выходного сигнала осуществляется применением в качестве резисторов сдвоенного потенциометра и переключением пар конденсаторов для различных диапазонов частот).

Основным недостатком является то, что выходное напряжение достигает напряжения шин питания, что вызывает насыщение выходных транзисторов ОУ и создаёт значительные искажения.

Второй каскад – двухтактный бестрансформаторный каскад с полевыми МДП - транзисторами разных типов проводимостей.

МДП – транзистор VT1 обладает n-типом проводимости, а транзистор VT2 – р - типом. Если между затворами и истоками транзисторов будет подано напряжение положительной полярности, то транзи­стор VT2 будет закрыт, а транзистор VT1 будет открыт, и ток поте­чёт по цепи от плюса источника питания E1 сток-исток транзисто­ра VT1, по нагрузке, к отрицательному полюсу источника питания E1. А если будет подано напряжение затвор-исток отрицательной полярности, то транзистор VT1 будет закрыт, а транзистор VT2 будет открыт, и ток потечёт по цепи от плюса источника питания E2 по нагрузке, исток-сток транзистора VT2, к отрицательному полюсу источника питания E2. Поступление на вход сигнала с напряжени­ем то положительной, то отрицательной полярностей приводит то к запиранию одного транзистора и отпиранию другого, то наоборот. Другими словами транзисторы функционируют в противофазе. Транзисторы VT1 и VT2 выбирают так, чтобы их параметры и ха­рактеристики в рабочей области были как можно более близкими.

Достоинства:

возможно получение высокого КПД, при правиль­ном выборе транзисторов нелинейные искажения малы;

каскад развивает большую максимальную выходную мощность, по сравнению с однотактным каскадом с таким же транзистором;

из-за отсутствия трансформаторов нет жестких ограничений на частотный диапазон усиливаемых сигналов;

кроме того, без громоздких и тяжелых трансформаторов получают малые массу, габариты и низкую стои­мость устройства.

Недостатки:

необходимость тщательного выбора транзисторов и стремительное их разрушение при перегрузке выходного каскада, в случае, если в нём не предусмотрена система защиты по току.

Рисунок 18. RC-генератор с мощным выходным каскадом

РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Расчет усилителя мощности

Для подбора транзисторов нужно рассчитать следующие параметры:

где - амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки ;

- амплитудное значение тока на сопротивлении нагрузки ;

- мощность на нагрузке.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжение выбирается минимум на n В больше , поскольку нужно учитывать остаточное напряжение, а у полевых транзисторов оно может достигать единицы вольт:

Максимальная мощность, рассеиваемая одним транзистором определяется:

На основании рассчитанных выше значений подберём из справочной литературы транзисторы выходного каскада:

Таблица 3.1 Параметры транзисторов

Транзистор
2SK1058 (n-канальный)
2SJ162 (p-канальный)	-160

Так как транзисторы являются комплементарными, то достаточно рассчитать одно плечо усилителя.

Коэффициент усиления для полевого транзистора:

где ,

S – крутизна, характеризующая управляющее действие затвора.

Рассмотрим плечо, содержащее транзистор 2SK1058:

Для него

Следовательно,

C другой стороны коэффициент усиления по напряжению:

Откуда:

где ,

3.2 Расчёт генератора синусоидальных колебаний

Рассчитаем частоту генерируемых колебании.

Пусть сопротивление резисторов , выразим из формулы значение ёмкости конденсаторов:

После тестовых испытаний при конденсаторе ёмкостью , частота генерации колебаний не соответствует расчётным значениям, поэтому выбираем ёмкость конденсаторов ).

Сопротивление суммы резисторов должно быть примерно в 2,2 раз выше, чем сопротивление резистора . Пусть , тогда сопротивление

Поскольку амплитуду выходного сигнала сложно подобрать, будет разумным использовать построечный резистор на месте .

Определим амплитуду выходного напряжения.

Падение напряжения на диоде приблизительно 0,6 В. Следовательно, ток протекающий через резистор можем найти из формулы:

Ток протекающий через резистор будет равен :

Ток через резистор будет равен току через резистор .

Следовательно, выходная амплитуда будет находиться по формуле:

Подберём операционный усилитель, удовлетворяющий нашим параметрам. Источник питания у ОУ дожжен быть больше , поэтому будем питать операционный усилитель от источника питания 12 В

Операционный усилитель LM741A.

Параметры:

· коэффициент усиления по напряжению - ,

· входное сопротивление - ,

· выходное сопротивление -

· выходное напряжение смещения - ,

· входной ток - ,

· потребляемый ток - ,

· разность входных токов -

· ослабления синфазного сигнала (дБ) - ,

· максимальная амплитуда выходного сигнала - ,

· частота единичного усиления - ,

· Диапазон напряжений питания .

В цепи генератора не могут протекать токи, выше потребляемого тока операционным усилителем:

Следовательно, резистор выберем мощности 0,250 Вт, а остальные по 0,125 Вт.

Таблица 3.3 Параметры диодов КД521А

Диод
КД521А		0,05

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

Испытание устройства проведём в программном пакете MicroCap 7.

Испытание электронного устройства проведём в следующем порядке:

· соберём электронное устройство в MicroCap.

· измерим выходное напряжение,

· измерим выходной ток,

· определим частоту сигнала,

· определим мощность на нагрузке,

· сравним с условиями технического задания,

· сделаем вывод.

Схема подключения осциллографа:

Рисунок 4.1 Схема испытаний RC-генератора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена методика разработки электронного устройства на примере RC-генератора с мостом Вина и мощным выходным каскадом. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

Данное устройство может быть использовано как, RC-генератор с мощным выходным каскадом, частотой генерации мощность выходного каскада , сопротивление нагрузки .

Введение

Преобразователи напряжение - частота лежат в основе многих цифровых приборов, таких частотомеры, вольтметры АЦП, ЦАП и др. ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра — частоты.

Преобразователи напряжение—частота являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ.

Данные преобразователи относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения, отсутствием дифференциальной нелинейности.

При выборе ПНЧ следует учитывать:

· количество внешних компонентов, требования к их качеству, цену;

· точность ПНЧ (характеризуется интегральной нелинейностью, смещением и дрейфом нуля, смещением и дрейфом коэффициента преобразования);

· диапазон выходной частоты (Df = fmax – fmin) для получения требуемой разрешающей способности за время измерения;

· входное сопротивление или входной ток для согласования с датчиками;

· энергопотребление (количество и уровни напряжений питания, ток потребления);

· возможность прямого подключения оптрона к выходу ПНЧ.