Návrh a analýza jednostupňového zesilovače Zadání: U CC = 35 V I C = 10 ma R Z = 2 kω U IG = 2 mv R IG = 220 Ω Tolerance u napětí a proudů, kromě Id je ± 1 % ze zadaných hodnot. Frekvence oscilátoru u střídavé analýzy je nastavena na 1 khz. Maximální povolený pokles zisku je 3 db. Rozměry DPS: 30 x 30 mm se dvěma montážními otvory v protějších rozích desky o průměru 3 mm. U CE = Ucc U RE = Ucc I D = 10 x Ib C E = 470 µf C V1 = C V2 = 4,7 µf Řešení: Nastavení stejnosměrného pracovního bodu: Základem tohoto zesilovače je bipolární tranzistor BC 547. Je zde využita můstková stabilizace pracovního bodu. Výpočet hodnot rezistorů pro stabilizaci pracovního bodu: 1
Rezistory R C a R E by měly být pevně dány výpočty, protože napětí na každém je dáno proudem, který je přímo zadaný. Hodnota rezistoru R C je přímo v rezistorové řadě E48 i E96, proto jeho hodnotu ponechám na 1,4 kω. Emitorový rezistor o hodnotě 350 Ω už ale v normalizovaných řadách nenajdeme. Proto jsem ho zaokrouhlil na nejbližší hodnotu z řady E48, což je 348 Ω. Pro výpočet hodnot rezistorů bázového děliče jsem si nejprve zjistil proudový zesilovací činitel tranzistoru pro kolektorový proud 10 ma. V grafu pro napětí kolektor emitor = 5 V je proudový zesilovací činitel přibližně 500. Tuto hodnotu jsem použil pro orientační výpočet hodnot bázového děliče. Napětí mezi bází a emitorem je v katalogovém listu uvedené 700 mv sice při I C = 10 ma, ale pro bázový proud 500 µa. Já zde počítám přibližně s 20 µa, tato hodnota se však mění jen nepatrně a pro tento výpočet je tato informace plně dostačující. 2
Rezistory bázového děliče vycházejí přímo z řady E96. Proto tyto hodnoty můžu použít pro simulaci. Po spuštění simulace hodnoty na tranzistoru i na kolektorovém a emitorovém tranzistoru odpovídají zadání v požadované toleranci, ale proud bázovým děličem je o 2,7 % větší, než je ideální hodnota. Pro snížení proudu bázovým děličem tedy zvýším součet obou odporů v daném poměru. Pokud bych tento poměr nedodržel, změnil by se mi i již nastavený pracovní bod, což by bylo nežádoucí. Bázové rezistory tedy mohu spočítat podobně, jak před simulací. Místo výpočtu bázového proudu z nepřesné β ho dosadím přímo ze simulace. 3
V řadě E96 nalezneme 21,5 kω a 143 kω. Po dosazení do simulace všechny hodnoty odpovídají zadání v dané toleranci. Provedl jsem měření na skutečném zapojení se součástkami o stejných hodnotách jako v simulaci s tolerancí 0,5 %. Napájecí napětí jsem zajistil 35 V = ± 0,03 %. Po 30 minutách provozu jsem považoval tepoty součástek za ustálené a odečetl hodnoty z měřicích přístrojů. Kolektorový proud se ustálil na hodnotě 10,63 ma a napětí na tranzistoru mezi kolektorem a emitorem bylo 16,21 V. Skutečný proud bází se mi nepodařilo změřit, protože při zařazení µa metru mezi bázi tranzistoru a bázový dělič byl částečně ovlivněn protékající proud. Přestože naměřené hodnoty nejsou v toleranci 4
1 %, tyto hodnoty jsou dostačující pro tento zesilovač a částečně se mohou měnit s rozdílnou teplotou prostředí. Střídavá analýza: Pro výpočet zisku jsem do simulace přidal kondenzátory, zdroj signálu a zátěž. Ze změřených napětí lze snadno dopočítat zisk zesilovače. Ve skutečnosti jsem naměřil výstupní napětí 322 mv rms při vstupním 1,2 mv rms. Zisk je tedy 48,6 db. Zobrazení vstupního a výstupního průběhu napětí při frekvenci 1 khz: 5
Skutečné průběhy zesilovače: 6
Dolní mezní kmitočet zesilovače: Při simulaci vychází dolní mezní kmitočet na 92,7 Hz s poklesem zisku o 3 db, ve skutečnosti jsem naměřil pouze 118 Hz. Deska plošného spoje: Schéma zesilovače: 7
Seznam součástek: T 1 BC 547 R C 1,4 kω 0,25 W ± 1 % R E 348 Ω 0,25 W ± 1 % R B1 143 kω 0,25 W ± 1 % R B2 21,5 kω 0,25 W ± 1 % C E 470 µf 6,3 V ± 20 % C V1, C V2 4,7 µf 6,3 V ± 20 % Všechny použité součástky jsou dostupné v obchodě GM Electronic. Osazovací plán: Rozměry: 8
Použitý software: Simulace elektronických obvodů: Electronics Lab Tina 5 Návrh plošného spoje: Eagle 5.11 Vytvoření obrysů návrhu: IsoCam Ovladač pro frézu: Bungaro RouterPro 2008 Generování dat pro 3D: 3D Eagle Tvorba prostorového obrázku: POV Ray Úprava obrázků: PhotoFilter Textový procesor: MS Word 2010 Funkční generátor: Visual Analyser 10 Použité zdroje a měřicí přístroje: Digitální multimetr: UNI-T - DMM3900 Analogový multimetr: Protec - HC-5050E Číslicový integrační voltmetr: Metra - MT100 Programovatelný zdroj: Tesla - BS 575 Stabilizovaný zdroj: EURO-CB - EPS-57 Osciloskop: Tesla - BM 566A Přilohy: Datasheet BC547: Data frézování: Popisky frézování: Rám frézování: Tina stejnosměrný pracovní bod: Tina střídavá analýza: Eagle Schéma: Eagle Plošný spoj: Výstupy z CAM procesoru: BC547.pdf Data_frez.plt Popisky.plt Ram.plt Prac_bod.SCH AC_analyza.SCH Zesliovac.sch Zesliovac.brd Zesliovacfrez.gpi Zesliovacfrez Zesliovacvrtat.dri Zesliovacvrtat Vytvořil: EL2 SPŠ Jihlava Červen 2012 9