Návrh a analýza jednostupňového zesilovače Zadání: UCC = 35 V
Tolerance u napětí a proudů, kromě Id je ± 1 % ze zadaných hodnot.
IC = 10 mA
Frekvence oscilátoru u střídavé analýzy je nastavena na 1 kHz.
RZ = 2 kΩ
Maximální povolený pokles zisku je 3 dB.
UIG = 2 mV
Rozměry DPS: 30 x 30 mm se dvěma montážními otvory v protějších rozích desky o průměru 3 mm.
RIG = 220 Ω UCE = Ucc URE =
Ucc
ID = 10 x Ib CE = 470 µF CV1 = CV2 = 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 Radek Tománek
Rezistory RC a RE by měly být pevně dány výpočty, protože napětí na každém je dáno proudem, který je přímo zadaný. Hodnota rezistoru RC 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 IC = 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 Radek Tománek
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 Radek Tománek
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 Radek Tománek
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 Radek Tománek
Skutečné průběhy zesilovače:
6 Radek Tománek
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 Radek Tománek
Seznam součástek: T1
BC 547
RC
1,4 kΩ
0,25 W
±1%
RE
348 Ω
0,25 W
±1%
RB1
143 kΩ
0,25 W
±1%
RB2
21,5 kΩ
0,25 W
±1%
CE
470 µF
6,3 V
± 20 %
CV1, CV2
4,7 µF
6,3 V
± 20 %
Všechny použité součástky jsou dostupné v obchodě GM Electronic.
Osazovací plán:
Rozměry:
8 Radek Tománek
Použitý software: Simulace elektronických obvodů: Návrh plošného spoje: Vytvoření obrysů návrhu: Ovladač pro frézu: Generování dat pro 3D: Tvorba prostorového obrázku: Úprava obrázků: Textový procesor: Funkční generátor:
Electronics Lab – Tina 5 Eagle 5.11 IsoCam Bungaro – RouterPro 2008 3D Eagle POV – Ray PhotoFilter MS Word 2010 Visual Analyser 10
Použité zdroje a měřicí přístroje: Digitální multimetr: Analogový multimetr: Číslicový integrační voltmetr: Programovatelný zdroj: Stabilizovaný zdroj: Osciloskop:
UNI-T - DMM3900 Protec - HC-5050E Metra - MT100 Tesla - BS 575 EURO-CB - EPS-57 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:
Radek Tománek EL2 SPŠ Jihlava Červen 2012 9 Radek Tománek
