Реферат: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Введение

Электронные приборы – устройства принцип действия которых основан на использовании явлений связанных с движущимися потоками заряженных частиц. В зависимости от того как происходит управление, электронные приборы делят на вакуумные, газоразрядные, полупроводниковые. В настоящее время трудно назвать такую отрасль, в которой в той или иной степени не применялась бы электроника. Космические и авиационные летательный аппараты, техника, все виды транспорта, медицина, атомная физика, машиностроение используют электронику во все нарастающих масштабах. Достижения электроники используют все телевизионные передатчики и приемники, аппараты для приема радиовещания, телеграфная аппаратура и квазиэлектронные АТС, аппаратура для междугородней связи.

Одним из наиболее важных применений электронных приборов является усиление электрических сигналов, т.е. увеличение их мощности, амплитуды тока или напряжения до заданной величины. В настоящее время усилительные устройства развиваются во многих направлениях, расширяется диапазон усиливаемых частот, выходная мощность. В развитии усилительных устройств широкие перспективы открывает применение интегральных микросхем.

В данной курсовой работе проводится проектирование многокаскадного усилителя переменного тока с обратной связью. При проектировании рассчитываются статические и динамические параметры усилителя, а затем проводится его моделирование на ЭВМ с использованием программного продукта MicroCap III. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.

Исходные данные

Вариант №20–30

Тип проводимости

UвхmмВ

Rг, Ом

Pн, Вт

Iн,мA

tomax, oC

∆f

MОСн(ω)

MОСв(ω)

fн,Гц

fв,КГц

p-n-p p-канал

200

0.22

+ 65

0.76

2. Расчетная часть

2.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Вычислим амплитудное значение напряжения на выходе:

/>, />

По известным значениям Uнm и Uвхm рассчитываем Koc

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:

/>. (1).

Определим число каскадов усилителя.

Пусть число каскадов равно 1 (n = 1):

/>, />,

где Mос(w) – коэффициент частоты каскадов.

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb. />, тогда получим корни />, выбираем отрицательный корень />, и подставляем в уравнение (1),

/>, т.е. одного каскада будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 2 (n = 2):

/>,/>

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb

тогда из полученных корней выбираем отрицательный />, и подставляем в уравнении (1),/> т.е. двух каскадов тоже будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 3 (n = 3):

/>,/>

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb

тогда из полученных корней выбираем отрицательный />, и подставляем в уравнение (1), /> т.е. усилитель может быть реализован на трех каскадах.

2.2 Расчет элементов выходного каскада

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в схеме рис. 1, в первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UН и IН определяются как UНМ=/>UН = 44.4 [В] и IНМ=/>IН.= = 0.0098 [А].

Определим вид транзистора:

--PAGE_BREAK--

PК= UНМIНМ=0.43 [Вт], транзистор средней мощности.

Определим напряжение UКЭАиз выражения:

/>=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности UЗАП = (2¸2.5) [В])

Рис. 1. Схема усилительного каскада

/>где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

ЕП=2UКЭА=92.88 [B]

Сопротивление RKнаходим как: />

Сопротивление RЭ вычисляется:

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно /> включается />. Для переменного сигнала />будет идти по какой-либо другой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А.

Поэтому строим динамическую линию нагрузки.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом />.

/>; />;

гдеKM=1000 масштабный коэффициент.

Выбирая значенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условие выполнилось при EП=100 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого /> и />. В нашем случае таким транзистором может быть транзистор КТ814Г.

Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:

Рассчитаем величину /> по следующему эмпирическому соотношению: />, где /> — тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. /> вычислим как />/>, выберем />. Рекомендуемое значение Nвычисленное как

/>;

Вычислим R1, R2:

где/>

Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства />. Вычислим Iдел по формуле:

Полученное значение удовлетворяет соотношению />

Найдем сопротивление резистивного делителя:

Найдем входное сопротивление данного каскада

/>.

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

/>C2,C3рассчитаем по следующим формулам:

/>;

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада

Определим выходные параметры для промежуточного каскада:

2.3 Расчет элементов промежуточного каскада

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UН и IН определяются как UНМ=/>UН = 1.05 [В] и IНМ=/>IН.== 0.0008 [А].

продолжение
--PAGE_BREAK--

Определим вид транзистора:

PК= UНМIНМ=0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности

Определим напряжение UКЭАиз выражения:

/>=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1¸2.5) [В])

/>где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

ЕП=2UКЭА=7,1 [B]

Сопротивление RK находим как: />

Сопротивление RЭ вычисляется:

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом />.

/>; />;

гдеKM=1000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условие выполнилось при EП=10 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого /> и />. В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.

где DIК,DIБ – окрестность рабочей точки А

Найдем ток IБА:

/>По входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА=0,71 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:

Рассчитаем величину />по следующему эмпирическому соотношению: />, где />— тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t;А = 2,5 для кремниевых транзисторов. />вычислим как />/>, выберем />.

Рекомендуемое значение Nвычисленное как

/>;

Вычислим R1, R2:

где/>

Полученное значение удовлетворяет соотношению />

Найдем сопротивление резистивного делителя:

Найдем входное сопротивление данного каскада

/>.

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

/>C2,C3рассчитаем по следующим формулам:

/>;

продолжение
--PAGE_BREAK--

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада:

Определим выходные параметры для входного каскада:

2.4 Расчет элементов входного каскада

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкАи напряжения UкэAв первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМи тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UНи IНопределяются как UНМ=/>UН= 0.11 [В] и IНМ=/>IН.= 0.00012 [А].

Определим вид транзистора:

PК= UНМIНМ=0.013 [мВт], транзистор малой мощности

Определим напряжение UКЭАиз выражения:

/>=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1¸2.5) [В])

/>где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

ЕП=2UКЭА=5.22 [B]

Сопротивление RKнаходим как: />

Сопротивление RЭ вычисляется:

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно />включается />. Для переменного сигнала />будет идти по какой-либо другой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А. Поэтому строим динамическую линию нагрузки.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом />.

/>; />;

гдеKM=10000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условие выполнилось при EП=6.3 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки Aкаскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого />и />. В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.

продолжение
--PAGE_BREAK--

где DIК,DIБ– окрестность рабочей точки А

Найдем ток IБА:

/>По входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА=0,55 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:

Рассчитаем величину />по следующему эмпирическому соотношению: />, где />— тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t;А = 2,5 для кремниевых транзисторов. />вычислим как />/>, выберем />.

Рекомендуемое значение Nвычисленное как />;

Вычислим R1, R2:

где/>

Полученное значение удовлетворяет соотношению />

Найдем сопротивление резистивного делителя:/>

Найдем входное сопротивление данного каскада

/>.

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

/>C2,C3рассчитаем по следующим формулам:

/>;

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада

2.5 Расчет элементов цепи ООС

По вычисленным в п. 2.1. значениям />и />рассчитаем величину

/>.

Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:

/>;

RОС= 77160 [Ом].

2.6 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Рассчитываемый коэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов. усиления всех трех каскадов:

/>Что превышает необходимое 222.

3. Моделирование

Моделирование будем выполнять с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания.

3.1 Корректировка схемы и определение ее параметров

Для получения результатов, определяемых исходными данными, произведем корректировку значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значения приведены в спецификации (см. Приложения).

По графикам АЧХ и ФЧХ, полученным в результате моделирования определим значения K.

Реально достигнутый коэффициент K найдем из графика переходной характеристики:

продолжение
--PAGE_BREAK--

а) для усилителя без обратной связи

K=307.6

б) для усилителя с обратной связью

K=300

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы были изучены методы проектирования и разработки электронных устройств в соответствии с данными технического задания. Был произведён расчёт статических и динамических параметров электронных устройств. А также было изучено практическое применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств. Для моделирования был использован пакет схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. В ходе курсового проектирования было проведено моделирование усилителя в частотной и временной областях.

Библиографический список

1. Баскакова И.В., Перепёлкин А.И. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. — Рязань, РГРТА, 1997.36 с.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. — М.: Радио и связь, 1982.656 с.

3. Транзисторы. Справочник. Издание 3-е. Под редакцией И.Ф. Николаевского. — М.: Связь, 1969.624 с.

4. Анализ электронных схем. Методические указания к лабораторным и практическим занятиям. Баскакова И.В., Перепёлкин А.И.Р.: 2000,32 с.

Приложения

Моделирование выходного каскада

Kuреальный ≈25

Моделирование промежуточного каскада

Kuреальный ≈7.6

Моделирование входного каскада

Kuреальный ≈2.5

Моделирование усилителя без ООС

Kuреальный ≈307.6

Моделирование усилителя с ООС