Содержание
1. Введение
2. Расчёт коэффициента усилениянапряжения разомкнутого усилителя
3. Статический расчёт
3.1. Выходной каскад
3.2. Входной каскад
4. Расчёт емкостных элементов
5. Расчет элементов обратной связи
6. Расчет реально достигнутого всхеме коэффициента усиления K разомкнутогоусилителя в области средних частот
7. Построение характеристики Moc(w)
8. Моделирование
ЗаключениеСписоклитературы
1. Введение
Значительныеизменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники.В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которойне использовались бы электронные приборы. Одними из таких приборов являютсяусилители электрических сигналов. Частный случай управления энергией, прикотором путём затраты небольшого её количества можно управлять энергией, вомного раз большей, называется усилением. При этом необходимо, чтобы процессуправления являлся непрерывным, плавным и однозначным. Устройство,осуществляющее такое управление, называется усилителем.
Еслиуправляющая и управляемая энергии являются электрическими, то такой усилительназывают усилителем электрических сигналов. Эти усилители широко используютсяво всех областях техники.
Породу усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов иусилители импульсных сигналов./> />
По характеру измененияусиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленноизменяющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, иусилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокойчастоты, широкополосные, избирательные, универсальные многофункциональные и пр.
Рис.1Структурная схема усилителя.
Взависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения,тока, мощности. Такое разделение условно, так как в любом случае, в конечномсчете, усиливается мощность.
Взависимости от типа используемых в усилителе активных элементов различаютусилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные,диэлектрические.
Вряде случаев усилители выполняют комбинированными с применением активныхэлементов различных типов. Кроме того, их иногда подразделяют на усилителипрямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала.
Примернаяструктура усилителя представлена рис.1. В качестве приёмника можетиспользоваться другой усилитель или какое-либо исполнительное устройство. /> />
Усилители, как правило,содержат несколько усилительных каскадов соединённых последовательно иразделённых цепями связи (рис.2).
Рис.2.
Задачейданной курсовой работы является ознакомление с методами проектированияусилителей и их разработкой с использованием САПР.
метод проект модельусилитель
2. Расчёткоэффициента усиления напряжения разомкнутого усилителя
Коэффициентусиления разомкнутого усилителя определяется соотношением,
/>
где Koc коэффициент усиления замкнутогоусилителя, который определяется по формуле
/>.
ЗдесьUнm это амплитуда выходного напряжения определяется поданным в таблице исходных данных значениям Pн и Rн по следующим формулам:
/> /> />,
/>;
/> , />
/>, />
/>.
Kb-находитсяиз характеристики МОС (w).Предположим, что усилитель реализовывается на одном каскадеn=1 тогда характеристика имеетследующий вид:
/>;/>
/>.
Получаемследующее квадратное уравнение, которое решаем относительно Кb.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>/>
/>
Принимаемотрицательное значение />. Тогдакоэффициент усиления будет равным />.
Таккак К>10 то структура с одним каскадомнеприемлема. Предположим теперь что число каскадов усилителя n=2.
Тогдафункция МОС (w)для верхних и нижних частот будет выглядеть следующим образом:
/>
/>,
/>.
Получаемследующее квадратное уравнение, которое решаем относительно. Кb.
/>
/>
/>/>
Принимаемотрицательное значение />. Тогда коэффициент усиления будет равным />. Так как К
/>
Рис.3.Двухкаскадный усилитель с ООС.
3.Статический расчёт
3.1Выходной каскад
а)Выбор рабочей точки транзистора.
Выборрабочей точки А транзистора, когда входной сигнал отсутствует, сводится квыбору тока коллектора IКА и напряжения UКЭА в схеме рис.4 в первоначальномпредположении RЭ2=0, т. е. При заземлённом эмиттере.
/>
Рис.4
Точкапокоя выбирается исходя из данных значений амплитуды напряжения на коллекторе Um и тока коллектора Im, которые по заданным значениям Uн и Iн определяются, как
/> и />.
Длярежима класса А координаты рабочей точки А должны удовлетворять неравенствам:
/>; /> (1)
длякаскада на БТ, где />, — напряжение наколлекторе, соответствующее квазигоризонтального участка выходных ВАХ; /> - коэффициент запаса. Длятранзисторов малой мощности рекомендуется принять />=1-2В,для мощных транзисторов — />=2-4В.Выбираем значения />, />=1,5В тогда получим
/>
Далеестроится предположительная область ВАХ транзистора каскада, ограниченнаязначениями
/>, /> (2)
игиперболой
/> (3)
максимальнорассеиваемой мощности на коллекторе.
/>
/>
/>
Затем по справочникамвыбираем транзистор, удовлетворяющий при заданной />следующимтребованиям:
- тип проводимости транзистора p-n-p
- справочные величины максимальнодопустимых мощностей />
- справочные величины максимальнодопустимых токов и напряжений
/>,/>.
Выбранныйтранзистор ГТ405А обладает следующими параметрами:
- диапазон рабочих температур — 40..+550С
- />
- />
- />
ВАХтранзистора показаны в приложение1.
Изряда напряжений выберем значение питающего напряжения Е удовлетворяющегоусловию />в данном случае примемЕ=24В.
б)Выбор сопротивлений Rk2, RЭ2.
Дляусилительного каскада на БТ значение сопротивления Rк2 вычисляется как/>
/>, (4)
где UKA-потенциал коллектора принимаетсяравным /> расчитаному по (1).
/>
Насемействе выходных ВАХ может быть построена линия нагрузки Rк2 (см. приложение2).
СопротивлениеRЭ находим из соотношения />.
/>
Положениелинии распределённой нагрузки после фиксации значений RК2, RЭ2 может быть определено из следующихсоотношений:
/>
Подставивзначения RК2, RЭ2 и Е в (5) получим линию нагрузки
/> которая наносится на семейство выходных ВАХ (см.приложение2). По этой линии можно уточнить положение рабочей точки А’.Положениерабочей точки относительно А изменяется несущественно поэтому коррекцией можнопренебречь. Через точку А отмечается характеристика с параметром IбА=0,51мА. Далее через точку Апроводится линия динамической нагрузки под углом />.Линию можно построить по двум точкам одна из которых точка А, а другая имееткоординаты (UКЭА+DU;0), где
/> (6)
/>
Потомпроверяются значения амплитуд тока Iнm и напряжения Uнm. значение Uнm не удовлетворяет исходным данным следовательно необходимо включитькаскад с ОК(рис5). /> />
Рис. 5.
Построимновую линию динамической нагрузки. Где в качестве нагрузки выступает входноесопротивление каскада с ОК.
/> (7)
Возьмём b=40 тогда,
/>
Поформуле (6) />. Построение (см.приложение3) показывает, что значение Uнm удовлетворяет исходным данным.Переходим к расчёту элементов фиксации рабочей точки.
в)Расчёт элементов фиксации рабочей точки.
Фиксациярабочей точки А осуществляется резистивным делителем R3, R4.Связь между напряжениями и токамитранзистора в режиме покоя для схемы рис.4 определяется следующими выражениями:
/> (8)
UбЭА=0,46В определяется по входным ВАХтранзистора (приложение4) при токе IбА=0,51мА, аток />;
/>.
Токделителя из (8) находится как
/>. (9)
СопротивлениеR3 из (8) и (9) равно:
/>. (10)
Дляопределения R4 используется связь его значения с коэффициентомнестабильности N равным для схемырис.4
/>, (11)
где DIK, DIК0 – температурные изменениясоответствующих токов;b=h21Э в схеме с ОЭ определяется в областирабочей точки по выходным ВАХ (приложение3).
/>;/>.
Температурныеизменения
DIK=(0,001-0,01)Im; DIK=/>.
ВеличинаDIК0 расчитывается по эмпирическомусоотношению:
/>, (12)
где IK0(t0)=25мкА-тепловой ток коллекторногоперехода в схеме с ОБ заданный в справочнике при температуре t0=55; для германиевых транзисторов А=2. Из (12)получаем
/> ,
тогдаN вычесленное по (11) будет равно:
/>.
Согласно(11) рассчитаем значение R4:
/>. (13)
/>
Подставивв соотношение (10) значение R4 получим:
/>
Оценимкорректность расчёта вычислением тока IД по (9).
/>
Соотношение/> выполняется,следовательно, значение сопротивлений можно считать приемлемым. Можно перейти красчёту входного каскада. Исходными данными для него будут являться входноенапряжение и ток выходного каскада, а так же входное сопротивление.
/>,
где К=10;
/>
/>, где />, /> определяется по входнымВАХ транзистора (приложение4).
/> ,
/>,
/>.
3.2Входной каскад
а)Выбор рабочей точки транзистора.
Выборрабочей точки А транзистора аналогично проделанному выше для выходного каскада,когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IКА и напряжения UКЭА в схеме рис.6 в первоначальномпредположении RЭ1=0, т. е. При заземлённом эмиттере.
/>
Рис.6
Сноваточка покоя выбирается исходя из данных значений амплитуды напряжения наколлекторе /> и тока коллектора />. Для режима класса А координатырабочей точки А должны удовлетворять неравенствам (1). Выбираем />, />=1,5В тогда получим
/>
Далеестроится предположительная область ВАХ транзистора каскада, ограниченная значениями(2) и гиперболой (3) максимально рассеиваемой мощности на коллекторе.
/>
/>
/>
Выбранныйранее транзистор удовлетворяет условиям:
-типпроводимости транзистора p-n-p
справочныевеличины максимально допустимых мощностей
/>
- справочные величины максимальнодопустимых токов и напряжений
/>,/>.
ВАХтранзистора показаны в приложение 1.
б)Выбор сопротивлений Rk1, RЭ1.
Дляусилительного каскада на БТ значение сопротивления Rк1 вычисляется по формуле (4)./>
/>
Насемействе выходных ВАХ может быть построена линия нагрузки Rк1 (см. приложение5).
СопротивлениеRЭ находим из соотношения />.
/>
Положениелинии распределённой нагрузки после фиксации значений RК1, RЭ1 может быть определено из соотношений(5).
Подставивзначения RК1, RЭ1 (вместо RК2, RЭ2 ) и Е в (5) получим линию нагрузки /> которя наносится насемейство выходных ВАХ (см. приложение5). По этой линии можно уточнитьположение рабочей точки А’. Положение рабочей точки относительно Аизменяется несущественно, поэтому коррекцией можно пренебречь. Через точку Аотмечается характеристика с параметром IбА=0,05мА. Далее через точку Апроводится линия динамической нагрузки под углом />.Где в качестве сопротивления нагрузки используем входное сопротивлениевыходного каскада. Линию можно построить по двум точкам одна из которых точкаА, а другая имеет координаты (UКЭА+DU;0), где DUвычисленное по (6) равно:
/>.
Потомпроверяются значения амплитуд тока Iнm и напряжения Uнm.
Построение(см. приложение5) показывает что значение Uнm удовлетворяет исходным данным.Переходим к расчёту элементов фиксации рабочей точки.
в)Расчёт элементов фиксации рабочей точки.
Фиксациярабочей точки А осуществляется резистивным делителем R1, R2.Связь междунапряжениями и токами транзистора в режиме покоя для схемы рис.6 определяетсявыражениями (8).
UбЭА=0,15В определяется по входным ВАХтранзистора (приложение6) при токе IбА=0,05мА, аток /> ;
/>.
/>;
/>.
Тогдасогласно (13) рассчитаем значение R2:
/>
Подставивв соотношение (10) значение R2 (вместо R4) получим:
/>
Оценимкорректность расчёта вычислением тока IД по (9).
/>
Соотношение/> выполняется,следовательно, значение сопротивлений можно считать приемлемым.
4. Расчётемкостных элементов
Длякаскадов на БТ значения емкостей конденсаторов расчитываются Расчетразделительных емкостей рассчитывается по формуле:
/>,
где Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада (иливнутреннее сопротивление генератора), Rн — входноесопротивление следующего каскада (или сопротивление нагрузки), а wн =2pfн.
Пренебрегаявыходным сопротивлением повторителей, получаем:
/>;
h11Э= 3000(Ом)
Rвх1=2286(Ом)
/>
/>
/>
Емкостив цепи эмиттера рассчитывается по формуле:
Сэ=/>,
где h11э и h21э — соответственно входное сопротивление транзистора и b, рассчитываемые по входной ивыходной ВАХ в окрестности рабочей точки. Для транзистора в первом каскаде h11э=3000 Ом, h21э=85, а для транзистора второго каскада h11э=902 Ом, h21э=20.
/>
/>
5. Расчетэлементов обратной связи
Дляусилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжениювыполняется соотношение:
/>,
где /> составляет 5—10 Ом иотделяется от Rэ1.
Вычислимb по известным K и Kb, рассчитанным в 2:
b=Kb/K=-0.922/48,05=0,02.
Назначим/>=10 Ом. Тогда Rос= />;
RОС=/>
6. Расчетреально достигнутого в схеме коэффициента усиления Kразомкнутого усилителя в областисредних частот
В области средних частот реально развиваемыйкоэффициент усиления одного каскада определяется формулой:
/>, где
Rг — выходноесопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление генератора, R1 и R2 — сопротивления делителя,
Rн — сопротивлениенагрузки или входное сопротивление последующего каскада, если каскад не имеетповторителя, или входное сопротивление повторителя, равное (1+b)×Rн/2
Пренебрегаявыходным сопротивлением повторителя, получаем:
/>=0,97
/>= 18,9
K=Kвых×Kвх=18,5
/>
/>
K=Kвых×Kвх=625,3>48,05 следовательнорасчёт схемы окончен.
7.Построение характеристики Moc(w)
ХарактеристикаMoc(w) для двухкаскадного усилителя сотрицательной обратной связью описывается выражением:
/>
Оноимеет одинаковый вид для нижних и верхних частот, но предполагает подстановкуразных значений x: x=wн/w для области нижних и средних частот, x=w/wв длясредних и верхних частот.
/>
/>
8.МОДЕЛИРОВАНИЕ/> />
Моделирование выполняется спомощью пакета схемотехнического моделирования MicroCap III. В результате моделирования получим переходные ичастотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структурыв целом. Целью моделирования является установление корректности расчета истепени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. Впроцессе моделирования при необходимости корректируются значения элементовсхемы.
Навтором каскаде получена следующая характеристика.
Tranient
/>
Входнойкаскад.
Навходном каскаде получаем следующий график.
/>
/>
Получимследующую общую схему усилителя.
И еёхарактеристики.
Transient./> />
АС
/>
Примоделировании схемы была произведена корректировка элементов схемы. Данные обэлементах схемы приведены в спецификации (приложение8).
Заключение
В результатеданной работы мы ознакомились с методами расчёта усилителей и их моделированияс использованием программы MikroCap III. И получили усилитель,обеспечивающий заданные параметры.
Списоклитературы
1. Расчет электронных схем. Примры изадачи. М. “Высшая школа”, 1987. Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев и др.
2. Справочник по полупроводниковымприборам В. Ю. Лаврененко, А. В. Голомедов и др.
3. Справочная книгарадиолюбителя-конструктора А. А. Бокуняев, Н. М. Борисов и др. Под ред. Н. И.Чистякова. М. “Радио и связь”, 1990.