Введение
Электронныеприборы – устройства принцип действия которых основан на использовании явленийсвязанных с движущимися потоками заряженных частиц. В зависимости от того какпроисходит управление, электронные приборы делят на вакуумные, газоразрядные,полупроводниковые. В настоящее время трудно назвать такую отрасль, в которой втой или иной степени не применялась бы электроника. Космические и авиационныелетательный аппараты, техника, все виды транспорта, медицина, атомная физика,машиностроение используют электронику во все нарастающих масштабах. Достиженияэлектроники используют все телевизионные передатчики и приемники, аппараты дляприема радиовещания, телеграфная аппаратура и квазиэлектронные АТС, аппаратурадля междугородней связи.
Одним изнаиболее важных применений электронных приборов является усиление электрическихсигналов, т.е. увеличение их мощности, амплитуды тока или напряжения дозаданной величины. В настоящее время усилительные устройства развиваются вомногих направлениях, расширяется диапазон усиливаемых частот, выходнаямощность. В развитии усилительных устройств широкие перспективы открываетприменение интегральных микросхем.
В даннойкурсовой работе проводится проектирование многокаскадного усилителя переменноготока с обратной связью. При проектировании рассчитываются статические идинамические параметры усилителя, а затем проводится его моделирование на ЭВМ сиспользованием программного продукта MicroCap III. При моделированииусилителя производится корректировка его параметров.
1. Исходные данные
Вариант №20–30Тип 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 20 0.22 7 + 65 65 65 0.76 0.76
2. Расчетнаячасть
2.1 Расчеткоэффициента усиления напряжения усилителя
Вычислимамплитудное значение напряжения на выходе:
/>, />
По известнымзначениям Uнm и Uвхm рассчитываем Koc
/>
Усилителю сотрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:
/>. (1).
Определимчисло каскадов усилителя.
Пусть числокаскадов равно 1 (n = 1):
/>, />,
где Mос(w) – коэффициент частоты каскадов.
Из этойформулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb. />, тогда получимкорни />, выбираем отрицательныйкорень />, и подставляем в уравнение(1),
/>, т.е. одного каскадабудет не достаточно.
Пусть числокаскадов усилителя равно 2 (n = 2):
/>,/>
Из этойформулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb
/>
тогда изполученных корней выбираем отрицательный />,и подставляем в уравнении (1),/> т.е.двух каскадов тоже будет не достаточно.
Пусть числокаскадов усилителя равно 3 (n = 3):
/>,/>
Из этойформулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb
/>
тогда изполученных корней выбираем отрицательный />,и подставляем в уравнение (1), /> т.е.усилитель может быть реализован на трех каскадах.
2.2 Расчетэлементов выходного каскада
Выбор рабочейточки транзистора
Выбор рабочейточки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводитсяк выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в схеме рис. 1, впервоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоявыберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданнымзначениям UН и IН определяются как UНМ=/>UН = 44.4 [В] и IНМ=/>IН.= = 0.0098 [А].
Определим видтранзистора:
PК= UНМIНМ=0.43 [Вт], транзистор среднеймощности.
Определимнапряжение UКЭАиз выражения:
/>=46.4 [В], (для транзисторов среднеймощности UЗАП = (2¸2.5) [В])
/>Рис. 1. Схема усилительного каскада
/> где KЗ–коэффициент запасаравный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=92.88 [B]
СопротивлениеRK находим как: />
СопротивлениеRЭ вычисляется:
/>
Считаем, чтона вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигналапараллельно /> включается />. Для переменного сигнала />будет идти по какой-либодругой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А.
Поэтомустроим динамическую линию нагрузки.
Через точку Апроводим линию динамической нагрузки, под углом />.
/>; />;
гдеKM=1000 масштабный коэффициент.
ВыбираязначенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамическойлинии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условиевыполнилось при EП=100 [B].
Расчетэлементов фиксации рабочей точки
Фиксациярабочей точки Aкаскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивнымделителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого /> и />. В нашем случае такимтранзистором может быть транзистор КТ814Г.
Из положениярабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величинудифференциального коэффициента передачи тока базы b:
/>
Так же извходной характеристики находим входное дифференциальное сопротивлениетранзистора h11Э:
/>
Рассчитаемвеличину /> по следующемуэмпирическому соотношению: />, где /> — тепловой ток коллекторногоперехода, заданный в справочнике при температуре t; А = 2,5 длякремниевых транзисторов. /> вычислимкак /> />, выберем />. Рекомендуемое значение Nвычисленное как
/>;
Вычислим R1, R2:
/>
/>
где/>
Корректностьрасчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимособлюдение неравенства />.Вычислим Iдел по формуле:
/>
Полученноезначение удовлетворяет соотношению />
Найдемсопротивление резистивного делителя:
/>
Найдемвходное сопротивление данного каскада
/>.
Расчетемкостных элементов усилительных каскада
Для каскадовна биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,
/>
C2,C3 рассчитаем по следующимформулам:
/>;
/>;
/>;
Расчеткоэффициента усиления напряжения каскада
/>
Определимвыходные параметры для промежуточного каскада:
/>
/>
2.3 Расчетэлементов промежуточного каскада
Выбор рабочейточки транзистора
Выбор рабочейточки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводитсяк выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в первоначальномпредположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоявыберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданнымзначениям UН и IН определяются как UНМ=/>UН = 1.05 [В] и IНМ=/>IН.== 0.0008 [А].
Определим видтранзистора:
PК= UНМIНМ=0.84 [мВт], значит транзистормалой мощности
Определимнапряжение UКЭАиз выражения:
/>=3.55 [В], (для транзисторов малоймощности UЗАП = (1¸2.5) [В])
/> где KЗ–коэффициент запасаравный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=7,1 [B]
СопротивлениеRK находим как: />
СопротивлениеRЭ вычисляется:
/>
Считаем, чтона вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигналапараллельно /> включается />. Для переменного сигнала />будет идти по какой-либодругой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А. Поэтомустроим динамическую линию нагрузки.
Через точку Апроводим линию динамической нагрузки, под углом />.
/>; />;
гдеKM=1000 масштабный коэффициент
ВыбираязначенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамическойлинии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условиевыполнилось при EП=10 [B].
Расчетэлементов фиксации рабочей точки
Фиксациярабочей точки Aкаскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивнымделителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого /> и />. В данном случае такимтранзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положениярабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величинудифференциального коэффициента передачи тока базы b:
/>
где DIК,DIБ – окрестность рабочейточки А
Найдем ток IБА:
/>
/>
По входнымхарактеристикам транзистора определим величину UБЭА=0,71 [B]
Так же извходной характеристики находим входное дифференциальное сопротивлениетранзистора h11Э:
/>
Рассчитаемвеличину /> по следующемуэмпирическому соотношению: />, где /> — тепловой токколлекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t; А = 2,5 длякремниевых транзисторов. /> вычислимкак /> />, выберем />.
Рекомендуемоезначение Nвычисленное как
/>;
Вычислим R1, R2:
/>
/>
где/>
Корректностьрасчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимособлюдение неравенства />.Вычислим Iдел по формуле:
/>
Полученноезначение удовлетворяет соотношению />
Найдемсопротивление резистивного делителя:
/>
Найдемвходное сопротивление данного каскада
/>.
Расчетемкостных элементов усилительных каскада
Для каскадовна биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,/> />
C2,C3 рассчитаем по следующимформулам:
/>;
/>;
/>;
Расчеткоэффициента усиления напряжения каскада:
/>
Определимвыходные параметры для входного каскада:
/>
/>
2.4 Расчетэлементов входного каскада
Выбор рабочейточки транзистора
Выбор рабочейточки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводитсяк выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в первоначальномпредположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоявыберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданнымзначениям UН и IН определяются как UНМ=/>UН = 0.11 [В] и IНМ=/>IН.= 0.00012 [А].
Определим видтранзистора:
PК= UНМIНМ=0.013 [мВт], транзистор малоймощности
Определимнапряжение UКЭАиз выражения:
/>=2.61 [В], (для транзисторов малоймощности UЗАП = (1¸2.5) [В])
/> где KЗ–коэффициент запасаравный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=5.22 [B]
СопротивлениеRK находим как: />
СопротивлениеRЭ вычисляется:
/>
Считаем, чтона вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигналапараллельно /> включается />. Для переменного сигнала />будет идти по какой-либодругой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А. Поэтомустроим динамическую линию нагрузки.
Через точку Апроводим линию динамической нагрузки, под углом />.
/>; />;
гдеKM=10000 масштабный коэффициент
ВыбираязначенияEП из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамическойлинии нагрузки, проверяем условие/>/>. В нашем случае условиевыполнилось при EП=6.3 [B].
Расчетэлементов фиксации рабочей точки
Фиксациярабочей точки Aкаскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивнымделителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого /> и />. В данном случае такимтранзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положениярабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величинудифференциального коэффициента передачи тока базы b:
/>
где DIК,DIБ – окрестность рабочейточки А
Найдем ток IБА:
/>
/>
По входнымхарактеристикам транзистора определим величину UБЭА=0,55 [B]
Так же извходной характеристики находим входное дифференциальное сопротивлениетранзистора h11Э:
/>
Рассчитаемвеличину /> по следующемуэмпирическому соотношению: />, где /> — тепловой токколлекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t; А = 2,5 длякремниевых транзисторов. /> вычислимкак /> />, выберем />.
Рекомендуемоезначение Nвычисленное как />;
Вычислим R1, R2:
/>
/>
где/>
Корректностьрасчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимособлюдение неравенства />.Вычислим Iдел по формуле:
/>
Полученноезначение удовлетворяет соотношению />
Найдемсопротивление резистивного делителя:/>
Найдемвходное сопротивление данного каскада
/>.
Расчетемкостных элементов усилительных каскада
Для каскадовна биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,/> />
C2,C3 рассчитаем по следующимформулам:
/>;
/>;
/>;
Расчеткоэффициента усиления напряжения каскада
/>
2.5 Расчетэлементов цепи ООС
Повычисленным в п. 2.1. значениям /> и /> рассчитаем величину
/>.
Найдемвеличину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:
/>;
/>;
RОС = 77160 [Ом].
2.6 Расчеткоэффициента усиления напряжения усилителя
Рассчитываемыйкоэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов. усилениявсех трех каскадов:
/> Что превышает необходимое 222.
3. Моделирование
Моделированиебудем выполнять с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. В результатемоделирования получим переходные и частотные характеристики как отдельныхкаскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования являетсяустановление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметровтребованиям технического задания.
3.1Корректировка схемы и определение ее параметров
Для получения результатов, определяемых исходнымиданными, произведем корректировку значений сопротивлений резисторов и емкостейконденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значения приведены вспецификации (см. Приложения).
По графикамАЧХ и ФЧХ, полученным в результате моделирования определим значения K.
Реальнодостигнутый коэффициент K найдем из графика переходной характеристики:
а) дляусилителя без обратной связи
K=307.6
б) дляусилителя с обратной связью
K=300
Заключение
В результате выполнения данной курсовой работыбыли изучены методы проектирования и разработки электронных устройств всоответствии с данными технического задания. Был произведён расчёт статических идинамических параметров электронных устройств. А также было изученопрактическое применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронныхустройств. Для моделирования был использован пакет схемотехническогомоделирования Micro-Cap 3. В ходе курсового проектирования было проведено моделированиеусилителя в частотной и временной областях.
Библиографическийсписок
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.: Радиои 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 ипрактическим занятиям. Баскакова И.В., Перепёлкин А.И.Р.: 2000,32 с.
Приложения
Моделированиевыходного каскада
/>
/>
Kuреальный ≈25
Моделированиепромежуточного каскада
/>
/>
Kuреальный ≈7.6
Моделированиевходного каскада
/>
/>
Kuреальный ≈2.5
Моделированиеусилителя без ООС
/>
/>
Kuреальный ≈307.6
/>
Моделированиеусилителя с ООС
/>
/>
Kuреальный ≈300
/>