Дисциплина:Электротехника и электроника
Курсоваяработа на тему:Усилитель с обратной связью
Содержание
Задание
ВведениеОсновная часть
1. Расчет усилителя
1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количествакаскадов
1.2 Статический режим работы выходного каскада
1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора
1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада
1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада
1.4 Переход от выходного каскада к входному
1.5 Статический режим работы входного каскада
1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора
1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада
1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада
1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов
1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициентаусиления
1.9 Расчет элементов цепи ООС
1.10 Построение характеристики Мос(ω)
2. Моделирование усилителя на ЭВМ
Перечень элементов
Заключение
Библиографический список
Задание
/>
Введение
Цели курсовой работы.
Целями курсовой работыявляются:
1. Изучение методовпроектирования и разработка электронных устройств в соответствии с даннымитехнического задания;
2. Расчетстатических и динамических параметров электронных устройств;
3. Практическоеприменение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств.
Тематика курсовых работ.
Вкачестве объектов проектирования студентам предлагаются различные структурымногокаскадных усилительных устройств переменного тока с обратными связями.
Усилителем называется электронноеустройство, предназначенное для усиления сигнала по мощности.
В общем случае усилитель может содержатьнесколько каскадов, соединенных между собой последовательно через цепи связи.
/>
Основными параметрами ихарактеристиками усилителя являются:
· Коэффициентусиления:
а) Коэффициент усиленияпо напряжению;
Ku=Uвых(p)/Uвх(p)
P=σ+jω– оператор Лапласа
б) Коэффициент усиленияпо току;
Ki=Iвых(p)/Iвх(p)
Ki(p)=Iвых(p)/Iвх(p)
Ki(jω)=Iвых(jω)/Iвх(jω)
в) Коэффициент усиленияпо мощности;
Kp=Pвых/Pвх
· Входное ивыходное сопротивление усилителя;
· Частотныехарактеристики усилителей:
а) АЧХ – зависимостьмодуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала;
б) ФЧХ – зависимость фазыкомплексного коэффициента передачи от частоты или зависимость разности фазвыходного и входного сигнала от частоты;
· Нелинейныеискажения;
Нелинейные искажения –отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Нелинейноеискажение приводит к тому, что в выходном сигнале появляется дополнительнаясоставляющая с частотой не равной основному частотному сигналу.
· Динамическийдиапазон сигнала;
· Искажениеимпульсных сигналов;
Основнаячасть
1. Расчет усилителя
1.1 Нахождение параметровнагрузки и расчет количества каскадов
Расчет количествакаскадов усилителя начнем с нахождения параметров нагрузки: Pн, Iн, Uн, Rн. Как видно из задания, необходимопо значениям тока и мощности найти напряжение и сопротивление на нагрузке:
Uн = Pн/Iн =0,019/0,01=1,9 B
Rн = Uн/Iн = 1,9/0,01 =190 Ом
Найдем амплитудынапряжения и тока:
Uнм = (2)1/2* Uн = (2)1/2* 1,9 В=2,69 В
Iнм = (2)1/2* Iн = (2)1/2* 10 мА = 14,14мА
Теперь можно определитьзначение коэффициента усиления замкнутого усилителя Кос:
Кос = Uнм / Uвхм
В нашем случае:
Кос = 2,69B/0,15B = 17,9
Усилителю с отрицательнойобратной связью соответствует коэффициент передачи усилителя
/>
Определим число каскадовусилителя. Для этого воспользуемся таблицей, где Mос(/>) — коэффициент частоты каскадов:
/>
Пусть число каскадов n = 1, тогда
/>
из этой формулы составимквадратное уравнение, и решим его относительно Kβ.
/>
тогда 2,14 = (1- Kβ)2 получим корни Kβ = 1±1,46, выбираем отрицательный корень Kβ= — 0,46, и подставляем в уравнение K=Koc(1- Kβ)=17,9*(1+0,46)=26,2. Т. к. K>10, необходимо увеличить число каскадов.
Пусть n = 2:
/>
Решая данное уравнениеотносительно Kβ и выбирая отрицательное решение, получаем Kβ=-0,5. Тогда K=Koc(1- Kβ)=17,9*(1+0,5)=8,95. Так как K
/>
Рис.1 Каскадный усилитель
1.2 Статический режимработы выходного каскада
1.2.1 Выбор рабочей точкитранзистораРабочая схема каскада имеет вид:
/>
Определим параметрырабочей 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, в первоначальном предположении Rэ= 0.
Должны выполнятьсяследующие соотношения:
1. |UкэА| ³ Uнm+|Uкэmin|, гдеUкэmin — напряжение наколлекторе соответствующее началу квазигоризонтального участка выходных ВАХ;
1. |Uкэmin|= 1В; UкэА = 2,9 В
2. IкА³Iнm/Kз, где KЗ = 0,7-0,95.
3. Если Кз = 0,7 то Iка = 20,23 мА
Iкдоп.расч. = 2* Iка = 40,46 мА; Uкдоп.расч. = 2* UкэА = 5,8 B;Pкдоп. = Iкдоп.расч.* Uкдоп.расч.= 234,67 мВт
По величине мощностиопределим вид транзистора.
Выберем удобный для настранзистор – КТ342A. Основныехарактеристики транзистора:Iкбо, мкА Uкэ, В Iк, мА Pк, мВт Uкб, В 0.05 30 50 250 ------
1.2.2 Выбор сопротивленийRк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада.
Сначала предположим, что Rэ отсутствует, тогда уравнение линиинагрузки будет иметь вид:
/>
/>
Rэ2=(0,1¸0,3) Rk2, Rэ2 =60 Ом.
Теперь уравнение линиинагрузки будет Eп=Ik*Rk2+Uкэ+ Iэ*Rэ2; Ik»Iэ.
Нагрузочная прямая илиния динамической нагрузки имеют вид:
/>
Па графику ВАХ определяемIба = 0.53 мА.
Через точку А проводимлинию динамической нагрузки, под углом φ.
/>
тогда
/>
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзистореосуществляется резистивным делителем R3, R4 .
Величина R4 определяется из соотношения:
N = 1 + R4/ Rэ2, N – коэффициент температурнойнестабильности.
С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Рассчитаемвеличину Iк0по следующемуэмпирическому соотношению:
∆T/10 (45-25)/10
Iк0(45)=| Iк0(T0)*(A — 1)|=|1*10-6*(2,5-1)|=6,25*10-6 [A]
∆T/10 (27-25)/10
Iк0(27)=| Iк0(T0)*(A — 1)|=|1*10-6*(2,5-1)|=1,2*10-6 [A] ,
где Iк0(T0) — тепловой ток коллекторного перехода, заданный всправочнике при температуре T0; А = 2,5 для кремниевыхтранзисторов.
∆Iк0 вычислим как
∆Iк0 = Iк0(45) — Iк0(27) = 6,25*10-6 — 1,2*10-6 = 5,05*10-6 [A].
Температурные изменениятока целесообразно ограничить диапазоном ∆Iк=(0,001¸0,01)*Iкm, выберем
∆Iк=7,07*10-6 [A].
Рекомендуемое значение N вычисленное как
N=∆Iк/∆Iк0=7,07*10-6/ 5,05*10-6 =3.
R4/Rэ2 = 1, R4 =45 Ом.
Найдем R3 из:
R3 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ2))/(Uбэа+Iэа*Rэ2+Iба*R4)*R4 (Uбэанаходится ниже по входной ВАХ)
R3 = 230 Ом.
Проверим правильностьвыбора Rэ2:
Iд = (Е — Uба)/R3, Uба = Iэа*Rэ2+Uбэа*Iба = 0.479 В, Iд =37 мА.
Должно выполнятьсянеравенство:
Iд>=(5-10)*Iба; 37>=(5-10)0.53 – верно.
Из графика входной характеристикиопределим UБЭ по полученному из графика выходныххарактеристик IБА.
/>
При таком значении IБА UБЭ=0,98 [B].
Из ВАХ транзисторанайдём:
/>
1.3 Расчет значениякоэффициента усиления выходного каскада
В первом приближениикоэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:
K2 = -h21э*(Rк2||Rн)/(Rк2 + Rвх2)
Rвх2 = R3||R4||h11Э = 36,1 Ом;
Rк2||Rн = 235 Ом;
K2 =-20*235/(435 + 36) = 9,98
1.4 Переход от выходногокаскада к входному
При переходе к входномукаскаду справедливы следующие формулы:
Uвх2 = Uмн/К2 = Uмн1; Iвх2 = Uвх2/Rвх2 =Iмн1
Uмн1 = 3,6/10 = 0,36 В; Iмн1 = 0,36/36,1 = 10 мА
Таким образом, послерасчета вышеописанных величин процедура нахождения элементов входного каскадаповторяет расчет выходного каскада, поэтому приведем ниже лишь сокращенныерасчеты без комментариев.
1.5 Статический режимработы входного каскада
1.5.1 Выбор рабочей точкитранзистораРабочая схема каскада имеет вид:
/>
|UкэА| ³ Uнm+ |Uкэmin|;
|Uкэmin| = 1В; UкэА = 1,36 В
IкА³Iнm/Kз, где KЗ = 0,7-0,95. Примем Iка = 10,5 мА
1.5.2 Выбор сопротивленийRк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада.
/>
Теперь уравнение линиинагрузки будет Eп=Ik*Rk1+Uкэ+ Iэ*Rэ1; Ik»Iэ.
Нагрузочная прямая имеетвид:
/>
Па графику ВАХ определяемIба = 0.6 мА.
N = 1 + R2/ Rэ1, N – коэффициент температурнойнестабильности.
С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko.Ранее: ∆Iк0 = 5,05*10-6[A].
∆Iк=(0,001¸0,01)*Iкm,
выберем ∆Iк=15*10-6 [A].
Рекомендуемое значение N вычисленное как
N=∆Iк/∆Iк0=15*10-6/ 5,05*10-6 =3.
R2/Rэ1 = 2, R2 =300 Ом.
Найдем R1 из:
R1 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ1))/(Uбэа+Iэа*Rэ1+Iба*R2)*R2
(Uбэа находится ниже по входной ВАХ)
R1 = 695 Ом.
Проверим правильностьвыбора Rэ1:
Iд = (Е — Uба)/R1, Uба = Iэа*Rэ1+Uбэа*Iба = 1,66 В, Iд = 10,5 мА.
Должно выполнятьсянеравенство: Iд>=(5-10)*Iба; 10,5>=(5-10)*0,6 – верно.
Из графика входнойхарактеристики определим UБЭ по полученному из графика выходныххарактеристик IБА.
/>
При таком значении IБА UБЭ=0,95 [B].
Из ВАХ транзисторанайдём:
/>
1.6 Расчет значениякоэффициента усиления входного каскада
Коэффициент усиленияможет быть вычислен по следующей формуле:
K1 = -h21э*(Rк1||Rвх2)/(Rг + Rвх1)
Rвх1 = R1||R2||h11Э = 163,8 Ом;
Rк1||Rвх2 = 34,4 Ом;
K2 =-20*34,4/(70 + 163,8) = 2,94
Уточним значениекоэффициента усиления выходного каскада с известным Rк1:
К2 = — h21Э *(Rк2||Rн)/(Rк1 + Rвх2) = 6,1
1.7 Расчет емкостныхэлементов усилительных каскадов
Для каскадов набиполярном транзисторе значение емкостей конденсаторов С C1,C2, C3,CЭ1, CЭ2 рассчитаем по следующим формулам:
/>
1.8 Расчет значенияреально достигнутого в схеме коэффициента усиления
В области средних частотреально развиваемый усилителем коэффициент усиления напряжения KРЕАЛ равен:
/>
Где Ki – коэффициент усиления i-го каскада.
KРЕАЛ = K1 * K2 = 6,1 * 2,94 = 17,94
Так как KРЕАЛ > K (коэффициент, расчитанный при определении числа каскадов K = 17,4), то расчет каскадногоусилителя можно считать законченным.
1.9 Расчет элементов цепиООС
По вычисленным в п. 1.1значениям kβ и K рассчитаем величину
/>
Найдем величинусопротивления обратной связи из следующего соотношения:
/>
Назначим Rэ1’’ =10 Ом
RОС = 375 [Ом].
1.10 Построениехарактеристики Мос(ω)
Построим частотнуюзависимость Moc(ω). В данном случае этой зависимостью будет
/>
Выражения для Mосв(/>) и Mосн(/>) одинаковы по виду, но для различных частотныхдиапазонов предполагают подстановку разных значений X, а именно: />, для области средних и верхнихчастот и /> дляобласти нижних и средних частот.
Масштаб оси частотвыбираем в десятичных логарифмах круговой частоты. На оси ч астот отметим точкиωн и ωв:
/>
2. Моделированиеусилителя на ЭВМ
Моделирование будемвыполнять с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. 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.
Для получения результатов, определяемыхисходными данными, произведем корректировку значений сопротивлений резисторов иемкостей конденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значенияприведены в спецификации.
По графикам АЧХ и ФЧХ,полученным в результате моделирования определим значения K, а также значение нижней частоты
Реально достигнутыйкоэффициент K находим из графика переходнойхарактеристики: K=12;
Значение нижней частоты fн=90 Гц.
/>Рис. 2 Анализ входного каскада по Transient
/>
Рис.3 Анализ выходногокаскада по Transient/>Рис.4 Схема каскадного усилителя на транзисторах
/>
Рис. 5 Анализ усилителя по АС
/>
Рис. 6 Анализ усилителя по Transient
Перечень элементовПоз. обозначение Наименование Кол. Примечание Усилитель с обратной связью Рис.1 SINE50 Генератор исходного сигнала 1 Q0 Биполярный транзистор КТ209Е 2 Резисторы R1 695 Ом 1 R2 300 Ом 1 R3 230 Ом 1 R4 45 Ом 1 Rк1 30 Ом 1 Rк2 16 Ом 1 Rэ1 3 Ом 1 Rэ2 2 Ом 1 Rос 200 Ом 1 Rн 510 Ом 1 Конденсаторы С1 7,56 мФ 1 С2 12 мкФ 1 С3 1,87 мФ 1 Сэ1 14,15 мФ 1 Сэ2 12,13 мФ 1
Заключение
Дадим описание всем основнымошибкам, погрешностям, допущениям, а также, проанализировав ход решениякурсовой работы, попытаемся сделать выводы, позволяющие увеличить точностьрасчетов и минимизировать объем трудовой деятельности.
Произведем анализ решения.Первым значительным недостатком являются исходные данные, заранее непроверенные на соответствие друг другу, а так же расчетным величинам.
Второй «критический»момент курсовой работы — выбор рабочей точки. Это обусловлено тем, чтопроектировщику усилителя предоставляется слишком большая свобода выбора рабочейточки.
Кроме того, если в схеменеобходимо установить эмиттерный повторитель, свобода выбора рабочей точкизначительно увеличивается из-за возможности выбрать практически любую точку,ограниченную лишь параболой мощности и значениями тока и напряжения,характеризующими местоположение этой точки.
Продолжая тему ручногопросчета, необходимо заметить, что также большая неточность может иметь местопри перестройке ВАХ из справочника на «миллиметровку», подлежащейпоследующим преобразованиям. Даже при относительно точном построении участкаветви, на котором величина тока становится постоянной, участок ветви, накотором идет возрастание тока строится крайне не точно, за счет построения наглаз. Ведь точно на глаз не определишь степень выпуклости функции, а величина,которая учитывает такого рода ошибки, входит в формулу нахождения расчетногокоэффициента усиления, что делает этот коэффициент непригодным дляиспользования.
При моделированииусилителя на ЭВМ появилась необходимость значительно (в десятки раз) уменьшатьсопротивления коллекторного и эмиттерного переходов. Это произошло потому, чтовыбранный при моделировании транзистор слабо приближен по характеристикам креально выбранному транзистору, на котором основывались все теоретическиерасчеты. Изменение этих величин никак не влияет на входное сопротивлениекаскадов и, значит, не влияет на связь между каскадами усилителя. В этом случаеможно опираться на теоретические расчеты лишь как на начальное задание величинэлементов каскадов и всего усилителя в целом.
Изменение величин емкостных элементов исопротивления обратной связи каскадов является приемлемым при проектированииусилителя.
В заключение необходимо отметить, чторазработанный усилитель все же выполняет свою главную функцию – усиливаетсигнал по мощности в необходимое число раз.
Библиографический список
1. Баскакова И.В., Перепёлкин А.И. Усилительныеустройства: Методические указания к курсовой работе.-Рязань, РГРТА,1997.36с.
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 исвязь,1982.656с.
3. Транзисторы.Справочник.Издание 3-е. Под редакцией И.Ф.Николаевского.-М.: Связь,1969.624с.
4. Анализ электронных схем. Методические указания клабораторным и практическим занятиям. Баскакова И.В., Перепёлкин А.И. Р.:2000,32с.