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 MicroCapIII. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.
1.
Исходные данные
Вариант №20–30
| Тип проводимости | Uвх
m мВ |
Rг,
Ом |
Pн
, Вт |
Iн,
мA |
to
max , o C |
∆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. Расчетная часть
2.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя
Вычислим амплитудное значение напряжения на выходе:
,
По известным значениям Uн
m
и Uвх
m
рассчитываем Koc
Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:
. (1).
Определим число каскадов усилителя.
Пусть число каскадов равно 1 (n
= 1):
, ,
где M
ос
(
w
)
– коэффициент частоты каскадов.
Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K
b
.
, 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 K
b
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 K
b
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 I
кА
и напряжения U
кэ
A
в схеме рис. 1, в первоначальном предположении R
э= 0
. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U
НМ
и тока коллектора I
НМ
, которые по заданным значениям U
Н
и I
Н
определяются как U
НМ
=
U
Н
= 44.4 [В] и I
НМ
=
I
Н
.= = 0.0098 [А].
Определим вид транзистора:
P
К
=
U
НМ
I
НМ
=0.43
[Вт], транзистор средней мощности.
Определим напряжение U
КЭА
из выражения:
=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности U
ЗАП
= (2¸2.5) [В])
Рис. 1. Схема усилительного каскада
где K
З
–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)
ЕП
=2
U
КЭА
=92.88
[B]
Сопротивление RK
находим 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 E
П
=100
[B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R
1
, R
2
. 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 h
11Э
:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t
0
;
А =
2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем . Рекомендуемое значение N
вычисленное как
;
Вычислим R1
,
R2
:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока I
дел
, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I
дел
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 C
1
,
C
2
,C
3
рассчитаем 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 I
кА
и напряжения U
кэ
A
в первоначальном предположении R
э= 0
. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U
НМ
и тока коллектора I
НМ
, которые по заданным значениям U
Н
и I
Н
определяются как U
НМ
=
U
Н
= 1.05 [В] и I
НМ
=
I
Н
.== 0.0008 [А].
Определим вид транзистора:
P
К
=
U
НМ
I
НМ
=0.84
[мВт], значит транзистор малой мощности
Определим напряжение U
КЭА
из выражения:
=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности U
ЗАП
= (1¸2.5) [В])
где K
З
–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)
ЕП
=2
U
КЭА
=7,1
[B]
Сопротивление RK
находим 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
П
=10
[B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R
1
, R
2
. Выберем такой транзистор, у которого и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b
:
где D
I
К
,
D
I
Б
– окрестность рабочей точки А
Найдем ток I
БА
:
По входным характеристикам транзистора определим величину U
БЭА
=0,71
[B]
Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h
11Э
:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t
0
;
А =
2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .
Рекомендуемое значение N
вычисленное как
;
Вычислим R1
,
R2
:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока I
дел
, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I
дел
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 C
1
,
C
2
,C
3
рассчитаем по следующим формулам:
;
;
;
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 I
кА
и напряжения U
кэ
A
в первоначальном предположении R
э= 0
. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U
НМ
и тока коллектора I
НМ
, которые по заданным значениям U
Н
и I
Н
определяются как U
НМ
=
U
Н
= 0.11 [В] и I
НМ
=
I
Н
.= 0.00012 [А].
Определим вид транзистора:
P
К
=
U
НМ
I
НМ
=0.013
[мВт], транзистор малой мощности
Определим напряжение U
КЭА
из выражения:
=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности U
ЗАП
= (1¸2.5) [В])
где K
З
–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)
ЕП
=2
U
КЭА
=5.22
[B]
Сопротивление RK
находим 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 E
П
=6.3
[B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R
1
, R
2
. Выберем такой транзистор, у которого и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b
:
где D
I
К
,
D
I
Б
– окрестность рабочей точки А
Найдем ток I
БА
:
По входным характеристикам транзистора определим величину U
БЭА
=0,55
[B]
Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h
11Э
:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t
0
;
А =
2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .
Рекомендуемое значение N
вычисленное как ;
Вычислим R
1
,
R
2:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока I
дел
, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I
дел
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 C
1
,
C
2
,C
3
рассчитаем 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:
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
Kuреальный ≈300