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 MicroCapIII. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.

1. Исходные данные

Вариант №20–30

2. Расчетная часть

2.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Вычислим амплитудное значение напряжения на выходе:

,

По известным значениям U_нm и U_вхm рассчитываем K_oc

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 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 Iк_А и напряжения Uкэ_A 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 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_НМI_НМ =0.43 [Вт], транзистор средней мощности.

Определим напряжение U_КЭАиз 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)

Е_П=2U_КЭА=92.88 [B]

Сопротивление R_Kнаходим как:

Сопротивление R_Э 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 .

; ;

гдеK_M=1000 масштабный коэффициент.

Выбирая значенияE_П 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 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 h_11Э:

Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t₀;А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем . Рекомендуемое значение Nвычисленное как

;

Вычислим R₁, 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 C₁,

C₂,C₃ 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 Iк_А и напряжения Uкэ_A в первоначальном предположении Rэ= 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_НМI_НМ =0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности

Определим напряжение U_КЭАиз выражения:

=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности U_ЗАП = (1¸2.5) [В])

где K_З–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

Е_П=2U_КЭА=7,1 [B]

Сопротивление R_Kнаходим как:

Сопротивление R_Э 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 .

; ;

гдеK_M=1000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияE_П из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при E_П=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.

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

где DI_К,DI_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 t₀;А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .

Рекомендуемое значение Nвычисленное как

;

Вычислим R₁, 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 C₁,

;

;

;

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 Iк_А и напряжения Uкэ_Aв первоначальном предположении Rэ= 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_НМI_НМ =0.013 [мВт], транзистор малой мощности

Определим напряжение U_КЭАиз выражения:

=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности U_ЗАП = (1¸2.5) [В])

где K_З–коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

Е_П=2U_КЭА=5.22 [B]

Сопротивление R_Kнаходим как:

Сопротивление R_Э 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 .

; ;

гдеK_M=10000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияE_П 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 R₁, R₂. 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 DI_К,DI_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 t₀;А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .

Рекомендуемое значение Nвычисленное как ;

Вычислим R₁, 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 C₁,

;

;

;

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:

;

;

R_ОС = 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