Электронные усилители
Задача № 1
1.
Приведите
структурную схему усилителя с заданными каскадами; на схеме укажите заданные
напряжения.
2.
Рассчитайте
указанный коэффициент усиления.
3.
Перечертите
заданную характеристику, укажите её название. Поясните физический смысл
заданных качественных показателей, и с помощью приведённой характеристики
рассчитайте их.
Дано: состав структурной
схемы – КПУ, ПОК, ОК.
Параметры для расчёта: Uвх
ус =10мВ, Uвых ус = 0,5В, Uвых кпу = 100мВ.
Найти: Ккпу.,
ДРЧ Мf =100 Гц
Решение:
1)
Структурная схема
усилителя с заданными каскадами
Uвх ПОК
Uвх ОК
Uвых
КПУ Uвых
ПОК
U
ИС U
ВХ
КПУ
U
ВЫХ ОК U
Н
2)
Расчёт
коэффициента усиления (Ккпу) по заданным величинам напряжений.
Коэффициент усиления,
показывает во сколько раз КПУ, усиливает входное напряжение. За входное
напряжение КПУ берем значение Uвх ус =10мВ, так как входное
устройство является элементом согласования каскадов усилителя и усилительными
свойствами не обладает.
3) Амплитудно-частотная
характеристика усилителя:
К
60
50
К ср
40
0,707КСР
30
20
10
f кГц
0
0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 12,9
АЧХ усилителя отображает
зависимость К от частоты, на ней видно, что в диапазоне частот от 0,05 до 0,2
кГц коэффициент возрастает, затем в диапазоне от 0,2 до 3.2 кГц коэффициент не
изменяется, а затем начинает уменьшаться.
ДРЧ (диапазон рабочих
частот) – диапазон частот, в котором коэффициент усиления К уменьшается не
более, чем на 1 дБ, то есть в 1.41 раза.
Поэтому на уровне , проводим вспомогательную линию,
параллельную оси f . Точки
пересечения этой линии с АХЧ проецируем на ось f. Получаем искомый ДРЧ от нижней частоты fН до fВ.
По примеру из
методического пособия (рис.8), для решения задачи находим из графика среднее
значение КСР. КСР =50
Затем находим 0,7КСР
= 0.7 50 = 35, на этом уровне проводим прямую параллельную оси f.
Из получившихся расчетов
делаем вывод, что предложенная в задаче АЧХ усилителя находится в диапазоне
рабочих частот и данный диапазон лежит в пределах от
fН =0,075 кГц и до fВ =11,6 кГц.
ДРЧ усилителя от fН =0,075 кГц и до fВ =11,6 кГц.
Рассчитаем значение
КСР =50 =
определили из графика, по графику также определяем значение Кf для частоты 100 Гц оно равно 40 (Кf =40).
Рассчитываем по формуле
значение
Задача № 3
1.
Укажите
назначение операционного усилителя (ОУ) и его преимущества.
2.
Приведите схему
на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, поясните назначение
элементов схемы.
3.
Рассчитайте
элементы схемы и постройте ее АЧХ.
Дано: Активный фильтр
нижних частот. fСР = 1 кГц, КФНЧ =100, RИС =1 кОм
Определить: 1) указать
назначение операционного усилителя и его преимущества;
2) привести схему на
операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, пояснить назначение
элементов схемы;
3) рассчитать элементы
схемы и постройте ее АЧХ.
Решение:
1) Назначение и
преимущества операционного усилителя.
Операционный усилитель
предназначен для выполнения различных операций с входными сигналами: усиления,
сложения, вычитания, умножения, интегрирования и т.д.
OУ выполняется в виде интегральных
схем. В состав схем входят дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное
сопротивление, малый шум; каскад предварительного усиления и усилитель мощности
(эмиттерный повторитель).
Для ОУ характерны большой
коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление, широкий
диапазон рабочих частот, низкий уровень шума.
2) Активный фильтр нижних
частот на ОУ:
ССВ
R1 DA
R2
RН UВЫХ
UВХ
R1 и RСВ – задают коэффициент усиления схемы;
R2 согласует неинвертирующий вход ОУ с источником
сигнала;
RСВ и ССВ определяют частоту
среза фильтра.
1)
Расчет элементов
схемы и построение АЧХ.
Чтобы согласовать инвертирующий
вход ОУ с источником сигнала значение R2 выберем
равным RИС. RИС по условию задачи равно 1 кОм. Можно записать
R2= RИС=1кОм
Коэффициент передачи
фильтра рассчитаем по формуле
Величина сопротивления R1 выбирается из расчета от 1 до 3 кОм.
Пусть R1 = 2 кОм.
Тогда ( КФНЧ =100 по условию
задачи).
Для расчета емкости ССВ
сначала рассчитываем круговую частоту среза
вычисляем [ рад/с]
Частота среза
определяется цепочкой RСВ и ССВ и равна
,
отсюда
Рассчитаем частоту , на которой КФНЧ = 0
Строим график:
Для построения графика от
значений ω был взят десятичный логарифм от полученных ранее значений.
lg ωСР = lg 6280 = 3,8 ;lg ω0 = lg 126∙104 = 6,1
К
60
50
40
30
20
10
0 6280 126∙104
ω (рад/с)
ωСР
ω0 lg ω, дек
1
2 3 4 5 6 7 8
Задача № 4
Рассчитать каскад
предварительного усиления на биполярном транзисторе КТ312А
n-p-n - типа, включенном
с общим эмиттером, с последовательной отрицательной обратной связью по току.
Дано: Ек =
15В, КООС = 10, FH = 75Гц, RH = 10кОм,
IК max ДОП = 30мА, h21э min = 10,
h21э max = 100, rб
= 100 Ом.
Рассчитать: элементы
схемы и рабочий режим транзистора.
Решение:
Принципиальная схема
резистивного усилителя напряжения:
ЕК
+ −
RК
СР
RД1
СР VT
UВЫХ
RН
UВХ RД2
RЭ СЭ
1. Сопротивление нагрузки
коллекторной цепи RК
кОм
(стандарт 620 Ом), где IKmax = КЗ IК max ДОП = = 0.75 IKmax ДОП =0,75∙
30=22,5 (мА) где КЗ коэффициент запаса по току IК .
Обычно КЗ =
0,7…0,8. приняли для задачи КЗ=0,75
2. Сопротивление резистора
в цепи эмиттера RЭ .
Требуемая стабилизация
режима работы достигается, если Rэ ≈ 0,1RK
Rэ ≈
0,1∙ 610 = 61 Ом. Выберем стандарт Rэ = 62 Ом.
3. Эквивалентное
сопротивление делителя Rд1 , Rд2 :
Rдел = RЭ
∙ (Si – 1),
Rдел = 61 ∙
(3,5 – 1) = 61 2,5 = 152,5 Ом.
4. Определяем рабочий
режим транзистора:
- минимальный
коллекторный ток
IKmin = 0.1∙ IKmax = 0.1∙ 0.75∙ 30 =
2.25мА.
- максимальный коллекторный
ток:
IKmax =0.75∙ IK max доп = 0,75 ∙ 30 = 22,5 мА.
- максимальное
коллекторное напряжение ( UKЭ max)
- минимальное значение UКЭ
,
где Uкэнас =
0,8В, так как для кремниевых транзисторов такое значение напряжения насыщения.
Параметры рабочего режима
транзистора в рабочей точке:
- выходное напряжение UКЭРТ – напряжение на коллекторе в рабочей
точке:
Выходной ток - ток
коллектора в рабочей точке:
Входной ток в рабочей
точке - ток базы
,
где h21э – средне- геометрическое значение
коэффициента передачи тока., тогда входной ток
Входное напряжение –
напряжение на базе транзистора в рабочей точке UБЭРТ:
,
где UБЭ0 – пороговое напряжение биполярного
транзистора. Для кремниевых транзисторов UБЭ0 = 0,7 В; rБ =100 Ом из данных задачи
- расчёт делителя Rд1 и Rд2
Стандартное значение Rд2 =180 Ом 10%
Стандартное значение Rд1=1,6 кОм 5%
- значение емкости
разделительного конденсатора определяется, исходя из нижней частоты диапазона
усиливаемого сигнала
стандартное значение 0,2
мкФ
- Расчет емкости
блокировочного конденсатора:
Стандартное значение : 330 мкФ10%
расчет коэффициента
усиления каскада
коэффициент получился
меньше заданного. Возьмем величину RК из
стандартного ряда сопротивлений равной 680 Ом и рассчитаем вновь:
что соответствует требованию задания.
Задание № 5
Привести схему
автоколебательного мультивибратора, указать его назначение. Рассчитать
длительность импульсов tИ1 и tИ2, период следования
импульсов Т и частоту следования импульсов ƒ. Построить временные
диаграммы Uк1= ƒ(t) и Uк2 = ƒ(t).
Дано: RК1 = 100 Ом; RК2 = 82 Ом; R1= 2кОм; R2 = 3кОм; C1 = C2 = 10нФ; E =
15В.
Рассчитать: tИ1, tИ2, Т, ƒ.
Решение:
Схема автоколебательного
мультивибратора
+ Е −
RК1 R2
R1
RК2
С2 С1
VT1 VT2
UВЫХ1 UВЫХ2
Мультивибратор – это
релаксационный генератор. Мультивибратор формирует импульсы не синусоидальной
формы – на выходе мультивибратора могут быть импульсы прямоугольной или
пилообразной форм. Мультивибратор имеет накопитель энергии – конденсатор и
электронный ключ – транзистор – переключение которого обусловлено запасом
энергии в конденсаторе. Параметры выходных импульсов определяются параметрами
элементов схемы. Мультивибраторы применяются в устройствах автоматики,
измерительной и вычислительной техники.
2. Расчёт длительности
импульсов проводится по формуле tИ = 0,7 RC
расчет tИ1= 0,7 R1C1
расчет tИ2= 0,7 R2C2
Длительность фронтов
импульсов зависит от времени заряда емкости и определяется по формулам:
Период следования
импульсов:
Т = tИ1 + tИ2 = 14 + 21 = 35мкс
Частота следования
импульсов:
Амплитуда импульсов: по среднему значению
Временные диаграммы
выходных сигналов: Uк1= ƒ(t) и Uк2 = ƒ(t).
Для построения: tИ1= 14 мкс; tИ2= 21 мкс
tФ1= 2,5 мкс tФ2= 2,05 мкс
UК1
tИ1
16
12
8
4
0
5 10 15 20 25
30 40 45 50 55 60 t,мкс
tФ1
UК2
16 tИ2
12
8
4
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t,
мкс
tФ2
Литература
1.
Электронная
техника. Программа, методические указания.. М, 2003
2.
Электронные
приборы и усилители. Программа, методические указания …М, 1995