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 MicroCap III. При моделировании
усилителя производится корректировка его параметров.
Тип 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. Расчетная
часть
2.1 Расчет
коэффициента усиления напряжения усилителя
Вычислим
амплитудное значение напряжения на выходе:
,
По известным
значениям Uнm и Uвхm рассчитываем Koc
Усилителю с
отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:
. (1).
Определим
число каскадов усилителя.
Пусть число
каскадов равно 1 (n = 1):
, ,
где Mос(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 IкА и напряжения UкэA 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 UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным
значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 44.4 [В] и IНМ=IН.= = 0.0098 [А].
Определим вид
транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.43 [Вт], транзистор средней
мощности.
Определим
напряжение UКЭА из выражения:
=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности UЗАП = (2¸2.5) [В])
Рис. 1. Схема усилительного каскада
где KЗ–коэффициент запаса
равный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=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 .
; ;
где KM=1000 масштабный коэффициент.
Выбирая
значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической
линии нагрузки, проверяем условие.
В нашем случае условие выполнилось при EП=100 [B].
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 h11Э:
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 N вычисленное как
;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность
расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо
соблюдение неравенства . Вычислим Iдел 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 IкА и напряжения UкэA в первоначальном
предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя
выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным
значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 1.05 [В] и IНМ=IН.== 0.0008 [А].
Определим вид
транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.84 [мВт], значит транзистор
малой мощности
Определим
напряжение UКЭА из выражения:
=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1¸2.5) [В])
где KЗ–коэффициент запаса
равный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=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 .
; ;
где KM=1000 масштабный коэффициент
Выбирая
значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической
линии нагрузки, проверяем условие.
В нашем случае условие выполнилось при EП=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 DIК,DIБ – окрестность рабочей
точки А
Найдем ток IБА:
По входным
характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,71 [B]
Так же из
входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление
транзистора h11Э:
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 N вычисленное как
;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность
расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо
соблюдение неравенства . Вычислим Iдел по формуле:
Полученное
значение удовлетворяет соотношению
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 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 IкА и напряжения UкэA в первоначальном
предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя
выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным
значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 0.11 [В] и IНМ=IН.= 0.00012 [А].
Определим вид
транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.013 [мВт], транзистор малой
мощности
Определим
напряжение UКЭА из выражения:
=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1¸2.5) [В])
где KЗ–коэффициент запаса
равный (0.7¸0.95)
ЕП=2UКЭА=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 .
; ;
где KM=10000 масштабный коэффициент
Выбирая
значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической
линии нагрузки, проверяем условие.
В нашем случае условие выполнилось при EП=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 DIК,DIБ – окрестность рабочей
точки А
Найдем ток IБА:
По входным
характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,55 [B]
Так же из
входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление
транзистора h11Э:
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 N вычисленное как ;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность
расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо
соблюдение неравенства . Вычислим Iдел 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
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