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 MicroCap III. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.



	
Исходные данные



Вариант №20–30

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() – коэффициент частоты каскадов.

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K. , 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







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







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 = (22.5) [В])





Рис. 1. Схема усилительного каскада



 где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

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].

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 :







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 = (12.5) [В])

 где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

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 :







где IК,IБ – 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 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 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 = (12.5) [В])

 где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

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 :







где IК,IБ – 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









2