Расчет статических и динамических параметров электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на курсовую работу

Введение

1. Расчёт коэффициента усиления

2. Расчёт выходного каскада

2.1 Выбор рабочей точки транзистора

2.2 Расчёт эмиттерного повторителя

2.3 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

2.4 Расчёт коэффициента усиления выходного каскада

2.5 Расчёт ёмкостных элементов

3. Расчёт входного каскада

3.1 Выбор рабочей точки транзистора

3.2 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

3.3 Расчёт коэффициента усиления входного каскада

3.4 Расчёт ёмкостных элементов

4. Расчёт реально достигнутого коэффициента усиления

5. Расчёт элементов цепи ООС

6. Построение характеристики Мос(щ)

7. Моделирование

7.1 Выходной каскад

7.2 Входной каскад

7.3 Усилитель без ООС

7.4 Усилитель с ООС

7.5 Результаты моделирования

7.6 Спецификация

Выходной каскад

Входной каскад

Усилитель без ООС

Усилитель с ООС

Заключение

Список литературы

Задание на курсовую работу

№ варианта	26-31
Тип проводимости транзистора	p-n-p, p-канал
UBхm, мВ	340
Rг, Ом	50
Rн, Ом	300
Pн, Вт	0,2
t°макс, °С	45
fH, Гц	20
fB, кГц	200
Мосн(щн)	0,83
Мосв(щв)	0,83

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 ходе данной курсовой работы рассчитаны статические и динамические параметры многокаскадного усилительного устройства переменного тока с обратной связью в соответствии с данными технического задания и смоделирована его работа в среде Micro-Cap 9.

1. Расчёт коэффициента усиления

Определим напряжение на нагрузке Uн:

Uн = = = 7,75 ,В

Найдём амплитудное значение напряжения UHт:

UHт = v2*Uн = v2*7,75 = 10,96 ,В

Определим коэффициент усиления замкнутого усилителя Кос:

Кос = = = 32,235

Предположим, что число каскадов n равно одному, тогда:

Мосн(щн) = Мосв(щв) =

X ===1

Составим квадратное уравнение и решим его относительно Кв :

= 0,83

0,83* = 1- Кв

0,6889*(2-2Кв+ Кв2) = 1-2Кв+ Кв2

0,3778+0,622 Кв -0,311Кв2 = 0

Кв = -0,49

Найдём коэффициент усиления разомкнутого усилителя:

К=Кос*(1-Кв) = 32,235*(1+0.49) = 48 > 10

Следовательно, усилитель не может быть однокаскадным.

Предположим, что число каскадов n равно двум, тогда:

Мосн(щн) = Мосв(щв) =

X ===1

Составим квадратное уравнение и решим его относительно Кв :

= 0,83

0,83* = 1- Кв

0,6889*(4+Кв2) = 1-2Кв+ Кв2

1,7556+2Кв -0,311Кв2 = 0

Кв = -0,78

Найдём коэффициент усиления разомкнутого усилителя:

К=Кос*(1-Кв) = 32,235*(1+0.78) = 57,2 < 100

Следовательно, усилитель должен быть двухкаскадным.

2. Расчёт выходного каскада

Схема выходного каскада:

2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А в транзисторе в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА2 и напряжения UкА2. Найдём значения IкА2, UкА2 и PкА2, считая, что сопротивление эмиттера Rэ2 = 0:

Iн = = = 0,0258 ,А

Iнm2 = v2 * Iн = v2*0,0258 = 0,037 ,А

UH т2 = v2 * Uн = v2*7,75 = 10,96 ,В

Umin = 1 В ; Кзап = 0,9

UкА2 = UH т2 + Umin = 10,96+1 = 11,96 ,В

С целью отсутствия обрезания сигнала на выходе примем UкА2=12 ,В.

Из схемы выходного каскада следует, что потенциал UкА2 отрицательный, т.е. UкА2=-12 ,В.

IкА2 = = = 0,041 ,А

PкА2 = IкА2 * /UкА2/ = 0,041*12 = 0,49 ,Вт

Определим напряжение питания усилителя Е:

Е = 2 * /UкA2/ = 2 * 12 = 24 ,В

Таким образом, условия выбора транзистора выходного каскада следующие:

1. Тип проводимости: p-n-p

2. Iкдоп ? 2 * IкА2 = 82 ,мА

3. Uкдоп ? Е = 24 ,В

4. Pкдоп ? PкА2 = 490 ,мВт

Транзистором, удовлетворяющим всем требованиям, является КТ3107Д.

Основные характеристики транзистора представлены в следующей таблице:

Тип проводимости	Uкэ,В	Iк,мА	Pк,мВт	Iк0 (t0),мкА
p-n-p	25	100	500	0,1 при t0=250С

Найдем линию статической нагрузки:

Iк2 = f(Uкэ2)

Uк2 = -Е + Iк2 * Rк2

Uэ2 = -Iэ2 * Rэ2 ? -Iк2 * Rэ2

Uкэ2 = Uк2 - Uэ2 = -E + Iк2*(Rк2 + Rэ2)

Iк2 = +

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статистической нагрузки:

Rк2+Rэ2===293 ,Ом

Rэ2=(0,1…0,3)Rк2

Возьмем Rэ2=0,1Rк2, тогда:

Rк2===266 ,Ом

Rэ2=0,1Rк2=0,1*266=27 ,Ом

Построим статистическую линию нагрузки.

При IкА2=0 Uкэ2 = -Е = -24 ,В

При UкА2=0 Iк2===0,082 ,А

Построим динамическую линию нагрузки Uк'2 и рабочую точку.

Uк'2 = - = - =-17,78 , В

Отметим значения токов IкА2 + Iнm2 и IкА2 - Iнm2, спроецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и найдем Uнm2.Найденное значение

Uнm2 = -5 В меньше рассчитанного ранее , поэтому включаем в схему эмиттерный повторитель.

2.2 Расчёт эмиттерного повторителя

Схема выходного каскада с эмиттерным повторителем:

Дифференциальный коэффициент передачи тока базы находится по формуле:

в===200

Тогда сопротивление выхода в схеме с эмиттерным повторителем:

Rвых2 = (1+в)=(1+200) =4979 ,Ом

Uк''2 = - = - =-22,35 ,В

Снова отмечаем токи IкА2 + Iнm2 и IкА2 - Iнm2, проецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и находим Uнm2. Найденное значение

Uнm2 = -11В больше рассчитанного ранее Uнm2 =10,96В.

2.3 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки для каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R12 и R22.

По входным характеристикам транзистора определим величины IбА2, UбэА2

IбА2 = 0,22 ,мА

UбэА2 = 0,7 ,В

Найдем температурные изменения токов:

=(0,001…0,01)Iнm2=0,001*0,037=37 ,мкА

Iк0 (t0)= Iк0 (t0спр)*==2,6 ,мкА

Iк0 (t0лаб)= Iк0 (t0спр)*==0,1 ,мкА

= |Iк0 (t0) - Iк0 (t0лаб )| = |2,6*10-6 -0,1*10-6 | = 2,5 ,мкА

Тогда коэффициент нестабильности N2 определяется следующим образом:

N2===15

N2 должен находиться в диапазоне (2…15). Это условие выполняется.

Найдем сопротивление R22:

=409 ,Ом

Найдём ток делителя IД2:

IЭА2= IбА2+ IкА2=0,22+41=41 ,мА

IД2= IбА2+=0,22*10-3+=4,6 ,мА

Ток делителя должен быть IД2 ? (3…10)IбА2:

Условие выполняется.

Найдём сопротивление R12:

R12=4785 ,Ом

2.4 Расчёт коэффициента усиления выходного каскада

По входным характеристикам биполярного транзистора найдем его входное сопротивление:

h11э2==100

Rвх2=80 ,Ом

В качестве сопротивления генератора на выходном каскаде принимается сопротивление коллектора входного каскада.

К2= --=-18,74

K2=-18,74

2.5 Расчёт ёмкостных элементов

Для каскадов на биполярном транзисторе значения емкостей конденсаторов C2 , C3 и Сэ2 рассчитываются следующим образом:

2*3,1416 *20 = 126

С2=2,94*10-6=2,94 ,мкФ

С3=1,51*10-6=1,51 ,мкФ

Сэ2===0,0476=47,6 ,мФ

3. Расчёт входного каскада

Схема входного каскада:

3.1 Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А в транзисторе в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА1 и напряжения UкА1. Найдём значения IкА1, UкА1 и PкА1, считая, что сопротивление эмиттера Rэ1 = 0:

UH т1 = ==0,57 ,В

Сопротивление нагрузки для входного каскада Rн1=Rвх2=80 , Ом

Iнm1 = ==0,0072 ,А

Umin = 1 В ; Кзап = 0,9

UкА1 = UH т + Umin = 0,57+1 = 1,57 ,В

Из схемы выходного каскада следует, что потенциал UкА1 отрицательный, т.е. UкА1=-1,57 ,В.

IкА1= = = 0,0078 ,А

PкА1 = IкА1 *|UкА1| = 0,0078*1,57 =0,013 ,Вт

Таким образом, условия выбора транзистора выходного каскада следующие:

5. Тип проводимости: p-n-p

6. Iкдоп ? 2 * IкА1 = 16 ,мА

7. Uкдоп ? Е = 24 ,В

8. Pкдоп ? PкА1 = 13 ,мВт

Транзистором, удовлетворяющим всем требованиям, является КТ3107Д.

Основные характеристики транзистора представлены в следующей таблице:

Тип проводимости	Uкэ,В	Iк,мА	Pк,мВт	Iк0 (t0),мкА
p-n-p	25	100	500	0,1 при t0=250С

Построим линию статической нагрузки:

Iк1 = f(Uкэ1)

Uк1 = -Е + Iк1 * Rк1

Uэ1 = -Iэ1 * Rэ1 ? -Iк1 * Rэ1

Uкэ1 = Uк1 - Uэ1= -Е + Iк1 *(Rк1+Rэ1)

Iк1 = +

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статистической нагрузки:

Rк1+Rэ1===1446 ,Ом

Rэ1=(0,1…0,3)Rк1

Возьмем Rэ1=0,1Rк1, тогда:

Rк1===1315 ,Ом

Rэ1=0,1Rк1=0,1*1315=131 ,Ом

Построим статистическую линию нагрузки.

При IкА1=0 Uкэ1 = -Е = -24 ,В

При UкА1=0 Iк1===0,0083 ,А

Построим динамическую линию нагрузки Uк'1 и рабочую точку.

Uк'1 = - = - =-2,18 , В

Отметим значения токов IкА1 + Iнm1 и IкА1 - Iнm1, спроецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и найдем Uнm1.Найденное значение

Uнm1 = 0,6 В больше рассчитанного ранее Uнm1 = 0,57 В.

в===180

3.2 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки для каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R11 и R21.

По входным характеристикам транзистора определим величины IбА1, UбэА1

IбА1 = 0,14 ,мА

UбэА1 = 0,4 ,В

Найдем температурные изменения токов:

=(0,001…0,01)Iнm1=0,005*0,007=35 ,мкА

Iк0 (t0)= Iк0 (t0спр)*==2,6 ,мкА

Iк0 (t0лаб)= Iк0 (t0спр)*==0,1 ,мкА

= |Iк0 (t0) - Iк0 (t0лаб )| = |2,6*10-6 -0,1*10-6 | = 2,5 ,мкА

Тогда коэффициент нестабильности N1 определяется следующим образом:

N1===14

N1 должен находиться в диапазоне (2…15). Это условие выполняется.

Найдем сопротивление R21:

=3692 ,Ом

Найдём ток делителя IД1:

IЭА1= IбА1+ IкА1=0,14+7,8=7,9 ,мА

IД1= IбА1+=0,14*10-3+=2,5 ,мА

электронный устройство усилитель двухкаскадный

Ток делителя должен быть IД1 ? (3…10)IбА1:

Условие выполняется.

Найдём сопротивление R11:

R11=26615 ,Ом

3.3 Расчёт коэффициента усиления входного каскада

По входным характеристикам биполярного транзистора найдем его входное сопротивление:

h11э1==400

Rвх1=356 ,Ом

Тогда коэффициент усиления выходного каскада определятся так:

К1= --=-34,42

K1=-34,42

3.4 Расчёт ёмкостных элементов

Для каскадов на биполярном транзисторе значения емкостей конденсаторов C1 и Сэ1 рассчитываются следующим образом:

С1=19,55*10-6=19,55 ,мкФ

Сэ1===0,0119=11,9 ,мФ

4. Расчёт реально достигнутого коэффициента усиления

Реально достигнутый в схеме коэффициент усиления разомкнутого усилителя в области средних частот определяется следующими формулами:

К1= --=-34,42

К2= --=-18,74

Креал==K1*К2=645

Реально достигнутый коэффициент усиления должен быть больше рассчитанного в пункте 1 коэффициента усиления К.

Креал=645 ? К=57,2

Условие выполняется.

5. Расчёт элементов цепи ООС

Так как проектируемый усилитель содержит два каскада, используем последовательную обратную отрицательную связь по напряжению. Найдём сопротивление обратной связи:

==-1,2*10-3

=8323 ,Ом

Тогда коэффициент усиления усилителя с обратной связью можно найти так:

==362

6. Построение характеристики Мос(щ)

Характеристика Мос(щ) для двухкаскадного усилителя строится по следующим формулам в масштабе десятичных логарифмов круговой частоты:

Мосв(щв)= Мосн(щн)=

Х=для Мосв(щв)

Х=для Мосн(щн)

2*3,1416 *20 = 126 рад/с

7. Моделирование

Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 9. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.

В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики входного и выходного каскадов усилителя, усилителя без ООС и с ООС.

7.1 Выходной каскад

Схема выходного каскада:

Переходная характеристика выходного каскада:

Частотные характеристики выходного каскада:

7.2 Входной каскад

Схема входного каскада:

Переходная характеристика входного каскада:

Выходной сигнал искажен из-за слишком большой входной амплитуды. Поэтому в этой и последующей схемах амплитуда уменьшена с 340 мВ до 1 мВ.

Теперь переходная характеристика выглядит так:

Частотные характеристики входного каскада:

7.3 Усилитель без ООС

Схема усилителя:

Переходная характеристика усилителя

Частотные характеристики усилителя:

7.3 Усилитель с ООС

Схема усилителя:

Переходная характеристика усилителя:

Частотные характеристики усилителя:

7.5 Результаты моделирования

Схема	Расчетный коэффициент усиления	Смоделированный коэффициент усиления	Амплитуда входного сигнала	Амплитуда выходного сигнала
Выходной каскад	-18,74	-18,756	340 мВ	6353 мВ
Входной каскад	-34,42	-34,445	1 мВ	34,86 мВ
Усилитель без ООС	645	644,679	1 мВ	617,97 мВ
Усилитель с ООС	362	24,981	340 мВ	8627 мВ

7.6 Спецификация

Выходной каскад

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT2,VT2ep	Транзистор КТ3107Д	2
V1	Генератор входного сигнала	1
V2	Генератор напряжения 24 В	1
Резисторы
R12	4785 Ом	1
R22	409 Ом	1
Rk2	266 Ом	1
Re2, Rep2	27 Ом	1
Rn	300 Ом	1
Rk1	1110 Ом	1
Конденсаторы
C2	2,94 мкФ	1
Ce2	48 мФ	1
C3	1,51 мкФ	1

Входной каскад

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1	Транзистор КТ3107Д	1
V1	Генератор входного сигнала	1
V2	Генератор напряжения 24 В	1
Резисторы
R11	26k Ом	1
R21	3692 Ом	1
Rk1	990 Ом	1
Re1	99 Ом	1
Rn	96 Ом	1
Rg	50 Ом	1
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ	1
Ce1	12 мФ	1

Усилитель без ООС

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1, VT2, VT2ep	Транзистор КТ3107Д	3
V1	Генератор входного сигнала	1
V2	Генератор напряжения 24 В	1
Резисторы
R11	26k Ом	1
R21	3692 Ом	1
Rk1	990 Ом	1
Re1	99 Ом	1
R12	4785 Ом	1
R22	409 Ом	1
Rk2	266 Ом	1
Re2, R2ep	27 Ом	1
Rn	300 Ом	1
Rg	50 Ом	1
R29	70 Ом	1
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ	1
Ce1	12 мФ	1
C2	2,94 мкФ	1
Ce2	48 мФ	1
C3	1,51 мкФ	1

Усилитель с ООС

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1, VT2, VT2ep	Транзистор КТ3107Д	3
V1	Генератор входного сигнала	1
V2	Генератор напряжения 24 В	1
Резисторы
R11	26k Ом	1
R21	3692 Ом	1
Rk1	990 Ом	1
Re1	99 Ом	1
R12	4785 Ом	1
R22	409 Ом	1
Rk2	266 Ом	1
Re2, R2ep	27 Ом	1
Rn	300 Ом	1
Rg	50 Ом	1
R29	70 Ом	1
Roc	49940 Ом	1
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ	1
Ce1	12 мФ	1
C2	2,94 мкФ	1
Ce2	48 мФ	1
C3	1,51 мкФ	1

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были приобретены навыки расчетов статических и динамических параметров электронных устройств, изучены методы проектирования и разработки электронных устройств, получены навыки практического применения ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

В результате выполнения курсовой работы спроектирован двухкаскадный усилитель с отрицательной обратной связью. Работа усилителя проверена в среде Micro-Cap 9.

Список литературы

1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. 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 редакцией Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с., ил.

Размещено на Allbest.ru