Усилители переменного тока с отрицательной обратной связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

«Схемотехника ЭС»

на тему:

«Усилители переменного тока с ООС»

2013

Оглавление

Введение

1. Расчет числа каскадов

2. Расчет выходного каскада

2.1 Выбор рабочей точки

2.2 Выбор транзистора

3. Расчет входного каскада

3.1 Выбор рабочей точки

3.2 Выбор транзистора

4. Расчет емкостных элементов

5. Расчет цепей обратной связи

6. Моделирование схемы на ЭВМ

6.1 Моделирование выходного каскада

6.2 Моделирование входного каскада

6.3 Моделирование усилителя без ООС

6.4 Моделирование усилителя с ООС

6.5 Построение в MathCad

7. Спецификация

Заключение

Библиографический список

Введение

Целью данной курсовой работы являются:

а) изучение методов проектирования и разработка электронных устройств в соответствии с данными технического задания;

б) расчет статических и динамических параметров электрических устройств;

в) практические применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электрических устройств.

В качестве объекта проектирования используется двухкаскадное усилительное устройство переменного тока с обратными связями.

Расчет данной работы сначала производится вручную, после чего моделируется на ЭВМ в пакете MicroCap.

1. Расчет числа каскадов

Найдем коэффициент передачи усилителя с ООС:

Определим число каскадов n:

1) Пусть n=1, тогда:

Корень с отрицательным знаком:

Коэффициент передачи усилителя без ООС:

Так как K>10, то n?1

2) Пусть n=2, тогда:

Корень с отрицательным знаком:

Так как 10<K<100, то число каскадов n=2. Расчет числа каскадов закончен.

2. Расчет выходного каскада

усилитель двухкаскадный отрицательный обратный связь

Схема усилительного каскада имеет следующий вид:

2.1 Выбор рабочей точки

Рабочая точка имеет координаты:

Отсюда:

Оценим мощность усилителя:



Так как P_к<0,3 Вт, то имеем транзистор маломощностной

Для мощных транзисторов

Получаем рабочую точку А(10 мА; 8 В)

Строим выходную ВАХ для схемы с ОЭ (График 1).

E_п=2U_кэА=28=16 В

Через 2 точки (А и E_п) проводим линию нагрузки.

Находим R_к:

Для хорошей термостабилизации выбираем

Уравнение линии нагрузки имеет вид:

а) При I_кА=0;

U_кэА=E_пА=16 В

б) При U_кэА =0;

Выбираем E_пА` ближайшее большее число их стандартного ряда: 5,6; 6,3; 10;12,6; 24; 36; 40; 50;….

E_пА` (В)=24 В, наносим данную точку на график.

Через точку E_пА` проводим линию параллельную линии нагрузки.

Через т. А проводим перпендикуляр к линиям нагрузки и переносим т. А в т. А`.

Опускаем перпендикуляр на соответствующие оси. Получаем А`(17,5мА; 9,3В).

По переменному току емкость С₂ закорачивается и в коллекторной цепи транзистора к сопротивлению Rк параллельно подключается. //, поэтому новая линия нагрузки (динамическая линия нагрузки) пойдет под углом через т.А`

учитывает разность масштаба по оси тока и напряжения.

Из графика находим U_кэАmax-максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада:U_кэАmax=3,9 В

Так как условиеU_кэАmax>U_нм (3,9>7,07) не выполняется, то Еп не выбираем 24 В и проделываем аналогичную операцию по переносу рабочей точки.

Из графика находим U_{кэА`max</sub>-максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада:U<sub>кэА`max}=7,01 В.

Так как условиеU_кэА`max>U_нм (7,01>7,07) не выполняется, то Еп не выбираем 27 В и проделываем аналогичную операцию по переносу рабочей точки.

Из графика находим U_кэA''_max-максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада:U_кэA''_max=7,7 В.

Так как условие U_кэA''_max>U_нм (7,7>7,07) выполняется, то т. A'' переименовываем в т. Р, и выбор рабочей точки закончен.

Получаем рабочую точку Р(21мА; 10 В) (График 2).

2.2 Выбор транзистора

В качестве транзистора для выходного каскада выбираем биполярный транзистор 2SA1200

Рассчитанные значения	Предельно допустимые значения 2SA1200
p-n-p	p-n-p

На выходной ВАХ строим гиперболу максимальной рассеиваемой мощности (График 3):

№	1	2	3	4	5	6
	6	8	10	15	20	25
	83	62	50	33,3	25	20

Так как гипербола расположена выше обеих линий нагрузок (не пересекает их), то транзистор выбран правильно.

Входная ВАХ для схемы с ОЭ Iб=f(Uбэ)|Uкэ=const.

Их выходной ВАХ определяем:

1) коэффициент усиления по току для схемы с ОЭ:

Расчет производим следующим образом:

а) проводим вертикальную линию параллельную Iк через точку Р;

б) на линии Uкэр=const откладываем т. А и т. В

“B”=Iб1=0,25мА;

“A”=Iб2=0,15мА;

в) для точек А и В определяем IкА и IкВ:

2) По графику, зная и , проводим

Из входной ВАХ находим:

1) Зная определяем (График 4):

2) Определяем входное сопротивление транзистора для схемы с ОЭ:

Из справочника для выбранного транзистора находим , будем использовать обратный ток коллекторного перехода , и уменьшаем его в 10 раз. В справочнике . Возьмем

Определим :

Для транзистора 2SA1200(Si) A(Si)=2,5

Найдем изменение тока от температуры:

Коэффициент температурной нестабильности:



Каскад хорошо термостабилизирован (то есть изменение температуры незначительно влияет на работу каскада), так как коэффициент находится в интервале .

Расчет делителя напряжения:

Условие выполняется,

Предварительный расчет коэффициента усиления:

Так как предыдущий каскад не рассчитан, то выходного каскада приравниваем к этого же каскада:



Результаты расчета выходного каскада:

=810 Ом;

=81 Ом;

=2493 Ом;

=264 Ом;

=193 Ом;

= -4,3

3. Расчет входного каскада

Необходимые параметры для расчета входного каскада:

2)

3)

3.1 Выбор рабочей точки

Рабочая точка имеет координаты:

Отсюда:

Оценим мощность усилителя:

Так как P_к =15 мВт, то имеем транзистор малой мощности

Для маломощных транзисторов



Получаем рабочую точку А(10 мА; 3 В)

Строим выходную ВАХ для схемы с ОЭ .

E_пА= 6 В

Найдем R_к:

Выбираем

Уравнение линии нагрузки примет вид:

а) При I_кА=0;

U_кэА=E_пА=6 В

б) При U_кэА =0;

Линия нагрузки (динамическая линия нагрузки) пойдет под углом через т. Р:

учитывает разность масштаба по оси тока и напряжения.

Из графика находим U_кэА'_max-максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада: U_кэА`max=3,2 В

Так как условие U_кэА'_max>U_нм (3,2>1,75) выполняется, то т. А переименовываем в т. Р, и выбор рабочей точки закончен.

Получаем рабочую точку Р(14 мА; 5,2В) (График 5).

3.2 Выбор транзистора

В качестве транзистора для выходного каскада выбираем биполярный транзистор 2SA1200

Рассчитанные значения	Предельно допустимые значения 2SA1200
p-n-p	p-n-p

На выходной ВАХ строим гиперболу максимальной рассеиваемой мощности (График 6):

№	1	2	3	4	5	6
	6	8	10	15	20	25
	83	62	50	33,3	25	20

Так как гипербола не пересекает линии нагрузки, то транзистор выбран правильно.

Входная ВАХ для схемы с ОЭ Iб=f(Uбэ)|Uкэ=const.

Их выходной ВАХ определяем

1) коэффициент усиления по току для схемы с ОЭ:

2) По графику, зная и , проводим

Из входной ВАХ находим:

1) Зная определяем (График 7):

2) Определяем входное сопротивление транзистора для схемы с ОЭ:

Из справочника для выбранного транзистора находим , будем использовать обратный ток коллекторного перехода , и уменьшаем его в 10 раз. В справочнике . Возьмем

Определим :

Для транзистора 2SA1200(Si) A(Si)=2,5

Найдем изменение тока от температуры:

Коэффициент температурной нестабильности:

Каскад хорошо термостабилизирован (то есть изменение температуры незначительно влияет на работу каскада), так как коэффициент находится в интервале .

Расчет делителя напряжения:

Условие выполняется.

входного каскада в исходных данных:

Коэффициент усиления по напряжению:

Уточним коэффициент усиления по напряжению выходного каскада:

Результаты расчета входного каскада:

=300 Ом;

=30 Ом;

=965 Ом;

=133 Ом;

=193 Ом

=54 Ом;

= -25,5

Общий коэффициент усиления:

Условие выполняется (> 32,92).

4. Расчет емкостных элементов

1) Для выходного каскада:

2) Для входного каскада:

5. Расчет цепей обратной связи

Для двухкаскадного усилителя:

Сопротивление цепи обратной связи.

6. Моделирование схемы на ЭВМ

6.1 Моделирование выходного каскада

Амплитуда входного сигнала	1,75 B
Амплитуда выходного сигнала	7,07 B
Коэффициент усиления	4.04

Рис.1. Схема выходного каскада

Рассчитанные значения	Скорректированные значения
R1	R2	C1	R1	R2	C1
2493 Ом	264 Ом	5 мкФ	3228 Ом	290,4 Ом	68 пФ



Рис.2. Входной (узел 7) и выходной (узел 6) сигнал

6.2 Моделирование входного каскада

Амплитуда входного сигнала	0,3 B
Амплитуда выходного сигнала	1,75 B
Коэффициент усиления	5.83

Рис. 3. Схема входной каскад

Рассчитанные значения	Скорректированные значения
R1	C1	R1	C1
965 Ом	14 мкФ	772 Ом	0,5 нФ

Рис. 4. Входной (узел 1) и выходной (узел 5) сигнал

6.3 Моделирование усилителя без ООС

Амплитуда входного сигнала	0,3 B
Амплитуда выходного сигнала	7,07 B
Коэффициент усиления	23.56 (34 дб)

Рис. 5. Схема усилителя без ООС



Рис. 6. Входной и выходной сигнал усилителя без ООС

Рис. 7.АЧХ и ФЧХ усилителя без ООС

6.4 Моделирование усилителя с ООС

Амплитуда входного сигнала	0,3 B
Амплитуда выходного сигнала	7,07 B
Коэффициент усиления	23.56 (27 дб)

Рис.8. Схема усилителя с ООС



Рис.9. Входной и выходной сигнал усилителя с ООС

Рис.10. АЧХ и ФЧХ усилителя с ООС

6.5 Построение в MathCad

Рис.11. Частотная зависимость



Рис.12. Частотная зависимость

Рис.13. Частотная зависимость

7. Спецификация

Поз. обозначение.	Наименование	Кол.	Примечание
	Входной каскад на биполярном p-n-p транзисторе		рис. 3
Ep	Источник питания	1
V1	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор 2SA1200	1
	Резисторы
R1	772 Ом	1
R2	133 Ом	1
R3	300 Ом	1
R4	30 Ом	1
Rg	70 ОМ	1
RH	193 ОМ	1
	Конденсаторы
С1	0,5 нф	1
С2	4 мкф	1
Ce	2653 мФ	1
	Выходной каскад на биполярном p-n-p транзисторе		Рис. 1
Ep	Источник питания	1
V1	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор 2SA1200	1
	Резисторы	1
R1	3228 Ом	1
R2	290,4 Ом	1
R3	810 Ом	1
R4	81 Ом	1
RH	1000 Ом	1
Rg	300 Ом	1
	Конденсаторы
C1	68 пкФ	1
C2	1 мкФ	1
Ce	265 мкФ	1
	Усилитель с обратной связью	1	рис. 8
V1	Генератор входного сигнала	1
Ep_1,Ep_2	Источники питания	1
Q1	Транзистор 2SA1200	1
Q2	Транзистор 2SA1200	1
	Резисторы	1
R1_1	617,6 Ом	1
R2_1	106,4 Ом	1
R1_2	2620 Ом	1
R2_2	228 Ом	1
Rg	112,5 ОМ	1
R_H	1000 ОМ	1
Rk_1	300 Ом	1
Re_1	30 Ом
Rk_2	810Ом	1
Re_2	81 Ом	1
R3	1520 Ом	1
	Конденсаторы
C1	0,8 нФ	1
C2	17,88 пкФ	1
C3	99 пкФ	1
Ce_1	0,1 мкФ	1
Ce_2	0,15 мкФ	1
C4	7,08 фФ	1

Заключение

Теория обратной связи показывает, что при введении отрицательной обратной связи по напряжению коэффициент усиления усилителя уменьшается в А раз, но во столько же раз уменьшается его относительная нестабильность, внутренние шумы усилителя, коэффициент нелинейных искажений и выходное сопротивление (отрицательная обратная связь по току стремится уменьшить изменения тока в нагрузке, что означает возрастание выходного сопротивления усилителя). Одновременно, примерно, в А раз уменьшается нижняя граничная частота и возрастает верхняя граничная частота.

Таким образом, отрицательная обратная связь по напряжению (ООС) -- мощное средство улучшения ряда параметров усилителя, но достигается за счет уменьшения коэффициента усиления и усложнения схемы усилителя, при необходимости получить заданное усиление.

Усилитель с ООС может изменять не только амплитуду сигнала, но и его фазу.

В результате данной работы был получен усилитель, работающий на низких частотах в пределах от 90 Гц до 25 кГц. Данные, полученные в результате теоретического расчета, и данные из MicroCap имеют отклонения. Это может быть связано в первую очередь с тем, что зарубежные аналоги, используемые в среде MicroCap, отличаются от отечественных транзисторов, которые использовались непосредственно в теоретических расчетах.

Библиографический список

1. Усилитель переменного тока с ООС. Методические указания 2654.

2. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 902с.

3. Перельман Б.Л. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. - М.: Радио и связь, 1981. - 636с.

4. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. - М, 1993. - 299с.

5. Симонов Ю.Л. Усилители промежуточной частоты. -- М.: Советское радио, 1973.

6. Букреев С.С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. -- М.: Советское радио, 1972.

7. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. -- М.: Радио и связь. 1983.

8. Рамм Г.С. Электронные усилители.

9. Шамшин В.Г. История технических средств коммуникации, 2003.

10. Пытьев Ю.П. Методы моделирования. Москва-Физмат.

11. Черненький В.М. Имитационное моделирование, Москва: Высшая школа.

Размещено на Allbest.ru