3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Поволжский государственный технологический университет

Кафедра ИБ

Расчет схемы двухкаскадного усилителя постоянного тока

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Электроника и схемотехника»

Йошкар - Ола, 2014

Аннотация

двухкаскадный ток усилитель

В данной пояснительной записке представлены описание схемы, входных и выходных характеристик, расчетные методики двухкаскадного усилителя постоянного тока. В соответствии с заданием рассчитаны необходимые параметры схемы.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать схему двухкаскадного усилителя постоянного тока со следующими параметрами:

- напряжение питания Е_п = +25 В;

- диапазон изменения входного сигнала U_вх = 5 мВ;

- максимальный размах выходного напряжения U_вых = 100 мВ;

- сопротивления источника сигнала R_вн = 100 Ом;

- сопротивление нагрузки R_н = 1 кОм.

Содержание

Введение

1. Описание схемы устройства двухкаскадного усилителя постоянного тока

2. Расчет двухкаскадного усилителя постоянного тока

2.1 Электрические расчеты

2.2 Выбор обоснования элементной базы

Заключение

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без электронных средств автоматизации управления и контроля, которые служат для получения, обработки и использования информации.

В настоящее время в современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным, и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Усилители электрических сигналов, применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

Усилители постоянного тока широко используются в технике физического эксперимента и радиоизмерительных устройствах - электронных вольтметрах, высокочувствительных гальванометрах, осциллографах, в схемах различных стабилизаторов. В усилителях постоянного тока применяется непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Поэтому база транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяется с коллектором транзистора предыдущего каскада. Гальваническое соединение связано с необходимостью согласования режимов соседних транзисторов по постоянному току.

В данном курсовом проекте рассматривается схема двухкаскадного усилителя постоянного тока с непосредственной связью между каскадами.

1. Описание схемы двухкаскадного усилителя постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) служат для усиления медленно меняющихся сигналов, значение которых после изменения остается постоянным сколь угодно долго. Нижняя рабочая частота УПТ , а высшая - определяется назначением усилителя и условиями его работы.

Рис. 1. Схема двухкаскадного УПТ с непосредственной связью между каскадами.

В УПТ для связи между каскадами усилителя приходится включать элементы, способные проводить постоянный ток. Такая связь вносит в УПТ ряд специфических особенностей: затрудняет установку нужного режима транзисторов и требует компенсации постоянного напряжения на нагрузке в режиме покоя.

Особенно сложной задачей в УПТ является обеспечение высокой стабильности работы усилителя при изменениях напряжений источников питания, режимов работы транзисторов, их параметров и сопротивлений резисторов. Существенное влияние на дрейф нуля оказывает температурная нестабильность обратного тока коллектора. Любые, даже очень медленные изменения перечисленных величин, вызывают изменения токов и напряжений, которые передаются на выход усилителя и приводят к изменениям

выходного сигнала (дрейфу выходного сигнала или дрейфу нуля). В многокаскадных УПТ наибольшую опасность представляет нестабильность первого каскада, так как его нестабильность усиливается последующими каскадами. Для уменьшения дрейфа нуля в УПТ применяются различные балансные схемы.

Схема двухскадного УПТ с непосредственной связью между каскадами изображена на рис.1. В этой схеме выход предыдущего каскада гальванически соединен с входом последующего. Напряжение смещения на базе второго транзистора равно U_БЭ2=U_К1-U_Э2. Компенсация постоянного напряжения на нагрузке в режиме покоя достигается включением делителя напряжения R₁, R₂. Сопротивления этих резисторов выбирают из условий баланса мостовой схемы, в которую включена нагрузка R_Н:

R_k2R₂ = R₁(R_Э2 + R_O), (1)

где R_о=|U_КЭ2|/I_К2 -- сопротивление транзистора Т₂ в режиме покоя, и условия для делителя напряжения

R₁R₂ / (R₁ + R₂) ? (0,1ч0,2) R_Н. (2)

Источником входного сигнала Е_С с внутренним сопротивлением R_c может служить фотосопротивление, термопара или другой датчик.

По уравнению для токов и напряжений первого каскада усилителя в режиме покоя

I₁ = I_К1 + I_Б2; |U_КЭ1| = Е_К - I₁R_К1 - I_Э1R_Э1

получим сопротивление резистора

= (3)

Напряжение |U_э1 | = I_э1R_э1 выбирают в пределах (0,05ч0,2) Е_к, при этом для эффективной стабилизации режима транзистора необходимо, чтобы

Rэ >> Rвх.б.

Аналогично для второго каскада получим:

, (4)

Входное сопротивление первого каскада

,

где входное сопротивление транзистора Т₁ с учетом ООС

R_вх.т = R_вх.э1 + (1 + h_21э1) R_э1 ? h_21э R_э1,

Входное сопротивление второго каскада

R_вх.2 = R_вх.э2 + (1 + h_21э2) R_э2 ? h_21э2 R_э2,

Сопротивление нагрузки для первого каскада

R'_н1 = R_к1R_вх2 / (R_к1 + R_вх2),

Коэффициент усиления напряжения соответствующих каскадов

K ? h_21э,(5)

При h21>> 1, что практически всегда соблюдается,

K₁ ? h_21э; K₂ ? h_21э .

2. РАСЧЕТ ДВУХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 Электрический расчет

Рассчитаем двухкаскадный УПТ с непосредственной межкаскадной связью, если: источником входного сигнала служит датчик, включенный в мостовую схему, напряжение источника питания Е_к = 25В; максимальные изменения входного сигнала ?U_вх = 5мВ; внутреннее сопротивление источника входного сигнала Rc = 100Ом; сопротивление нагрузки R_n = 1 кОм; требуемое максимальное изменение выходного напряжения ?U_вых = 100 мВ; температура окружающей среды t°_0кp = 20°С.

Рассчитать усилитель можно в следующем порядке:

1. По заданному напряжению Е_к выбираем транзисторы (n-p-n, т.к. напряжение питания положительно) с максимально допустимым напряжением |U_кэмакс| ? Е_к возможно малым обратным коллекторным током I_КБО Берем. для обоих каскадов транзистор КТ3102А со следующими параметрами |U_кэмакс| =25В; I_Кмакс = 100 мА; I_Кбо = 2 мкА, t°_кмакс = 85°С; Р_{Кмакс2о°} = 200 мВт; h_11э= 500 Ом, h_21э=100.

2. Определяем режим покоя для транзистора второго каскада. Согласно формуле (1) (Л.Н.Бочаров «Расчет электронных устройств на транзисторах, стр.6») выбираем |U_кэ2|=11 В. Так как до расчета сопротивлений резисторов R₁, R₂ и R_K2 оценить значение R'_н2 и выбрать ток I_к2 затруднительно, то находим его из условия I_к2 ? 0,5I_кмакс. Принимаем I_к2 = 10 мА. Выбранной точке покоя П (рис. 2) соответствует ток I_Б2 =300 мкА. По входным характеристикам транзистора находим напряжение U_БЭ2 = 0,135 В, соответствующее току I_Б2 в точке покоя.

3. Проверяем режим покоя на соответствие допустимой рассеиваемой мощности коллектора

P_k = U_кэI_к2 ? P_кмакс,

где максимально допустимая мощность при наибольшей температуре окружающей среды t°_0кp = 40°С:

P_кмакс = Р_{Кмакс2о°}

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р_к = 11*10*10^(-3) =110 мВт <P_кмакс = 138 мВт.

4. Приняв напряжение |U_э2| = I_э2R_э2 = (I_к2 + I_б2) R_э2 = 0,3E_к = 0,3*25 = 7,5В, определяем сопротивление резисторов:

R_э2 = = 750 Ом.

При этом |U_э2| = I_э2R_э2 = 30,1*10^(-3) * 250 = 7,52 В и

R_к2 = 620 Ом

R_э2 = 250 Ом >> R_вхб2 = h_11э/h_21э ? 5 Ом. Если окажется, что R_э2 < (5ч10) Rвх.б2, то необходимо увеличить сопротивление резистора R_э2 так, чтобы выполнялось условие R_э2?R_вх.б2 (5ч10), и вновь найти R_э2

5. Согласно условиям (1) и (2) определяем сопротивления делителя. Задаваясь сопротивлением R₁ + R₂ = 0,1R_н = 100 Ом, находим R₁ = 1,05 кОм (1,1 кОм); R₂ = 0,99 кОм (1,0 кОм).

6. Сопротивление нагрузки для второго каскада

R'_н2 = 0,45 кОм,

где R_экв = R_н + R₁R₂/(R₁+R₂) = 1+ ((1,1*1) /1,1+1)) = 1,52

7. Проверяем правильность выбора тока I_к2, для чего рассчитываем требуемую амплитуду тока

I_k2m = 2мА

Таким образом, выбранное нами значение тока Iк2 =10 мА удовлетворяет условию (2). В противном случае необходимо выбрать более подходящее значение тока Iк2 и повторить расчет по пунктам 4--6.

8. Коэффициент усиления напряжения второго каскада к

K₂ ?

9. Необходимое входное напряжение второго каскада

?U_вх2 = ?U_вых1 = ?U_вых/K₂ = 0,1/1,8 = 55 мВ

10. Напряжение U_k1 в режиме покоя

U_k1 = U_э2 + U_бэ2 = (-7,5)+(-0,138) = - 7,64В

11. Выбираем точку покоя транзистора Т1. Задаваясь значением U_э1 = 0,05Е_к = 0,0530= 1,25 В, находим

U_кэ1 = (U_к1 - U_э1) = -7,64 - (-1,25) = -6,39 В.

Необходимое изменение коллекторного тока первого транзистора

?I_к1 = ?U_вых1/R'_н1 ? ?U_вых1/R_к1

в режиме покоя нужно обеспечить ток

I_к1 ? ?I_k1 + (1+h_21э)I_кбо40° = ?U_вых1/ R_к1 + (1+h_21э) I_кбо40°,

где I_кбо40° = I_кбо20°*2^(40-20)/10 = 2*2² = 8 мкА - обратный коллекторный ток при максимальной температуре окружающей среды t°_0кp = 40°С. Подставляя в выражение для I_k1 сопротивления резистора R_к1 (3), находим:

I_к1 = =

= 12мА

Выбранной точке покояU_кэ1 = -6,4 В и I_к1 =12 мА соответствует ток I_б =200 мкА и напряжение U_бэ1 = -0,2 В, которое определяем по входным характеристикам транзистора (рис. 2).



Рис.2. Входная(а) и выходная(б) статические характеристики транзистора КТ3102А.

12. Сопротивления резисторов:

R_к1 = 2кОм;

R_э1 = 100кОм;

R_б = 15,7 кОм(16 кОм),

где I_rб = I_rc + I_б1 = .

В выражении для I_rб значения E_c, U_бэ1, U_э1 подставляются со своим знаком. В нашем случае в режиме покоя E_c = 0.

13. Входное сопротивление усилителя

R_вх = R_вх1 6 кОм

и коэффициент усиления первого каскада

K₁

Общий коэффициент усиления напряжения

К = К₁К₂ = 15*1,8 = 27

с некоторым запасом обеспечивается требуемое усиление К_тр = ?U_вых/?U_вх = 20. Если окажется K₁<К_тр, то для получения этого усиления можно попытаться изменить сопротивления R_н и R_э или применить еще один каскад усиления.

14. Определяем дрейф выходного напряжения. Для этого находим изменения обратных коллекторных токов транзисторов ?I_КБО при изменении температуры окружающей среды в пределах 20--40°С и коэффициент нестабильности первого каскада q1:

?I_КБО = I_кбо40° - I_кбо20° = I_кбо20° = 5(2² - 1) = 15мкА;

q₁ = 10,

где N = 1 + R_э1/R_б + R_э1/R_c = 1 + 0,1/16 + 0,1/1 = 1,1,

h_21б = h_21э/ (1 + h_21э) = 100/(1+100) = 0,99.

Нестабильность (дрейф) коллекторного тока первого транзистора

?I_к1др=q₁?I_кбо1 = 10*15 = 150мкА.

Изменение (дрейф) тока нагрузки первого каскада ?I_1др с учетом направления обратных токов ?I_кбо1 и ?I_кбо2 равен

?I_1др = q₁?I_кбо1 - ?I_кбо2 = 150 - 15 = 135 мкА.

Дрейф входного напряжения второго каскада

?U_вх2др = ?I_1дрR'_н1 = 135*10^(-6) *1,5*10^3 = 0,2

В и дрейф выходного напряжения усилителя

?U_вых2др = ?U_вх2дрК₂ = 0,2*1,8 = 0,36 В.

Дрейф выходного напряжения составляет 3,6% значения входного сигнала. Дрейф выходного напряжения составляет можно уменьшить, если выбрать транзистор T₂ с током I_кбо2 > I_кбо1. Например, выберем транзистор T₁ с обратным током I_кбо20° = 2 мкА, а транзистор Т₂ - с I_кбо20° = 5 мкА. Тогда ?I_кбо1 = 6 мкА; ?I_кбо2 = 15 мкА; ?I_1др = 2,4 мкА; ?U_вых.др. = 0,05 В(составляет 0,5% выходного сигнала). Если такая нестабильность недопустима, то можно попытаться уменьшить ее соответствующим подбором параметров схемы или применить балансный УПТ.

Недостатком рассматриваемой схемы УПТ является то, что для обеспечения режимов покоя транзисторов сопротивления резисторов R_н и R_э должны удовлетворять условиям:

R_нn < _Rн(n-1); R_эn > R_э(n-1),

где n - номер каскада усилителя. Вследствие этого коэффициент усиления напряжения убывает от каскада к каскаду, т.е. K_n < K_n-1. Поэтому проектирование такого усилителя с числом каскадов более трех-четырех оказывается нецелесообразным.

2.2 Выбор и обоснование элементной базы

На основании приведенного выше расчета выбираем элементы (для схемы электрической принципиальной):

В качестве транзисторов VТ1, VТ2 был взят биполярный транзистор КТ3102А, со следующими характеристиками:

структура: n-p-n;

максимально допустимый постоянный ток коллектора: 100мА

максимально допустимый импульсный ток коллектора: 200мА

максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: 50В

максимально допустимое напряжение коллектор-база: 5В

максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора: 250 мВт

статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: 100-250

обратный ток коллектора: 2мА.

В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов в пункте 2.1. имеем:

R₁ = 16 кОм: МЛТ-0,125-16кОм2%;

R₂ = 100 кОм: МЛТ-0,125-100кОм2%;

R₃ = 2 кОм: МЛТ-0,125-2кОм2%;

R₄ = 750 Ом: МЛТ-1-750Ом2%;

R₅ = 620 Ом: МЛТ-1-620Ом2%;

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была рассчитана схема двухкаскадного усилителя постоянного тока с заданными характеристиками:

- напряжение питания Е_п = +25 В;

- диапазон изменения входного сигнала U_вх = 5 мВ;

- максимальный размах выходного напряжения U_вых = 100 мВ;

- сопротивления источника сигнала R_вн = 100 Ом;

- сопротивление нагрузки R_н = 1 кОм;

Были рассчитаны и проверены параметры данной схемы.

список использованной литературы

Бочаров Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах.- М., 1978.

Размещено на Allbest.ru