Проектирование многокаскадного усилителя переменного тока с обратной связью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Рязанская государственная радиотехническая академия

Кафедра САПР ВС

Пояснительная записка к курсовой работе по курсу

Электротехника и электроника.

Усилитель с обратной связью.

Выполнил: Студентка группы 041

Гмырина Е. А.

Проверил: Доцент кафедры САПР ВС

Баскакова Ирина Викторовна.

Рязань 2002

Содержание

Введение

Задание

1. Расчетная часть

1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

1.2.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки

1.3 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

1.4 Расчет элементов цепи ООС

1.5 Построение характеристики Мос(щ

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ

3. Приложения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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 3. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.

1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Вычислим амплитудное значение напряжения на выходе:

По формуле

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи усилителя

(1).

Определим число каскадов усилителя, где Mос() - коэффициент частоты каскадов.

Пусть число каскадов n = 1, то

из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kв.



тогда получим корни Kв = 11,852 , выбираем отрицательный корень Kв= - 0,852 и подставляем в уравнение (1), предварительно приведя его к виду K=K_oc(1- Kв)=117,8*(1+0,852)=218,3, с учетом того, что K>10 необходимо увеличить число каскадов.

Пусть n = 2, тогда:

Решая данное уравнение относительно Kв и выбирая отрицательное решение, получаем Kв=-0,266. Тогда K=K_oc(1- Kв)=117,9*(1+0,266)=149,2. Так как K>100, то недостаточно двух каскадов.

Пусть n = 3, тогда:

Решая данное уравнение относительно Kв и выбирая отрицательное решение, получаем Kв=-1,532. Тогда K=K_oc(1- Kв)=117,9*(1+1,532)=298,4.

Усилитель будет строиться на трех каскадах. С учетом полученного n выбираем биполярные транзисторы типа p-n-p.

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора Iк_А и напряжения Uкэ_A 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 Um и тока коллектора Im, которые по заданным значениям Uн и Iн определяются как Uн_m=Uн =11,79 [В] и Iн_m=Iн=17*10^-3 [А].

Определим напряжение Uкэ_А из неравенства: |Uкэ_А| Uн_m + |Uкэ_min|, где Uкэ_min - напряжение на коллекторе соответствующее началу квазигоризонтального участка выходных ВАХ. Пусть Uкэ_min = 1 [В]. Тогда |Uкэ_А| Uн_m + |Uкэ_min|=11,79+1=12,79 [B] примем Uкэ_А = 18 [В] и Iк_АIн_m/K_з, где K_З = 0,7-0,95 выберем K_З = 0,7 , тогда Iк_АIн_m/K_з=17*10^-3/0,7=24,24*10^-3[A] выберем Iк_А=3*10^-3 [А].

Рис.1. Схема усилительного каскада

Выбираем ориентировочно E_п > 2* Uкэ_А=36 [B], выбираем из стандартного ряда значений Е_п=36 [B]. При изменяющемся входном токе Iк и Uкэ будут изменяться. Сначала предположим, что Rэ отсутствует, тогда уравнение линии нагрузки будет иметь вид:



Rн=U_н / I_н =8,3/(12*10^-3) =700 [Ом];

Rэ=(0,10,3) R_k примем Rэ =60 [Ом];

Теперь уравнение линии нагрузки будет

E_п=I_k*R_k+Uкэ+ I_э*R_э ; I_kI_э.

Находим новую точку А: UкэА=18 [B], IkA=27 [мА].

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно R_k включается R_н. Для переменного сигнала I_k(Uкэ) 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 ц.

где

(R_k ||R_н)=322 [Oм], тогда

Проверим значения амплитуд тока I_m и напряжения U_{m И} U'_m.

Очевидно, что U_{m И} U'_m меньше, чем U_mn, а значит следует подключить эмиттерный повторитель.

R = (UkA+0.2)/I_н R= 1367[Oм]

Соответственно сопротивление нагрузки Rн каскада заменяется на

R'н=(1+h_21э)(R||Rн)

Выберем такой транзистор у которого P_max>P_к, Uкэmax>Е_п и Iк_max>2*IкА. В данном случае таким транзистором может быть транзистор ГТ405А. У этого транзистора P_max=0,6 [Вт] (P_к=0,486[Вт]), Uкэmax=40 [В] (Е_п=36 [B]), Iк_max=500 [mA] (2*IкА=2*27=54 [mA]).

При данном значении Е_п=36 [B] условие Uкэ_max^(m) Uн_m выполняется.

Из параметров и ВАХ транзистора в рабочей точке и ее окрестностях определяем

h_21э=(?Ik)/(?Iб)=100; h_11э=(?U_бэ)/(?I_б) =333 [Ом]; I_бA=0,34 [мA];

U_бэА=0,45 [В].

Рассчитаем R'н=42,2 [кОм], Новый угол ц=59^? удовлетворяет выходной амплитуде Umн.

1.2.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R₁ , R₂ . Рассчитаем величину Iк₀ по следующему эмпирическому соотношению:

?T/10 (50-25)/10

Iк₀=| I_kб0 (T₀)*(A - 1)|=|0,0025*10^-3*(2 -1)|=1,414*10^-4 [A] ,

где I_kб0 (T₀) - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре T₀ ; А = 2 для германиевых транзисторов. ?Iк₀ вычислим как ?Iк₀ = Iк₀ - Iк₀(T₀) = 1,127*10^-4 [A]. Температурные изменения тока целесообразно ограничить диапазоном ?Iк=(0,0010,01)*Iк_m, выберем ?Iк=2,727*10^-4 [A]. Рекомендуемое значение N вычисленное как N=(?Iк)/(?Iк₀)=2,727*10^-4 / 1,127*10^-4 =2,42.

По найденным значениям Rэ и N найдем R₂:

R2=(N-1)Rэ=85 [Ом].

I_эА= IкА+ I_бA=28 [мА]

Рассчитаем R₁:

R1=1352 [Ом]

Произведем расчет R_вх:

R_вх= h_11э||R1||R2 R_вх=66 [Ом].

Для промежуточного и входного каскада расчет произведем по той же схеме с тем же транзистором из расчета того, что назначенный коэффициент усиления выходного каскада К равен 9 и U'_mн промежуточного каскада будет равно U_mн/9, а сопротивление нагрузки будет равно входному сопротивлению выходного каскада, коэффициент усиленя промежуточного каскада будет равен 8, U''_mн входного каскада будет равно U'_mн/8,. Расчетные данные представлены в таблице 1.

1.3 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис.1) значение емкостей конденсаторов C₁ ,C₂ , C_Э рассчитаем по следующим формулам:

1.4 Расчет элементов цепи ООС

По вычисленным в п. 1.1. значениям kв и K рассчитаем величину

Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:

R_ОС = 9950 [Ом].

1.5 Построение характеристики Мос(щ)

Построим частотную зависимость Moc(щ). В данном случае выражением этой зависимости будет

Выражения для Mос_в() и Mос_н() одинаковы по виду, но для различных частотных диапазонов предполагают подстановку разных значений X, а именно:

для области средних и верхних частот и для области нижних и средних частот.

Масштаб оси частот выбираем в десятичных логарифмах круговой частоты. На оси частот отметим точки щ_н и щ_в.



2. 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.

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 значение K_U[дБ], а также значения нижней и верхней частот и фазы соответствующие этим частотам.

Значением K_U будет значение на графике АЧХ в области средних частот, в данном случае - это значение равно 42 [дБ]

Реально достигнутый коэффициент K найдем из графика переходной характеристики:

а) для усилителя без обратной связи

б) для усилителя с обратной связью



Рис.2 Схема усилителя с ООС.

Рис.3 Схема входного каскада.

Рис.4 Схема промежуточного и выходного каскадов.



Рис.5 Переходная хар-ка входного каскада.

Рис.6 Переходная хар-ка промежуточного каскада.



Рис.7 Переходная хар-ка выходного каскада.

Рис.8 Переходная хар-ка усилителя без ООС.



Рис.9 Переходная хар-ка усилителя с ООС.

Рис.10 Анализ АС.

3. Приложения

многокаскадный усилитель моделирование ток

Табл. 1. Результаты вычислений.

Вычисления	Выходной каскад	Промеж. каскад	Входной каскад
Umн	11,79	1,3	0,16 В
Imн	17*10-3 А	20*10-3 А	1,8 мА
Rн	700 Ом	66 Ом	90 Ом
Rk	600 Ом	840 Ом	12210 Ом
Rэ	60 Ом	84 Ом	1221 Ом
UкэА	18 В	10 В	1,9 В
Iкa	27*10-3 А	30*10-3 А	2,54*10-3 А
ц	72є	86є	85є
R	1367 Ом	732 Ом	2068 Ом
R'н	42 кОм	39 кОм	55 кОм
ц'	57є	50є	5є
IбА	0,34*10-3 А	0,4*10-3 А	0,15*10-3 А
UбэА	0,45 В	0,34 В	0,16 В
h21э	100	100	100
h11э	333 Ом	400 Ом	500 Ом
R1	1350 Ом	1500 Ом	13,5 кОм
R2	85 Ом	126 Ом	1530 Ом
Rвх	66 Ом	90 Ом	367 Ом
С1	8*10-6 Ф	5*10-6 Ф	12*10-6 Ф
С2	4*10-6 Ф	8*10-6 Ф	5*10-6 Ф
Сэ	478*10-6 Ф	398*10-6 Ф	955*10-6 Ф

Перечень элементов

Поз. Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
	Входной каскад на биполярном p-n-p транзисторе		Рис. 3
VTEST	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор ГТ 405 А	2
	Резисторы
R1	50 Ом	1
R2	14 кОм	1
R3	1530 Ом	1
R4	12210 Ом	1
R5	1220 Ом	1
R6	2068 Ом	1
R7	90 Ом	1
	Конденсаторы
С1	12 мкФ	1
С2	0,001 нФ	1
С3	3 мкФ	1
	Промежуточный каскад на биполярном p-n-p транзисторе		Рис. 4
VTEST	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор ГТ 405 А	2
	Резисторы
R1	1.5 кОм	1
R2	126 Ом	1
R3	840 Ом	1
R4	84 Ом	1
R5	500 Ом	1
R6	66 Ом	1
	Конденсаторы
C1	3 мкФ	1
C2	0,001 нФ	1
C3	3 мкФ	1

	Выходной каскад на биполярном p-n-p транзисторе		Рис. 4
VTEST	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор ГТ 405 А	2
	Резисторы
R1	1350 Ом	1
R2	65 Ом	1
R3	600 Ом	1
R4	60 Ом	1
R5	300 Ом	1
R6	700 Ом	1
	Конденсаторы
C1	3 мкФ	1
C2	0,001 нФ	1
C3	10 мкФ	1
Поз. Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
	Усилитель с обратной связью		Рис. 2
VTEST	Генератор входного сигнала	1
Q1	Транзистор ГТ 405 А	6
	Резисторы
R1	50 Ом	1
R2	14 кОм	1
R3	1530 Ом	1
R4	12210 Ом	1
R5	1220 Ом	1
R6	2068 Ом	1
R7	1500 Ом	1
R8	126 Ом	1
R9	840 Ом	1
R10	84 Ом	1
R11	500 Ом	1
R12	1350 Ом	1
R13	85 Ом	1
R14	600 Ом	1
R15	60 Ом	1
R16	300 Ом	1
R17	10 кОм	1
R18	960 Ом	1
	Конденсаторы
С1	12 мкФ	1
С2	0,001 нФ	1
С3	3 мкФ	1
С4	0,001 нФ	1
С5	3 мкФ	1
С6	0,001 нФ	1
С7	10 мкФ	1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной курсовой работы были изучены методы проектирования и разработки электронных устройств в соответствии с данными технического задания. Был произведен расчет 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 MicroCap 3. В ходе курсового проектирования было проведено моделирование усилителя в частотной и временной областях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань. : РГРТА, 1997. 36 с.

2. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Энергоатомиздат 1985.

3. 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.

4. Н.А. Кажакин, А.В. Захаров. Машинный анализ линейных схем: Методические указания к практическим занятиям. - Рязань. : РРТИ, 1993. 28 с.

5. П. Хоровицб У. Хилл. Искусство схемотехники. 1993г.

Размещено на Allbest.ru