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	U_>вх>_>m>мВ	R_>г,>Ом	P_>н>, Вт	I_>н,> мA	t^o_>max>, ^oC	∆f	M_>ОСн>(ω)	M_>ОСв>(ω)
f_>н,> Гц	f_>в,> 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 U_>н>_>m> и U_>вх>_>m> рассчитываем K_>oc>

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:

. (1).

Определим число каскадов усилителя.

Пусть число каскадов равно 1 (n = 1):

, ,

где M_>ос>() – 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 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 U_>НМ> и тока коллектора I_>НМ>, которые по заданным значениям U_>Н> и I_>Н> определяются как U_>НМ>=U_>Н> = 44.4 [В] и I_>НМ>=I_>Н>.= = 0.0098 [А].

Определим вид транзистора:

P_>К>= U_>НМ> I_>НМ> =0.43 [Вт], транзистор средней мощности.

Определим напряжение U_>КЭА>_>>из выражения:

=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности U_>ЗАП>= (22.5) [В])

Рис. 1. Схема усилительного каскада

где K_>З>–коэффициент запаса равный (0.70.95)

Е_>П>=2U_>КЭА>=92.88 [B]

Сопротивление R_>K> находим как:

Сопротивление R_>Э>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 K_>M>=1000 масштабный коэффициент.

Выбирая значения E_>П>из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при E_>П>=100 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R_>1>, R_>2>. 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 h_>11Э>_>:>

Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t_>0>; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем . Рекомендуемое значение N вычисленное как

;

Вычислим R_>1>, R_>2>_>:>

где

Корректность расчета оценим вычислением тока I_>дел>, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I_>дел> 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 C_>1>,

C
_>2>, C_>3> 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 Iк_>А> и напряжения Uкэ_>A> в первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Определим вид транзистора:

P_>К>= U_>НМ> I_>НМ> =0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности

Определим напряжение U_>КЭА>_>>из выражения:

=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности U_>ЗАП>= (12.5) [В])

где K_>З>–коэффициент запаса равный (0.70.95)

Е_>П>=2U_>КЭА>=7,1 [B]

Сопротивление R_>K> находим как:

Сопротивление R_>Э>вычисляется:

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом .

; ;

где K_>M>=1000 масштабный коэффициент

Выбирая значения E_>П>из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при E_>П>=10 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R_>1>, R_>2>. Выберем такой транзистор, у которого и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.

где I_>К>,I_>Б> – окрестность рабочей точки А

Найдем ток I_>БА>:

П
о входным характеристикам транзистора определим величину U_>БЭА> =0,71 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h_>11Э>_>:>

Рекомендуемое значение N вычисленное как

;

Вычислим R_>1>, R_>2>_>:>

где

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 C_>1>,

C
_>2>, C_>3> 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

Определим вид транзистора:

P_>К>= U_>НМ> I_>НМ> =0.013 [мВт], транзистор малой мощности

Определим напряжение U_>КЭА>_>>из выражения:

=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности U_>ЗАП>= (12.5) [В])

где K_>З>–коэффициент запаса равный (0.70.95)

Е_>П>=2U_>КЭА>=5.22 [B]

Сопротивление R_>K> находим как:

Сопротивление R_>Э>вычисляется:

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом .

; ;

где K_>M>=10000 масштабный коэффициент

Выбирая значения E_>П>из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при E_>П>=6.3 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

где I_>К>,I_>Б> – окрестность рабочей точки А

Найдем ток I_>БА>:

П
о входным характеристикам транзистора определим величину U_>БЭА> =0,55 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h_>11Э>_>:>

Рекомендуемое значение N вычисленное как ;

Вычислим R_>1>, R_>2:>

где

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 C_>1>,

C
_>2>, C_>3> 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:

;

R_>ОС> = 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