Проектирование и расчет усилителей

Курсовой проект на тему:

" Проектирование и расчет усилителей"

Минск 2011

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных полей.

Целью курсового проекта являлся расчет и моделирование заданных схем.

В первом разделе проекта раскрывается понятие электронного усилителя, приводится принцип его работы, рассматриваются различные типы электронных усилителей и их параметры и характеристики. Во втором разделе рассматриваются различные виды обратных связей в усилителях и результаты из воздействия на работу электронных схем. Третий раздел посвящен описанию и анализу электронных усилителей на основе биполярных транзисторов. В этом разделе также проводится сравнительный анализ параметров усилителей с различным включением транзисторов в схемах, рассматриваются вопросы температурной стабилизации. В четвертом разделе анализируется состав, параметры, характеристики операционных усилителей.

В пятом разделе выполнен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с техническим заданием. В шестом разделе выполнен расчет усилителя низкой частоты на основе операционного усилителя. В седьмом разделе выполнен расчет параллельного сумматора на операционном усилителе. В восьмом разделе представлены результаты моделирования схем, рассчитанных в предыдущих разделах.

электронный усилитель биполярный транзистор

1. Понятие, классификация, параметры, характеристики усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U_вх, источник питания U_п и нагрузочное устройство с сопротивлением Z_н.

Рисунок 1.1 — Структурная схема усилительного устройства

Входной сигнал U_вх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.

Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй — инверсным.

Классификация усилителей производится по многим признакам: по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов; по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности; по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот; по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.

В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основными характеристиками любого усилителя являются:

— амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость: U_вых = ф (U_вх). Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат;

— амплитудно-частотная характеристика (АЧХ): U_вых = ф (f) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;

— фазово-частотная характеристика U_вых = ф () отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала;

— переходная характеристика — отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы.

Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным либо апериодичным.

Важнейшими параметрами усилителя являются:

— коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P:

где I_вх, I_вых, U_вх, U_вых, P_вх, P_вых — действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя.

— полоса пропускания усилителя 2f — характеризует частотные свойства усилителя. (Измеряется на уровне 0,707 от K_max).

Рисунок 1.2 — Характеристики усилителя: амплитудная (а), амплитудно-частотная (б), фазово-частотная (в) и переходная (г).

Для наглядности в ряде случаев АЧХ строится в относительных единицах усиления.

где К (f) — коэффициент усиления на частоте f,

K_max — максимальный коэффициент усиления.

Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией от частоты:

Выходная мощность усилителя — это мощность, которая выделяется на нагрузке.

Искажения сигналов в усилителе — это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).

Нелинейные искажения возникают в умножителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений

где А_n — амплитуда n-й гармоники;

А₁ — амплитуда основной гармоники выходного сигнала.

Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.

Рисунок 1.3 — АЧХ усилителя

Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом как правило является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.

При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ (OИ) или с ОК (OC).

2. Использование обратной связи в усилителях

Обратная связь осуществляется подачей части напряжения или тока с выхода устройства на его вход.

Обратная связь применяется, например, в автогенераторах, генерирующих гармонические колебания; очень широко ее используют в усилителях.

Если в автогенераторах применяется положительная обратная связь, поддерживающая колебания, то в усилителях обычно применяется отрицательная обратная связь, позволяющая уменьшить нелинейные искажения и нестабильность усиления, а также изменить в желательную сторону входное и выходное сопротивления.

Структурную схему усилителя с обратной связью можно представить в виде двух усилителей.

Рисунок 2.1 — Структурная схема усилителя с обратной связью

Верхний усилитель имеет в направлении, показанном стрелкой, коэффициент передачи напряжения, равный

где U_вых — напряжение на выходе усилителя;

U_вх — напряжение на его входе.

Нижний усилитель служит для передачи напряжения обратной связи. Его коэффициент передачи в направлении, указанном стрелкой,

где U_oc — напряжение обратной связи, передаваемое с выхода усилителя на его вход.

Это напряжение является частью выходного напряжения. Коэффициент в показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно |в| 1, поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырехполюсник. Реальные активные и пассивные четырехполюсники имеют коэффициенты передачи в обратном направлении, отличные от нуля, но в теории обратной связи они предполагаются равными нулю. Напряжение на входе усилителя, охваченного обратной связью,

Напряжение на выходе усилителя

Следовательно, для усилителя, охваченного обратной связью,

откуда

Полученное соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью. Величина вК характеризует усиление петли обратной связи.

В общем случае величины К', К и в являются комплексными. Если величина вК является вещественной отрицательной или комплексной с модулем K', меньшим модуля К, то обратная связь называется отрицательной.

Если при отрицательной обратной связи | вК | >> 1, то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью.

При отрицательной обратной связи, когда вК < 0, соотношение, связывающее K' и К, часто записывают в виде

считая величины в и К положительными.

Если вК — вещественная положительная или комплексная величина, вызывающая увеличение усиления |K'| < |K|, то обратная связь называют положительной.

При вК = 1 коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью, обращается в бесконечность. Фактически это означает, что на выходе усилителя имеется напряжение при отсутствии напряжения U'_вх, приложенного извне, т. е. усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.

3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

3.1 Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цепи коллектора R_k. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения U_см на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы C_g разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.

При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны: I_k = I_k0 и U_вых = U_вых0.

При поступлении на вход сигнала U_вх он усиливается в К_U раз и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу.

Рисунок 3.1 — Усилительный каскад с ОЭ (а), временная диаграмма его работы (б)

Для усилителя с ОЭ

где

Обычно

не превышает 1…3 кОм.

Коэффициент усиления по току

Рисунок 3.2 — Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы А

Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току и при R_k >> R_н стремится к .

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления K_U возрастает с увеличением и R_н. Обычно KU = 10…100 и выше.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ

Обычно r_кэ >>R_к и R_вых R_к.

3.2 Усилительный каскад по схеме с общим коллектором

Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттерным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й последовательной отрицательной обратной связью по току. В отличие от усилителя по схеме с ОЭ, схема с ОК не инвертирует входной сигнал.

Рисунок 3.3 — Усилительный каскад с ОК

Рассмотрим основные характеристики эмиттерного повторителя:

— коэффициент усиления по току

— коэффициент усиления по напряжению с учетом 100%-й ООС определяется

— входное сопротивление определяется

На базе транзисторного усилителя с ОЭ можно построить источник постоянного тока. Для этого необходимо обеспечить постоянный базовый ток транзистора или ввести постоянную обратную связь по току.

Для повышения коэффициента усиления транзисторного каскада с ОЭ в качестве резистора R_к часто используется нелинейный элемент, статическое сопротивление которого значительно меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае падение напряжения на этом элементе от протекания тока будет определяться его статистическим сопротивлением, а отклонение выходного напряжения — динамическим сопротивлением. Роль нелинейного элемента выполняет транзистор.

Для увеличения коэффициента h_21э транзистора можно использовать каскадное включение нескольких транзисторов. Такие транзисторы называются составными транзисторами или схемами Дарлингтона.

4. Понятие, параметры и характеристики операционных усилителей

Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.

Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.

На упрощенной принципиальной схеме ОУ (рисунок 4.2) дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1, VT2, VT3. Вход 1 называют инвертирующим, так как при заземленном входе 2 сигнал, поданный на инвертирующий вход на выходе окажется сдвинутым по фазе на 180⁰.

Рисунок 4.1 — Структурная схема операционного усилителя

При подаче сигнала на вход 2 (неинвертирующий вход) выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе.

За входным каскадом следует один или несколько промежуточных, которые обеспечивают усиление входного сигнала по току и напряжению. На рисунке 4.2 в качестве промежуточного каскада используется дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VT5.

Рисунок 4.2 — Упрощенная электрическая схема ОУ

Оконечный каскад имеет низкое выходное сопротивление ОУ и обеспечивает ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Обычно в качестве оконечного каскада используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель (транзисторы VT7, VT8 на рисунке 4.2).

При построении схем на операционных усилителях необходимо принимать в расчет некоторые основные параметры, которые характеризуют ОУ.

К ним относятся:

— входное напряжение сдвига (U_сдв). Вследствие неточного согласования входных транзисторов на выходе ОУ появляется напряжение при нулевом напряжении на входах. То напряжение, которое необходимо приложить ко входам, чтобы на выходе установился 0 В, называется входным напряжением сдвига;

— входной ток смещения (I_см). Ток на входах операционного усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ;

— входной ток сдвига (I_сдв). Разность входных токов смещения;

— входное сопротивление (R_вх). Сопротивление ОУ по отношению ко входному сигналу. Различают дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление между двумя входными выводами, синфазное входное сопротивление, т. е. сопротивление между объединенными обоими выводами входов и землей. R_вх может достигать нескольких сотен MОм;

— выходное сопротивление (R_вых). Внутреннее сопротивление усилителя. Обычно не превосходит нескольких сотен Ом.

— коэффициент ослабления синфазных сигналов (КОСС). Характеризует способность ослаблять синфазные входные сигналы.

— ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем;

— максимальная скорость нарастания входного напряжения (V). Максимальная допустимая скорость нарастания входного напряжения в вольтах на микросекунду;

— предельно допустимые значения. Максимальные значения параметров, превышение которых приводит к повреждению ОУ.

5. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Задано:

— выходное напряжение U_выхm = 5,5 В;

— напряжение источника питания Е_к = 20 В;

— мощность нагрузки P_н = 12 мВт;

— тип транзистора: n-p-n.

Схема электрическая принципиальная усилительного каскада на биполярном транзисторе показана на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 — Схема электрическая принципиальная усилительного каскада на биполярном транзисторе

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

(5.1)

Выберем стандартное значение: R_н = 1270 Ом (ряд Е48).

Рассчитаем амплитуду тока нагрузки:

(5.2)

Чтобы избежать нелинейных искажений выходного сигнала, параметры точки покоя выбираются из следующих условий:

(5.3)

(5.4)

где U — напряжение на транзисторе в режиме насыщения, принимается 1…1,5 В.

Чем больше выбран I_кп, тем больше мощность, потребляемая от источника питания и, следовательно, ниже КПД каскада. При малом I_кп могут возникнуть нелинейные искажения выходного сигнала.

Принимаем I_кп=9 мА, U_кэп=7 В.

Транзистор выбирается по предельным параметрам:

Uкэ доп Ек = 20 В; (5.5)

Iк доп Iкп + Iвых m = 9 + 4,36 = 13,36 мА; (5.6)

Рк доп Iкп· Uкэп = 9?7 = 63 мВт. (5.7)

Выбираем биполярный транзистор КТ315 В, у которого

U_кэ доп = 40 В;

I_к доп = 100 мА;

Р_к доп = 150 мВт.

Данный транзистор имеет следующие h-параметры:

h₁₁ = 0.14 кОм;

h₂₁= 50;

h₂₂ = 0.3 мкСм.

Параметром h₁₂ пренебрегаем, а рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя U_бэп = 1 В.

В статическом режиме источник сигнала отключен, каскад работает только под действием источника питания E_к. Поэтому сопротивление конденсаторов равно бесконечности и расчетная схема имеет вид (рисунок 5.2).

Уравнение статической линии нагрузки:

Ек = Iк Rк + Uкэ + Iэ Rэ. (5.8)

Так как I_э = I_к + I_б и I_к >> I_б, то I_э I_к;

Ек = Iк · (Rк + Rэ) + Uкэ. (5.9)

Рекомендуется принимать R_э = (0,1 …0,2) R_к.

Рисунок 5.2 — Схема усилителя в статическом режиме

Тогда

Ек = 1,1Iк · Rк + Uкэ. (5.10)

В режиме покоя I_к = I_кп, U_кэ= U_кэп.

Рассчитаем сопротивления:

(5.11)

Выберем стандартное значение: Rк = 1,33 кОм (ряд Е48).

(5.12)

Выберем стандартное значение: R_э = 133 Ом (ряд Е48).

Чтобы в динамическом режиме не менялись существенно условия работы конденсатора, ток делителя рекомендуется выбирать в 5…10 раз больше I_бп. Примем I₁ = 5I_бп.

. (5.13)

. (5.14)

Для контура R₂ — база — эмиттер — R_э уравнение по второму закону Кирхгофа:

— R2 I1 + Uбэп + Iкп Rэ = 0. (5.15)

. (5.16)

Второе уравнение для контура E_к — R₁ — R₂:

Eк = (I1+ Iбп)· R1 +I1· R2; (5.17)

. (5.18)

Выберем стандартные значения: R₁ = 13,3 кОм (ряд Е48), R₂ = 2,49 кОм (ряд Е48).

В динамическом режиме Е_к закорочен, а сопротивлением конденсаторов можно пренебречь, так как их емкость выбирается из условия, чтобы на минимальной рабочей частоте реактивное сопротивление конденсаторов было на порядок меньше сопротивлений резисторов схемы.

В схеме замещения каскада с учетом h-параметров транзистора (рисунок 5.3):

. (5.19)

Входное сопротивление каскада:

. (5.20)

Выходное сопротивление каскада:

. (5.21)

Рисунок 5.3 — Схема замещения каскада с учетом h-параметров

Уравнение динамической линии нагрузки:

(5.22)

Максимальная амплитуда выходного напряжения при I_кm = I_кп.

. (5.23)

Рассчитаем коэффициенты усиления:

(5.24)

(5.25)

(5.26)

Рассчитаем потребляемую мощность (мощность, потребляемая делителем, незначительна):

. (5.27)

Рассчитаем КПД:

. (5.28)

Амплитудная характеристика Uвыхm = f (Uвхm):

. (5.29)

Это линейное уравнение справедливо до U_выхm = 5,788 B. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику (рисунок 5.4) можно построить по двум точкам:

первая точка — начало координат U_вхm = 0, U_выхm = 0;

вторая точка — U_выхm = 5,788 В, U_вхm = U_выхm/K_u = 5,788/229,685 =

= 0,025 В.

6. Расчет усилителя низких частот на основе операционного усилителя

Задано:

— требуемый коэффициент усиления: К_ус = 90;

— тип операционного усилителя: К140УД2А;

— U_вхmin = 6 мВ;

— тип усилителя: неинвертирующий.

Рисунок 6.1 — Схема неинвертирующего усилителя

Параметры операционного усилителя К140УД2А:

— коэффициент усиления: К_ОУ =35 000;

— входное сопротивление: R_вх = 0,3 МОм;

— выходное сопротивление: R_вых = 1,0 кОм;

— максимальное выходное напряжение U_выхm = 10,0 В;

— разность входных токов: I_вх = 0,2 мкА.

Схема электрическая принципиальная усилителя показана в приложении.

Входной сигнал поступает на прямой вход, инвертирующий вход с помощью резистивного делителя R₁ и R₂ охвачен последовательной ООС.

7. Проектирование сумматора на основе операционного усилителя

Задано:

— операция: (2U₁ + 3U₂ 3U₃) = 2U1 3U₂ + 3U₃;

— сопротивление обратной связи: R_ос =20 кОм;

— тип операционного усилителя: К140УД2А.

Рассчитаем коэффициенты усиления по входам.

(7.1)

где R_oc — сопротивление обратной связи;

R_i — сопротивление в цепи данного входа.

По заданному значению сопротивления обратной связи и весовым коэффициентам входов (К₁ =2, К₂ =3, К₃ =3) определяем:

(7.2)

(7.3)

(7.4)

Представим сопротивления R₂ и R₃ в виде суммы стандартных значений: 6,667 кОм = 0,133 кОм + 0,133 кОм +6,2 кОм +0,2 кОм.

Рассчитаем эквивалентные сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам:

(7.5)

Включим параллельно неинвертирующему входу резистор R₄ так, чтобы выполнялось равенство:

(7.5)

Представим сопротивление R₄ в виде суммы стандартных значений: 6.665 кОм = 0.332 кОм + 0.332 кОм + 3 кОм + 3 кОм.

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции показана на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 — Схема электрическая параллельного сумматора

Заключение

В результате выполнения курсового проекта были получены следующие результаты:

— рассмотрены принцип работы, параметры, характеристики электронных усилителей на основе биполярных транзисторов с их различным включением в схемах;

— рассмотрены различные виды обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем;

— рассмотрены параметры, характеристики операционных усилителей;

— выполнен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с техническим заданием;

— выполнен расчет усилителя на основе операционного усилителя в соответствии с техническим заданием;

— выполнен расчет параллельного сумматора на операционном усилителе в соответствии с техническим заданием;

— промоделированы схемы электрические усилительного каскада на биполярном транзисторе, усилителя низкой частоты, параллельного сумматора в среде проектирования Electronics Workbench v5.12.

Список источников

1. Лаврентьев, Б. Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Б. Ф. Лаврентьев. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000 — 155 с.

2. Манаев, Е. И. Основы радиоэлектроники / Е. И. Манаев. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1990. — 512 с.

3. Харченко, В. М. Основы электроники / В. М. Харченко. — Москва: Энергоиздат, 1982.

4. Усилительные устройства / В. А. Андреев, Г. В. Войшвило, О. В. Головин и др. / Под ред. О. В. Головина — М.: Радио и связь, 1993. — 352 с.

5. Игумнов Д. В., Костюнина Г. П. Полупроводниковые усилительные устройства. — М.: Радио и связь, 1997. -268 с.

6. Ткаченко Ф. А. Техническая электроника. — М.: Дизайн ПРО, 2000. — 352 с.

7. Першин В. Т. Основы радиоэлектроники. Учеб. пособие. — Мн.: Выш. шк. 2006. — 399 с.

8. Христич, В. В. Лекции по основам электроники. / УГАТУ.

9. Миловзоров, О. В. Электроника: Учеб. пособие для вузов по напр-ю подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств"/ О. В. Миловзоров, И. Г Панков. — Москва: Высш. шк., 2004 — 287 с.