Расчет усилительного устройства

• Введение
• Исходные данные
• 1. Расчетная часть
• 1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя
• 2. Статический режим работы выходного каскада
• 2.1 Выбор рабочей точки транзистора
• 2.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки
• 2.3 Расчет емкостных элементов
• 2.4 Расчет значения коэффициента усиления
• 3. Статический режим работы входного каскада
• 3.1 Выбор рабочей точки транзистора
• 3.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки
• 3.3 Расчет емкостных элементов
• 3.4 Расчет значения коэффициента усиления
• 4. Расчет реально достигнутого в схеме значения коэффициента усиления разомкнутого усилителя в области средних частот
• 5. Расчет элементов цепи ООС
• 6. Построение частотной характеристики M_ОС (щ)
• 7. Моделирование выходного каскада
• 8. Моделирование входного каскада
• 9. Моделирование усилителя без ООС
• 10. Моделирование усилителя с ООС
• 11. Результаты моделирования
• 12. Перечень элементов
• Заключение

Усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Превышение мощности, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью источника входного сигнала достигается за счет энергии источников питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в полезную нагрузку.

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления, соединённых прямыми связями. В большинстве усилителей присутствуют также обратные связи. Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала.

Усилители находят широкое применение в вычислительной технике, связи, экспериментальной физике, автоматике и т. п.

В данной курсовой работе проводится проектирование многокаскадного усилителя с обратной отрицательной связью. При проектировании рассчитываются статические и динамические параметры усилителя, а затем проводится его моделирование на ЭВМ с использованием программного продукта MicroCap 9.

Рис. 1. Схема n-каскадного усилителя

Исходные данные

Таблица 1

1. Расчетная часть

1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Определим напряжение нагрузки:

Его амплитудное значение:

Коэффициент усиления замкнутого усилителя:

Предположим, что число каскадов n=1. Тогда

Из этой формулы составим квадратное уравнение и решим его относительно kв:

Выберем отрицательный корень kв=-0,038 и найдем коэффициент усиления разомкнутого усилителя:

Необходимо увеличить число каскадов. Пусть n=2. Тогда

Из этой формулы составим квадратное уравнение и решим его относительно kв:

Выберем отрицательный корень kв=-0,481 и находим коэффициент усиления разомкнутого усилителя:

Таким образом, для реализации усилителя достаточно 2 каскадов.

усилитель многокаскадный отрицательная связь

2. Статический режим работы выходного каскада

2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рис. 1. Схема выходного каскада

Выбор рабочей точки в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала) сводится к выбору I_Ka и U_Ka, когда R_Э=0.

Ток нагрузки:

Найдем U_Ka2:

В случае маломощного транзистора можно принять U_min=1 В, и тогда U_Ka2=11,488 В.

С целью отсутствия обрезания сигнала на выходе увеличим U_Ka2 до 15 В.

Найдем I_Ka2:

Найдем P_Ka2:

Вычислим напряжение питания:

Округлив к ближайшему значению из ряда напряжений питания, получим E=36 В. Условия, которым должен удовлетворять транзистор каскада при заданной t_макс:

Таким образом,

Этим условиям удовлетворяет транзистор BC307A:

Найдем статическую линию нагрузки

при этом U_КЭ2 — отрицательное число.

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статической нагрузки:

Возьмем R_Э2=0,1R_К2, тогда:

Построим статическую линию нагрузки.

При

При

Построим динамическую линию нагрузки через U_к2 и рабочую точку.

Чтобы выполнить условие, включим в схему эмиттерный повторитель.

Рис. 2. Схема выходного каскада с эмиттерным повторителем.

= ДI_К/ДI_Б — дифференциальный коэффициент передачи тока базы, ДI_К и ДI_Б определяются по выходной характеристике транзистора.

Сопротивление эмиттерного повторителя:

Динамическая линия нагрузки строится через U'_К2 и рабочую точку.

Рис. 3. Расчет статической и динамической нагрузки

Рис. 4. Расчет статической и динамической нагрузки с эмиттерным повторителем.

2.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки осуществляется сопротивлениями R1₂ и R2₂.

По выходным характеристикам транзистора находится I_Ба2=53,33 мкА.

По входным характеристикам транзистора находится U_БЭа2=698 мВ.

Для определения R2₂ используется его связь с коэффициентом нестабильности:

Найдем и

Для транзистора BC307 A:

t₀=25 єCI_К0 (t₀) =0,1мкАA=2,5

Коэффициент нестабильности:

Сопротивление R2₂:

Ток эмиттера:

Ток делителя:

Рис. 5. Входная характеристика транзистора.

Проверяем выполнение условия:

Условие выполняется.

Сопротивление R1₂:

Определим по входной ВАХ:

Входное сопротивление каскада:

2.3 Расчет емкостных элементов

Емкостные элементы рассчитываются по формулам:

2.4 Расчет значения коэффициента усиления

Для определения коэффициента усиления выходного каскада необходимо знать сопротивление генератора, равное сопротивлению коллектора входного каскада. Значение R_К1 находится итерационно. Сначала оно принимается равным R_Г из задания, находится К₂, производятся вычисления в пункте 3.1, из которого находится R_К1. Принятое и полученное значения R_К1 будут отличаться. Поэтому принимается новое значение R_К1, равное их среднему арифметическому, и вычисления повторяются, до тех пор пока значения R_К1 в пунктах 2.4 и 3.1 не сравняются. В следующей формуле приведено уже найденное описанным способом значение R_К1:

3. Статический режим работы входного каскада

3.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рис. 6. Схема входного каскада

Напряжение, сопротивление и ток нагрузки:

.

Найдем U_Ka1:

В случае маломощного транзистора можно принять U_min=1 В, и тогда U_Ka1=1,255 В.

Найдем I_Ka1:

Найдем P_Ka1:

Вычислим напряжение питания:

Округлив к ближайшему значению из ряда напряжений питания, получим E=5 В.

Условия, которым должен удовлетворять транзистор каскада при заданной t_макс:

Таким образом,

Этим условиям удовлетворяет транзистор BC307A:

Найдем статическую линию нагрузки

при этом U_КЭ2 — отрицательное число.

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статической нагрузки:

Возьмем R_Э1=0,3R_К1, тогда:

Построим статическую линию нагрузки.

При

При

Построим динамическую линию нагрузки через U_к1 и рабочую точку.

Чтобы выполнить условие, включим в схему эмиттерный повторитель.

= ДI_К/ДI_Б — дифференциальный коэффициент передачи тока базы, ДI_К и ДI_Б определяются по выходной характеристике транзистора.

Сопротивление эмиттерного повторителя:

Динамическая линия нагрузки строится через U'_К1 и рабочую точку.

Рис. 7. Расчет статической и динамической нагрузки

Рис. 8. Расчет статической и динамической нагрузки с эмиттерным повторителем.

3.2 Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки осуществляется сопротивлениями R1₁ и R2₁.

По выходным характеристикам транзистора находится I_Ба1=4,06 мкА.

По входным характеристикам транзистора находится U_БЭа1=613,33 мВ.

Для определения R2₁ используется его связь с коэффициентом нестабильности:

Найдем и

Для транзистора BC307 A:

t₀=25 єCI_К0 (t₀) =0,1мкАA=2,5

Коэффициент нестабильности:

Сопротивление R2₂:

Ток эмиттера:

Ток делителя:

Рис. 9. Входная характеристика транзистора

Проверяем выполнение условия:

Условие выполняется.

Сопротивление R1₁:

Определим по входной ВАХ:

Входное сопротивление каскада:

3.3 Расчет емкостных элементов

Емкостные элементы рассчитываются по формулам:

3.4 Расчет значения коэффициента усиления

Коэффициент усиления входного каскада:

4. Расчет реально достигнутого в схеме значения коэффициента усиления разомкнутого усилителя в области средних частот

. Реально развиваемый коэффициент усиления напряжения:

Проверка неравенства:

Расчет схемы усилителя закончен.

Найдем реально развиваемый коэффициент усиления напряжения усилителя с ООС:

5. Расчет элементов цепи ООС

Для усилителя на 2 каскадах с последовательной ООС по напряжению

6. Построение частотной характеристики M_ОС (щ)

Для усилителя на 2 каскадах с последовательной ООС по напряжению

где для, а для .

Рис. 10. Частотная характеристика М_ОС (щ)

Моделирование

Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования MicroCap 9. В результате моделирования необходимо получить 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. В ходе моделирования значения всех сопротивлений и емкостей округляются до ближайших значений из ряда Е24.

7. Моделирование выходного каскада

Схема каскада представлена на рис. 11. Для каскада взято входное напряжение, обеспечивающее заданное U_Нm на выходе с целью проверки стабильности каскада.

Рис. 11. Схема выходного каскада.

Переходные характеристики каскада представлены на рис. 12.

Частотные характеристики каскада представлены на рис. 13.

Рис. 12. Переходные характеристики выходного каскада.

Рис. 13. Частотные характеристики выходного каскада.

8. Моделирование входного каскада

Схема каскада представлена на рис. 14. Для каскада взято такое же входное напряжение, как и для усилителя без ООС.

Рис. 14. Схема входного каскада.

Переходные характеристики каскада представлены на рис. 15.

Частотные характеристики каскада представлены на рис. 16.

Рис. 15. Переходные характеристики каскада.

Рис. 16. Частотные характеристики каскада.

9. Моделирование усилителя без ООС

Схема усилителя представлена на рис. 17. Для усилителя взято входное напряжение, обеспечивающее заданное U_Нm на выходе. Для лучшей сходимости рассчитанного и реального коэффициента усиления был введен дополнительный резистор R.

Рис. 17. Схема усилителя без ООС.

Переходные характеристики усилителя представлены на рис. 18.

Частотные характеристики усилителя представлены на рис. 19.

Рис. 18. Переходные характеристики усилителя без ООС.

Рис. 19. Частотные характеристики усилителя без ООС

10. Моделирование усилителя с ООС

Схема усилителя представлена на рис. 20. Для усилителя взято входное напряжение, обеспечивающее заданное U_Нm на выходе. Чтобы «сгладить» АЧХ в области частот 100 Гц — 1кГц, значение емкости C3 было увеличено до 27 мкФ. Для лучшей сходимости рассчитанного и реального коэффициента усиления был введен дополнительный резистор R.

Рис. 20. Схема усилителя с ООС.

Переходные характеристики усилителя представлены на рис. 21.

Частотные характеристики усилителя представлены на рис. 22.

Рис. 21. Переходные характеристики усилителя с ООС.

Рис. 22. Частотные характеристики усилителя с ООС.

11. Результаты моделирования

Таблица 2

Полученное расхождение расчета с моделированием объясняется приближенным характером расчета, при котором учитывались не все параметры транзистора, а также округлением значений сопротивлений и емкостей до соответствия ряду Е24.

12. Перечень элементов

Таблица 3

Заключение

В результате выполнения курсовой работы были приобретены навыки расчетов и изучены методы проектирования и разработки усилителей. Также было изучено практическое применение ЭВМ для моделирования электронных устройств. В результате курсового проектирования было разработан и смоделирован двухкаскадный усилитель с отрицательной обратной связью.