Расчет усилителя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

Пояснительная записка к курсовому проекту Расчет усилителей Минск 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1 ПОНЯТИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

3 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

4 ПОНЯТИЕ, ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

5 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

6 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУММАТОРА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

8 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Электроника сегодня — это самая бурно развивающаяся отрасль науки и техники. Область, посвященная применению электронных приборов и технических устройств на их основе в промышленности, называется промышленной электроникой. Современный этап развития техники характеризуется все более возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей.

Целью курсового проекта являлось закрепление на практике изученных теоретических положений курса «Cхемотехника аналоговых и цифровых устройств», 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.

1 ПОНЯТИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией, во много раз большей, называется усилением. При этом необходимо, чтобы процесс управления являлся непрерывным, плавным и однозначным. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.

Если управляющая и управляемая энергии являются электрическими, такой усилитель называется усилителем электрических сигналов. Эти усилители широко используются во всех областях техники.

По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленно изменяющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, широкополосные, избирательные, универсальные, многофункциональные и пр.

В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока, мощности. Такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность.

В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические.

В ряде случаев усилители выполняют комбинированными с применением активных компонентов различных типов. Кроме того, их иногда подразделяют на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала. Структура усилителя и его характеристики приведены на рисунках 1.1 1.6.

Основные показатели усилителей электрического сигнала зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения.

Рисунок 1.1 — Структура усилителя

Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала ко входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления. Размерность и общепринятые обозначения коэффициента преобразования зависят от значений и величин входного и выходного сигналов, например S = I_вых / U_вх — коэффициент преобразования напряжения в ток; W = P_вых / I_вх — коэффициент преобразования тока в мощность.

В зависимости от характера входной или выходной величин коэффициент усиления подразделяют на коэффициент усиления по напряжению

K_u = U_вых / U_вх;

коэффициент усиления по току

K_i = I_вых / I_вх;

коэффициент усиления по мощности

К_р = Р_вых / Р_вх

В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах — децибелах (дБ):

K_u = 20 lg (U_вых / U_вх);

K_i = 20 lg (I_вых / I_вх);

K_p = 20 lg (P_вых / P_вх).

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, общий коэффициент усиления которого равен произведению этих коэффициентов, то его находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Рисунок 1.2 — Частотная характеристика усилителя

Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных компонентов и инерционности активных приборов.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:

D = U_{вх max} / U_{вх min};

D[дБ] = 20 lg (U_{вх max} / U_{вх min}).

Введение

коэффициента D, характеризующего динамический диапазон, необходимо потому, что максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики.

Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить. В ряде случаев напряжением U_{вх min} считается сигнал, который дает выходное напряжение, равное действующему значению напряжения шумов усилителя.

Рисунок 1.3 — Фазовая характеристика усилителя

В общем случае входное и выходное сопротивления — величины комплексные из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях. В рабочем диапазоне частот они обычно приближаются к активным.

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Рисунок 1.4 — Фазовая характеристика усилителя для диапазона низких частот

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

= Р_вых / Р₀

Он характеризует энергетические показатели усилителя.

Рисунок 1.5 — Фазовая характеристика усилителя в диапазоне высоких частот

Характеристики преобразователя показывают, как преобразуется входной сигнал в зависимости от параметров усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рисунок 1.2).

Фазо-частотная характеристика — зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжением от частоты (рисунок 1.3). В ряде случаев для наглядности строят фазовые характеристики отдельно для области низких и области верхних рабочих частот (рисунки 1.4, 1.5).

Рисунок 1.6 — Амплитудно-фазовая характеристика усилителя

Амплитудно-фазовая характеристика — это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рисунок 1.6). она объединяет в себе амплитуднои фазо-частотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента K (j).

Амплитудная характеристика — зависимость амплитуды значения напряжений первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 — Амплитудная характеристика усилителя

Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рисунок 1.8). Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления t_у и выбросом .

Рисунок 1.8 — Переходная характеристика усилителя

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) — полоса частот от низшей рабочей частоты fн до высшей рабочей частоты fв, в пределах которой коэффициент усиления усилителя не выходит за пределы заданных допусков. Это касается как модуля, так и фазы коэффициента усиления, так как последний обычно бывает комплексным из-за влияния реактивных элементов.

Фазовые искажения появляются вследствие отклонения фазочастотной характеристики реального усилителя от идеальной. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами активных приборов. Постоянное значение фазового сдвига для различных частот имеет место в том случае, когда коэффициент усиления изменяется по линейному закону.

Нелинейные искажения обусловлены нелинейностями амплитудной характеристики усилителя. Количественно их оценивают или коэффициентов нелинейных искажений К_ни, или коэффициентом гармоник К_г.

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью в усилителях называют явление передачи сигнала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рисунке 2.1. В нем выходной сигнал усилителя 1 (в виде напряжения U_вых или тока I_вых) через цепь обратной связи 2 частично или полностью подается к схеме сравнения. В ней происходит вычитание (или сложение) входного сигнала U_вх или I_вх и сигнала обратной связи U_ос или I_ос. В результате этого на вход усилителя поступает сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи.

Рисунок 2.1 — Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью: 1 — усилитель; 2 — цепь обратной связи

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь обратной связи и часть усилителя между точками ее подключения.

Местной обратной связью (местной петлей обратной связи принято называть обратную связь, охватывающую отдельные каскады или части усилителя, а общей обратной связью — такую обратную связь, которая охватывает весь усилитель.

Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал обратной связи суммируется с входным. При отрицательной обратной связи коэффициент усиления уменьшается, а при положительной — увеличивается. Из-за схемных особенностей усилителя и цепи обратной связи возможны варианты, когда обратная связь существует либо только для медленно изменяющейся составляющей выходного сигнала, либо только для переменной составляющей его, либо для всего сигнала. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по переменному, а также как по постоянному, так и по переменному токам.

Рисунок 2.2 — Схема обратной связи по напряжению

Рисунок 2.3 — Схема обратной связи по току

В зависимости от способа получения сигнала различают обратную связь по напряжению (рисунок 2.2), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален напряжению выходной цепи; обратную связь по току (рисунок 2.3), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи; комбинированную обратную связь (рисунок 2.4), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.

усилительный каскад биполярный транзистор

Рисунок 2.4 — Схема комбинированной обратной связи

Рисунок 2.5 — Последовательная схема введения сигнала обратной связи

Рисунок 2.6 — Параллельная схема введения сигнала обратной связи

По способу введения во входную цепь сигнала обратной связи различают:

— последовательную схему введения обратной связи (рисунок 2.5), когда напряжение сигнала обратной связи суммируется с входным напряжением;

— параллельную схему введения обратной связи (рисунок 2.6), когда ток цепи обратной связи суммируется с током входного сигнала;

— смешанную схему введения обратной связи (рисунок 2.7), когда с входным сигналом суммируется ток и напряжение цепи обратной связи.

Рисунок 2.7 — Смешанная схема введения сигнала обратной связи

Для количественной оценки степени влияния цепи обратной связи используют коэффициент обратной связи, показывающий, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя. В общем случае

= Р_ос / Р_вых.

3 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Усилители электрических сигналов чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи. Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. Значение выходного сигнала обычно значительно больше входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала.

Статический режим определяют в зависимости от значения входного сигнала, который необходимо усиливать.

В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: A, B, C, D; промежуточные режимы, например, АВ.

Режим, А — это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи I протекает в течение всего периода входного сигнала.

Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока I_m, появившегося вследствие воздействия входного сигнала (рисунок 3.1), в режиме, А не может превышать ток покоя I₀. Ток через активный элемент протекает в течение всего периода изменения входного сигнала.

Рисунок 3.1 — Изменение токов активного элемента в зависимости от входного сигнала: а — входной сигнал усилителя; б — режим А; в — режим В и АВ; г — режим С

Режим В — это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала (угол отсечки = /2).

В режиме АВ угол отсечки несколько больше /2, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 — 15% максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при использовании двухтактных выходных сигналов.

Режим С — это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т. е. при < /2. Ток покоя в режиме С равен нулю. Этот режим используют в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.

Рисунок 3.2 — Общая эквивалентная схема усилительных каскадов для режима большого сигнала

Режим D (или ключевой) — это режим, при котором активный прибор находится только в двух состояниях: или полностью закрыт и его электрическое сопротивление велико, или полностью открыт и имеет малое открытое электрическое сопротивление.

Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три типа усилительных каскадов: с общим эмиттером (рисунок 3.3) (или с общим истоком); с общей базой (или с общим затвором); с общим коллектором (или с общим стоком).

Рисунок 3.3 — Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на активном приборе (обеспечить требуемый режим). Ток и падение напряжения на активном приборе зависят от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик. Для их определения все усилительные каскады на одном активном приборе приводятся к эквивалентной схеме (рисунок 3.2), состоящей из последовательно соединенных резисторов R₁, R₂ и активного нелинейного прибора, токи и напряжения которого зависят от управляющего сигнала. Резистор R₁ представляет собой эквивалентное активное сопротивление, через которое один из электродов электронного прибора (коллектор, сток, анод) подключен к источнику питания. Резистор R2 — эквивалентное сопротивление, через которое второй электрод электронного прибора подключен к другому полюсу источника питания.

Рисунок 3.4 — Графоаналитический анализ из статического режима

4 ПОНЯТИЕ, ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционными усилителями называют высококачественные усилители постоянного тока, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Успехи интегральной технологии позволили выполнять операционные усилители с заданными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный компонент с определенными параметрами.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рисунке 4.1. показанный усилитель имеет один выходной вывод (показывается справа) и два входных (изображаются с левой стороны).

Рисунок 4.1 — Условное обозначение операционных усилителей: а — без дополнительного поля; б — с дополнительными полями; NC — выводы балансировки; FC — выводы частотной коррекции; U — выводы напряжения питания; х — вывод ненесущей логической информации; OV — общий информационный вывод; - корпус

Параметры и характеристики операционных усилителей можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относят:

— напряжение смещения нуля;

— входные токи;

— разность входных токов; входные сопротивления;

— коэффициент ослабления синфазных входных напряжений;

— диапазон синфазных входных напряжений;

— температурный дрейф напряжения смещения нуля;

— температурные дрейфы входных токов и их разности;

— напряжение (ток) шумов, приведенное ко входу;

— коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения.

Напряжение смещения нуля — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Данный параметр показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу операционного усилителя, чтобы на выходе получить U_вых = 0.

Входные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Если к обоим входам операционного усилителя подключены источники сигналов с разными внутренними сопротивлениями, то токи смещения даже в идеальном входном каскаде создают разные падения напряжения на этих внутренних сопротивлениях. Между входами операционного усилителя появится дифференциальный сигнал, изменяющий выходное напряжение. С целью его уменьшения сопротивления, подключаемые к обоим входам, следует брать по возможности одинаковыми.

Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяют на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и обычно оцениваются в мкВ/град и нА/град.

Напряжение шумов, приведенное ко входу, — это действующее значение напряжение на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала, подключенного ко входу, деленное на коэффициент усиления операционного усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя может быть определен экспериментальным путем, когда на вход операционного усилителя, не охваченного цепью обратной связи, подается известное напряжение и определяется выходное напряжение.

Скорость нарастания выходного напряжения — это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды.

5 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Задано:

— выходное напряжение U_выхm = 5 В;

— напряжение источника питания Е_к = 16 В;

— мощность нагрузки P_н = 8 мВт;

— тип транзистора: p-n-p.

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 = 1,54 кОм (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

U_кэ доп Е_к = 16 В (5.5)

I_к доп I_кп + I_{вых m} = 9 + 3,2 = 12,2 мА; (5.6)

Р_к доп I_кп· U_кэп = 9?76 = 63 мВт. (5.7)

Выбираем биполярный транзистор КТ361А, у которого

U_кэ доп = 25 В;

I_к доп = 50 мА;

Р_к доп = 150 мВт.

Данный транзистор имеет следующие h-параметры:

h₁₁ = 0.1 кОм;

h₂₁= 50;

h₂₂ = 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

Е_к = I_к R_к + U_кэ + I_э R_э. (5.8)

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

Е_к = I_к · (R_к + R_э) + U_кэ. (5.9)

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

Рисунок 5.2 — Схема усилителя в статическом режиме

Тогда

Е_к = 1,1I_к · R_к + U_кэ. (5.10)

В режиме покоя I_к = I_кп, U_кэ= U_кэп.

Рассчитаем сопротивления

(5.11)

Примем R_к = 909 Ом

(5.12)

Примем R_э = 90,9 Ом.

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 + U_бэп + I_кп R_э = 0. (5.15)

(5.16)

Второе уравнение для контура E_к — R₁ — R₂:

E_к = (I₁+ I_бп)· R₁ +I₁· R₂ (5.17)

(5.18)

Примем R₁ = 13,3 кОм, R₂ = 2,05 кОм.

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.

Рисунок 5.3 — Схема замещения каскада с учетом h-параметров

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

(5.19)

Входное сопротивление каскада:

(5.20)

Выходное сопротивление каскада

(5.21)

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 U_выхm = f (U_вхm)

(5.29)

Это линейное уравнение справедливо до U_выхm = 5.172 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 = 5,172 В, U_вхm = U_выхm/K_u = 5,172/287,356 = 0,018 В.

Рисунок 5.4 — Амплитудная характеристика усилителя

6 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Задано

— требуемый коэффициент усиления: К_ус =100;

— тип операционного усилителя: К140УД1Б;

— минимальное входное напряжение: U_вхmin = 5 мВ;

— тип усилителя: инвертирующий.

Рисунок 6.1 — Схема инвертирующего усилителя

Параметры операционного усилителя К140УД1Б:

— коэффициент усиления: К_ОУ =6 000;

— входное сопротивление: R_вх = 0,4 МОм;

— выходное сопротивление: R_вых = 0,7 кОм;

— максимальное выходное напряжение U_выхm = 8 В;

— разность входных токов: I_вх = 1,5 мкА.

Для инвертирующего усилителя на ОУ входное сопротивление R_вх = R₁. Чтобы не загружать источники сигнала, величину R₁ желательно иметь большой. Но падение напряжения на R₁ от разностного тока I_вх воспринимается усилителем как сигнал. Чтобы отстроить эту помеху от полезного сигнала, надо иметь I_вх R₁ значительно меньше, чем U_вхmin

(6.1)

Примем R₁ = 1000 Ом (ряд Е48), тогда

(6.2)

Рассчитаем сопротивление обратной связи

(6.3)

Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь неинвертирующего входа включим резистор R₃

(6.4)

Примем R₃ = 1000 Ом (ряд Е48). Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью

(6.5)

Рассчитаем выходное сопротивление усилителя

(6.6)

Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения. Поэтому максимальная амплитуда входного синусоидального сигнала составит

(6.7)

Схема электрическая принципиальная усилителя показана в приложении.

7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУММАТОРА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Задано:

— операция: 2U₁ — U₂ — 3U₃ — 2U₄;

— сопротивление обратной связи: R_ос = 39 кОм;

— тип операционного усилителя: К140УД1Б.

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 = 1, К₃ = 3, К₄ = 2) определяем

(7.2)

(7.3)

(7.4)

(7.5)

Представим сопротивления R₁, R₄ в виде суммы стандартных значений:

R₁ = R₄ = 18 + 1.5 = 19.5 кОм.

Представим сопротивление R₃ в виде суммы стандартных значений:

R₃ = 10 + 3 = 13 кОм.

Для нормальной работы сумматора надо уравнять сопротивления по обоим входам. В противном случае входные токи операционного усилителя вызовут на них неодинаковое падение напряжений и на входе операционного усилителя появится разностный сигнал, который будет им усилен.

Рассчитаем входное сопротивление по инвертирующему входу

(7.6)

Рассчитаем входное сопротивление по неинвертирующему входу:

(7.7)

Так как R_и < R_н, параллельно неинвертирующему входу включим сопротивление R₅, чтобы выполнялось равенство

(7.8)

Решая это уравнение, находим

(7.9)

Выходное напряжение при выполнении данной операции

(7.10)

При максимальном выходном напряжении операционного усилителя 8 В единичное входное напряжение (равное по всем входам)

(7.11)

При единичном входном напряжении 1 мВ

U_вх1 = U_вх2 = U_вх3 = U_вх4 =1 мВ.

Доля выходного напряжения за счет первого входа

(7.12)

за счет второго входа

(7.13)

за счет третьего входа

(7.14)

за счет четвертого входа

(7.15)

Выходное напряжение сумматора

(7.16)

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции показана на рисунке 7.1. Число неинвертирующих входов соответствует числу положительных, а число инвертирующих — числу отрицательных членов функции.

Рисунок 7.1 — Схема электрическая параллельного сумматора

8 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Electronics Workbench — разработка фирмы Interactive Image Technologies. Особенностью программы EWB является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду, органам управления и характеристикам максимально приближенных к их промышленным аналогам, что способствует приобретению практических навыков работы с наиболее распространенными приборами: мультиметром, осциллографом, измерительным генератором и др. После составления схемы и ее упрощения путем оформления подсхем моделирование начинается щелчком обычного выключателя.

Для моделирования усилительного каскада на биполярном транзисторе соберем схему в среде Electronics Workbench 5.12 (рисунок 8.1).

Изображения входного и выходного сигналов получим с помощью осциллографа (рисунок 8.2).

Для моделирования инвертирующего усилителя на операционном усилителе соберем схему, изображенную на рисунке 8.3.

Из результатов моделирования видно, что собранная схема обеспечивает расчетный коэффициент усиления.

Для моделирования параллельного сумматора соберем схему, изображенную на рисунке 8.4.

Из результатов моделирования сумматора следует, что практический результат соответствует теоретическому.

Рисунок 8.1 — Схема усилительного каскада для моделирования

Рисунок 8.2 — Входной и выходной сигналы на экране виртуального осциллографа

Рисунок 8.3 — Моделирование инвертирующего усилителя на операционном усилителе

Рисунок 8.4 — Моделирование 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 ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гусев, В. Г. Электроника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. 2-е изд. — Москва: Высшая школа, 1991 — 622 с.

2. Бладыко, Ю. В. Электроника: методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплинам «Электроника», «Электротехника и электроника», «Электроника и микропроцессорная техника», «Электроника и информационно-измерительная техника» / Ю. В. Бладыко, Г. С. Климович, Л. С. Пекарчик; под общ. ред. Ю. В. Бладыко. — М.: БНТУ, 2004. — 50 с.

3. Быстров Ю. А., Мироненко И. Г. Электронные цепи и микросхемотехника. М.: Высшая школа, 2002. — 384 с.

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника/ Пер. с нем. — М.: Мир, 1982. 512 с.

5. Жеребцов И. П. Основы электроники. — 5-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. — 352 с.

6. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 2003. — 608 с.

7. Ногин В. Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 2002. — 304 с.