Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Методы проектирования и моделирования усилителей

Содержание


1. Введение

2. Расчёт коэффициента усиления напряжения разомкнутого усилителя

3. Статический расчёт

3.1. Выходной каскад

3.2. Входной каскад

4. Расчёт емкостных элементов

5. Расчет элементов обратной связи

6. Расчет реально достигнутого в схеме коэффициента усиления K разомкнутого усилителя в области средних частот

7. Построение характеристики Moc(w)

8. Моделирование

Заключение

Список литературы


1. Введение


Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы. Одними из таких приборов являются усилители электрических сигналов. Частный случай управления энергией, при котором путём затраты небольшого её 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, то такой усилитель называют 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.

Методы проектирования и моделирования усилителей
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.


Рис.1 Структурная схема усилителя.

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 используемых в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические.

В ряде случаев усилители выполняют комбинированными с применением активных элементов различных типов. Кроме того, их иногда подразделяют на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала.

Примерная структура усилителя представлена рис.1. В качестве приёмника может использоваться другой усилитель или какое-либо исполнительное устройство.

Методы проектирования и моделирования усилителей
Усилители, как правило, содержат несколько усилительных каскадов соединённых последовательно и разделённых цепями связи (рис.2).


Рис.2.


Задачей данной курсовой работы является ознакомление с методами проектирования усилителей и их разработкой с использованием САПР.

метод проект модель усилитель


2. Расчёт коэффициента усиления напряжения разомкнутого усилителя


Коэффициент усиления разомкнутого усилителя определяется соотношением,


Методы проектирования и моделирования усилителей


где Koc коэффициент усиления замкнутого усилителя, который определяется по формуле


Методы проектирования и моделирования усилителей.


Здесь Uнm это амплитуда выходного напряжения определяется по данным в таблице исходных данных значениям Pн и Rн по следующим формулам:


Методы проектирования и моделирования усилителей Методы проектирования и моделирования усилителей Методы проектирования и моделирования усилителей,

Методы проектирования и моделирования усилителей;

Методы проектирования и моделирования усилителей , Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей, Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей.


Kb-находится из характеристики МОС (w).Предположим, что усилитель реализовывается на одном каскаде n=1 тогда характеристика имеет следующий вид:


Методы проектирования и моделирования усилителей;Методы проектирования и моделирования усилителей


Методы проектирования и моделирования усилителей.

Получаем следующее квадратное уравнение, которое решаем относительно Кb.


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителейМетоды проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей


Принимаем отрицательное значение Методы проектирования и моделирования усилителей. Тогда коэффициент усиления будет равным Методы проектирования и моделирования усилителей.

Так как К>10 то структура с одним каскадом неприемлема. Предположим теперь что число каскадов усилителя n=2.

Тогда функция МОС (w) для верхних и нижних частот будет выглядеть следующим образом:

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей,

Методы проектирования и моделирования усилителей.


Получаем следующее квадратное уравнение, которое решаем относительно. Кb.


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителейМетоды проектирования и моделирования усилителей


Принимаем отрицательное значение Методы проектирования и моделирования усилителей. Тогда коэффициент усиления будет равным Методы проектирования и моделирования усилителей. Так как К<100, то принятое число каскадов n=2 полностью подходит. Примерная схема усилителя показана на рис.3

Методы проектирования и моделирования усилителей

Рис.3.Двух каскадный усилитель с ООС.

3. Статический расчёт


3.1 Выходной каскад


а) Выбор рабочей точки транзистора.

Выбор рабочей точки А транзистора, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IКА и напряжения UКЭА в схеме рис.4 в первоначальном предположении RЭ2=0, т. е. При заземлённом эмиттере.

Методы проектирования и моделирования усилителей

Рис.4


Точка покоя выбирается исходя из данных значений амплитуды напряжения на коллекторе Um и тока коллектора Im, которые по заданным значениям Uн и Iн определяются, как


Методы проектирования и моделирования усилителей и Методы проектирования и моделирования усилителей.


Для режима класса А координаты рабочей точки А должны удовлетворять неравенствам:


Методы проектирования и моделирования усилителей; Методы проектирования и моделирования усилителей (1)


для каскада на БТ, где Методы проектирования и моделирования усилителей, - напряжение на коллекторе, соответствующее квазигоризонтального участка выходных ВАХ; Методы проектирования и моделирования усилителей - коэффициент запаса. Для транзисторов малой мощности рекомендуется принять Методы проектирования и моделирования усилителей=1-2В, для мощных транзисторов - Методы проектирования и моделирования усилителей=2-4В. Выбираем значения Методы проектирования и моделирования усилителей, Методы проектирования и моделирования усилителей=1,5В тогда получим


Методы проектирования и моделирования усилителей


Далее строится предположительная область ВАХ транзистора каскада, ограниченная значениями


Методы проектирования и моделирования усилителей, Методы проектирования и моделирования усилителей (2)


и гиперболой


Методы проектирования и моделирования усилителей (3)


максимально рассеиваемой мощности на коллекторе.


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Затем по справочникам выбираем транзистор, удовлетворяющий при заданной Методы проектирования и моделирования усилителейследующим требованиям:

тип проводимости транзистора p-n-p

справочные величины максимально допустимых мощностей Методы проектирования и моделирования усилителей

справочные величины максимально допустимых токов и напряжений


Методы проектирования и моделирования усилителей,Методы проектирования и моделирования усилителей.


Выбранный транзистор ГТ405А обладает следующими параметрами:

диапазон рабочих температур - 40..+550С

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

ВАХ транзистора показаны в приложение1.

Из ряда напряжений выберем значение питающего напряжения Е удовлетворяющего условию Методы проектирования и моделирования усилителейв данном случае примем Е=24В.

б) Выбор сопротивлений Rk2 , RЭ2 .

Для усилительного каскада на БТ значение сопротивления Rк2 вычисляется какМетоды проектирования и моделирования усилителей


Методы проектирования и моделирования усилителей, (4)


где UKA-потенциал коллектора принимается равным Методы проектирования и моделирования усилителей расчитаному по (1).

Методы проектирования и моделирования усилителей


На семействе выходных ВАХ может быть построена линия нагрузки Rк2 (см. приложение2).

Сопротивление RЭ находим из соотношения Методы проектирования и моделирования усилителей.

Методы проектирования и моделирования усилителей

Положение линии распределённой нагрузки после фиксации значений RК2, RЭ2 может быть определено из следующих соотношений:


Методы проектирования и моделирования усилителей


Подставив значения RК2, RЭ2 и Е в (5) получим линию нагрузки

Методы проектирования и моделирования усилителей которая наносится на семейство выходных ВАХ (см. приложение2). По этой линии можно уточнить положение рабочей точки А’.Положение рабочей точки относительно А изменяется несущественно поэтому коррекцией можно пренебречь. Через точку А отмечается характеристика с параметром IбА=0,51мА. Далее через точку А проводится линия динамической нагрузки под углом Методы проектирования и моделирования усилителей. Линию можно построить по двум точкам одна из которых точка А, а другая имеет координаты (UКЭА+DU;0) ,где


Методы проектирования и моделирования усилителей (6)


Методы проектирования и моделирования усилителей


Потом проверяются значения амплитуд тока Iнm и напряжения Uнm. значение Uнm не удовлетворяет исходным данным следовательно необходимо включить каскад с ОК(рис5).


Методы проектирования и моделирования усилителейРис. 5.


Построим новую линию динамической нагрузки. Где в качестве нагрузки выступает входное сопротивление каскада с ОК.


Методы проектирования и моделирования усилителей (7)


Возьмём b=40 тогда,

Методы проектирования и моделирования усилителей

По формуле (6) Методы проектирования и моделирования усилителей. Построение (см. приложение3) показывает, что значение Uнm удовлетворяет исходным данным. Переходим к расчёту элементов фиксации рабочей точки.

в) Расчёт элементов фиксации рабочей точки.

Фиксация рабочей точки А осуществляется резистивным делителем R3, R4 .Связь между напряжениями и токами транзистора в режиме покоя для схемы рис.4 определяется следующими выражениями:


Методы проектирования и моделирования усилителей (8)


UбЭА=0,46В определяется по входным ВАХ транзистора (приложение4) при токе IбА=0,51мА, а ток Методы проектирования и моделирования усилителей;

Методы проектирования и моделирования усилителей.

Ток делителя из (8) находится как


Методы проектирования и моделирования усилителей. (9)


Сопротивление R3 из (8) и (9) равно:


Методы проектирования и моделирования усилителей. (10)


Для определения R4 используется связь его значения с коэффициентом нестабильности N равным для схемы рис.4


Методы проектирования и моделирования усилителей, (11)


где DIK, DIК0 – температурные изменения соответствующих токов;b=h21Э в схеме с ОЭ определяется в области рабочей точки по выходным ВАХ (приложение3).

Методы проектирования и моделирования усилителей;Методы проектирования и моделирования усилителей.


Температурные изменения


DIK=(0,001-0,01)Im; DIK=Методы проектирования и моделирования усилителей.


Величина DIК0 расчитывается по эмпирическому соотношению:


Методы проектирования и моделирования усилителей, (12)


где IK0(t0)=25мкА-тепловой ток коллекторного перехода в схеме с ОБ заданный в справочнике при температуре t0=55; для германиевых транзисторов А=2. Из (12) получаем


Методы проектирования и моделирования усилителей ,


тогда N вычесленное по (11) будет равно:


Методы проектирования и моделирования усилителей.


Согласно (11) рассчитаем значение R4:


Методы проектирования и моделирования усилителей. (13)

Методы проектирования и моделирования усилителей


Подставив в соотношение (10) значение R4 получим:


Методы проектирования и моделирования усилителей


Оценим корректность расчёта вычислением тока IД по (9).


Методы проектирования и моделирования усилителей

Соотношение Методы проектирования и моделирования усилителей выполняется, следовательно, значение сопротивлений можно считать приемлемым. Можно перейти к расчёту входного каскада. Исходными данными для него будут являться входное напряжение и ток выходного каскада, а так же входное сопротивление.


Методы проектирования и моделирования усилителей,


где К=10;

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей, где Методы проектирования и моделирования усилителей, Методы проектирования и моделирования усилителей определяется по входным ВАХ транзистора (приложение4).

Методы проектирования и моделирования усилителей ,

Методы проектирования и моделирования усилителей,

Методы проектирования и моделирования усилителей.


3.2 Входной каскад


а) Выбор рабочей точки транзистора.

Выбор рабочей точки А транзистора аналогично проделанному выше для выходного каскада, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IКА и напряжения UКЭА в схеме рис.6 в первоначальном предположении RЭ1=0, т. е. При заземлённом эмиттере.

Методы проектирования и моделирования усилителей

Рис.6


Снова точка покоя выбирается исходя из данных значений амплитуды напряжения на коллекторе Методы проектирования и моделирования усилителей и тока коллектора Методы проектирования и моделирования усилителей. Для режима класса А координаты рабочей точки А должны удовлетворять неравенствам (1). Выбираем Методы проектирования и моделирования усилителей, Методы проектирования и моделирования усилителей=1,5В тогда получим


Методы проектирования и моделирования усилителей

Далее строится предположительная область ВАХ транзистора каскада, ограниченная значениями (2) и гиперболой (3) максимально рассеиваемой мощности на коллекторе.


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей


Выбранный ранее транзистор удовлетворяет условиям:

-тип проводимости транзистора p-n-p

справочные величины максимально допустимых мощностей


Методы проектирования и моделирования усилителей


справочные величины максимально допустимых токов и напряжений


Методы проектирования и моделирования усилителей,Методы проектирования и моделирования усилителей.


ВАХ транзистора показаны в приложение 1.

б) Выбор сопротивлений Rk1 , RЭ1 .

Для усилительного каскада на БТ значение сопротивления Rк1 вычисляется по формуле (4).Методы проектирования и моделирования усилителей


Методы проектирования и моделирования усилителей


На семействе выходных ВАХ может быть построена линия нагрузки Rк1 (см. приложение5).

Сопротивление RЭ находим из соотношения Методы проектирования и моделирования усилителей.

Методы проектирования и моделирования усилителей


Положение линии распределённой нагрузки после фиксации значений RК1, RЭ1 может быть определено из соотношений (5).

Подставив значения RК1, RЭ1 (вместо RК2, RЭ2 ) и Е в (5) получим линию нагрузки Методы проектирования и моделирования усилителей которя наносится на семейство выходных ВАХ (см. приложение5). По этой линии можно уточнить положение рабочей точки А’. Положение рабочей точки относительно А изменяется несущественно, поэтому коррекцией можно пренебречь. Через точку А отмечается характеристика с параметром IбА=0,05мА. Далее через точку А проводится линия динамической нагрузки под углом Методы проектирования и моделирования усилителей. Где в качестве сопротивления нагрузки используем входное сопротивление выходного каскада. Линию можно построить по двум точкам одна из которых точка А, а другая имеет координаты (UКЭА+DU;0) ,где DU вычисленное по (6) равно:


Методы проектирования и моделирования усилителей.


Потом проверяются значения амплитуд тока Iнm и напряжения Uнm.

Построение (см. приложение5) показывает что значение Uнm удовлетворяет исходным данным. Переходим к расчёту элементов фиксации рабочей точки.

в) Расчёт элементов фиксации рабочей точки.

Фиксация рабочей точки А осуществляется резистивным делителем R1 , R2 .Связь между напряжениями и токами транзистора в режиме покоя для схемы рис.6 определяется выражениями (8).

UбЭА=0,15В определяется по входным ВАХ транзистора (приложение6) при токе IбА=0,05мА, а ток Методы проектирования и моделирования усилителей ;

Методы проектирования и моделирования усилителей.

Методы проектирования и моделирования усилителей;

Методы проектирования и моделирования усилителей.

Тогда согласно (13) рассчитаем значение R2:

Методы проектирования и моделирования усилителей

Подставив в соотношение (10) значение R2 (вместо R4) получим:

Методы проектирования и моделирования усилителей

Оценим корректность расчёта вычислением тока IД по (9).

Методы проектирования и моделирования усилителей

Соотношение Методы проектирования и моделирования усилителей выполняется, следовательно, значение сопротивлений можно считать приемлемым.


4. Расчёт емкостных элементов


Для каскадов на БТ значения емкостей конденсаторов расчитываются Расчет разделительных емкостей рассчитывается по формуле:


Методы проектирования и моделирования усилителей,


где Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада (или внутреннее сопротивление генератора), Rн — входное сопротивление следующего каскада (или сопротивление нагрузки),а wн =2pfн.

Пренебрегая выходным сопротивлением повторителей, получаем:


Методы проектирования и моделирования усилителей;

h11Э= 3000(Ом)

Rвх1=2286(Ом)

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей


Емкости в цепи эмиттера рассчитывается по формуле:


Сэ=Методы проектирования и моделирования усилителей,


где h11э и h21э — соответственно входное сопротивление транзистора и b, рассчитываемые по входной и выходной ВАХ в окрестности рабочей точки. Для транзистора в первом каскаде h11э=3000 Ом, h21э=85, а для транзистора второго каскада h11э=902 Ом, h21э=20.


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей


5. Расчет элементов обратной связи


Для усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению выполняется соотношение:


Методы проектирования и моделирования усилителей,


где Методы проектирования и моделирования усилителей составляет 5—10 Ом и отделяется от Rэ1.

Вычислим b по известным K и Kb, рассчитанным в 2:

b=Kb/K=-0.922/48,05=0,02.

Назначим Методы проектирования и моделирования усилителей=10 Ом. Тогда Rос= Методы проектирования и моделирования усилителей;

RОС=Методы проектирования и моделирования усилителей


6. Расчет реально достигнутого в схеме коэффициента усиления K разомкнутого усилителя в области средних частот


В области средних частот реально развиваемый коэффициент усиления одного каскада определяется формулой:


Методы проектирования и моделирования усилителей, где


Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление генератора, R1 и R2 — сопротивления делителя,

Rн — сопротивление нагрузки или входное сопротивление последующего каскада, если каскад не имеет повторителя, или входное сопротивление повторителя, равное (1+b)ЧRн/2

Пренебрегая выходным сопротивлением повторителя, получаем:

Методы проектирования и моделирования усилителей=0,97

Методы проектирования и моделирования усилителей= 18,9

K=KвыхЧKвх=18,5<48,05, следовательно необходимо добавить каскад с общим коллектором, тогда получим:


Методы проектирования и моделирования усилителей

Методы проектирования и моделирования усилителей


K=KвыхЧKвх=625,3>48,05 следовательно расчёт схемы окончен.

7. Построение характеристики Moc(w)


Характеристика Moc(w) для двухкаскадного усилителя с отрицательной обратной связью описывается выражением:


Методы проектирования и моделирования усилителей


Оно имеет одинаковый вид для нижних и верхних частот, но предполагает подстановку разных значений x: x=wн/w для области нижних и средних частот, x=w/wв для средних и верхних частот.


Методы проектирования и моделирования усилителей


Методы проектирования и моделирования усилителей

8. МОДЕЛИРОВАНИЕ


Методы проектирования и моделирования усилителей
Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования MicroCap III. 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. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.


На втором каскаде получена следующая характеристика.

Tranient

Методы проектирования и моделирования усилителей


Входной каскад.

На входном каскаде получаем следующий график.

Методы проектирования и моделирования усилителей


Методы проектирования и моделирования усилителей


Получим следующую общую схему усилителя.

И её характеристики.


Transient.

Методы проектирования и моделирования усилителей
АС

Методы проектирования и моделирования усилителей


При моделировании схемы была произведена корректировка элементов схемы. Данные об элементах схемы приведены в спецификации (приложение8).


Заключение


В результате данной работы мы ознакомились с методами расчёта усилителей и их моделирования с использованием программы MikroCap III. И получили усилитель, обеспечивающий заданные параметры.


Список литературы


1. Расчет электронных схем. Примры и задачи. М. “Высшая школа”, 1987. Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев и др.

2. Справочник по полупроводниковым приборам В. Ю. Лаврененко, А. В. Голомедов и др.

3. Справочная книга радиолюбителя-конструктора А. А. Бокуняев, Н. М. Борисов и др. Под ред. Н. И. Чистякова. М. “Радио и связь”, 1990.


34


Похожие работы:

  1. • Проектирование цепей коррекции, согласования и фильтрации ...
  2. • Проектирование цепей коррекции, согласования и фильтрации ...
  3. • Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной ...
  4. • Проектирование и расчет усилителя низкой частоты
  5. • Проектирование и расчет усилителя электронного ...
  6. • Использование метода моделирования при систематизации ...
  7. • Усилитель мощности на дискретных элементах
  8. • Философские аспекты моделирования как метода познания
  9. • Особенности моделирования социальных процессов
  10. • Математическое моделирование как философская проблема
  11. •  ... рекомендаций по моделированию одежды для студентов ...
  12. • Моделирование как метод физической мезомеханики
  13. • Криминалистическое моделирование
  14. • Моделирование как метод познания окружающего мира
  15. • Усилитель с обратной связью
  16. • Моделирование как философская проблема
  17. • Криминалистическое моделирование как метод научного познания
  18. • Усилитель с обратной связью
  19. • Основные показатели работы усилителей
Рефетека ру refoteka@gmail.com