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 | UвхmмВ | Rг, Ом | Pн, Вт | Iн, мA | tomax, oC | ∆f | MОСн(ω) | MОСв(ω) | |
fн, Гц | fв, 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 Uнm и Uвхm рассчитываем Koc
Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:
. (1).
Определим число каскадов усилителя.
Пусть число каскадов равно 1 (n = 1):
, ,
где Mос(w) – коэффициент частоты каскадов.
Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb. , 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 Kb
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 Kb
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 IкА и напряжения UкэA 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 UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 44.4 [В] и IНМ=IН.= = 0.0098 [А].
Определим вид транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.43 [Вт], транзистор средней мощности.
Определим напряжение UКЭА из выражения:
=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности UЗАП = (2ё2.5) [В])
Рис. 1. Схема усилительного каскада
где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)
ЕП=2UКЭА=92.88 [B]
Сопротивление RK находим как:
Сопротивление RЭ 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 KM=1000 масштабный коэффициент.
Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при EП=100 [B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. 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 b:
Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем . Рекомендуемое значение N вычисленное как
;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим Iдел 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 C1,
C2, C3 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 IкА и напряжения UкэA в первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 1.05 [В] и IНМ=IН.== 0.0008 [А].
Определим вид транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности
Определим напряжение UКЭА из выражения:
=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1ё2.5) [В])
где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)
ЕП=2UКЭА=7,1 [B]
Сопротивление RK находим как:
Сопротивление RЭ 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 KM=1000 масштабный коэффициент
Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при EП=10 [B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:
где DIК,DIБ – окрестность рабочей точки А
Найдем ток IБА:
По входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,71 [B]
Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .
Рекомендуемое значение N вычисленное как
;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим Iдел 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 C1,
C2, C3 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
Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в первоначальном предположении Rэ= 0. т.е. при заземленном эмиттере.
Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе UНМ и тока коллектора IНМ, которые по заданным значениям UН и IН определяются как UНМ=UН = 0.11 [В] и IНМ=IН.= 0.00012 [А].
Определим вид транзистора:
PК= UНМ IНМ =0.013 [мВт], транзистор малой мощности
Определим напряжение UКЭА из выражения:
=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1ё2.5) [В])
где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)
ЕП=2UКЭА=5.22 [B]
Сопротивление RK находим как:
Сопротивление RЭ 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 KM=10000 масштабный коэффициент
Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условие. В нашем случае условие выполнилось при EП=6.3 [B].
Расчет элементов фиксации рабочей точки
Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R1, R2. Выберем такой транзистор, у которого и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.
Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:
где DIК,DIБ – окрестность рабочей точки А
Найдем ток IБА:
По входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,55 [B]
Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:
Рассчитаем величину по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. вычислим как , выберем .
Рекомендуемое значение N вычисленное как ;
Вычислим R1, R2:
где
Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим Iдел 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 C1,
C2, C3 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:
;
;
RОС = 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
Kuреальный ≈25
Моделирование промежуточного каскада
Kuреальный ≈7.6
Моделирование входного каскада
Kuреальный ≈2.5
Моделирование усилителя без ООС
Kuреальный ≈307.6
Моделирование усилителя с ООС
Kuреальный ≈300