Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

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:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


По известным значениям Uнm и Uвхm рассчитываем Koc


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. (1).


Определим число каскадов усилителя.

Пусть число каскадов равно 1 (n = 1):


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью,


где Mос(w) – коэффициент частоты каскадов.

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb. Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, тогда получим корни Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, выбираем отрицательный корень Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, и подставляем в уравнение (1),

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, т.е. одного каскада будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 2 (n = 2):


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью,Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


тогда из полученных корней выбираем отрицательный Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, и подставляем в уравнении (1),Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью т.е. двух каскадов тоже будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 3 (n = 3):


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью,Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kb


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


тогда из полученных корней выбираем отрицательный Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, и подставляем в уравнение (1), Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью 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=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюUН = 44.4 [В] и IНМ=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюIН.= = 0.0098 [А].

Определим вид транзистора:

PК= UНМ IНМ =0.43 [Вт], транзистор средней мощности.

Определим напряжение UКЭА из выражения:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности UЗАП = (2ё2.5) [В])


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Рис. 1. Схема усилительного каскада


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)

ЕП=2UКЭА=92.88 [B]

Сопротивление RK находим как: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Сопротивление RЭ вычисляется:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью включается Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Для переменного сигнала Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюбудет 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью; Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


где KM=1000 масштабный коэффициент.

Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условиеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью и Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Рассчитаем величину Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью по следующему эмпирическому соотношению: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, где Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью- тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью вычислим как Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, выберем Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Рекомендуемое значение N вычисленное как


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


Вычислим R1, R2:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


гдеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Вычислим Iдел по формуле:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Полученное значение удовлетворяет соотношению Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Найдем сопротивление резистивного делителя:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Найдем входное сопротивление данного каскада


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюC2, C3 рассчитаем по следующим формулам:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


Расчет коэффициента усиления напряжения каскада


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Определим выходные параметры для промежуточного каскада:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


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=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюUН = 1.05 [В] и IНМ=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюIН.== 0.0008 [А].

Определим вид транзистора:

PК= UНМ IНМ =0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности

Определим напряжение UКЭА из выражения:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1ё2.5) [В])

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)

ЕП=2UКЭА=7,1 [B]

Сопротивление RK находим как: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Сопротивление RЭ вычисляется:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью включается Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Для переменного сигнала Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюбудет 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью; Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


где KM=1000 масштабный коэффициент

Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условиеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью и Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


где DIК,DIБ – окрестность рабочей точки А

Найдем ток IБА:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюПо входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,71 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Рассчитаем величину Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью по следующему эмпирическому соотношению: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, где Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью- тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью вычислим как Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, выберем Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.

Рекомендуемое значение N вычисленное как


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


Вычислим R1, R2:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


гдеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Вычислим Iдел по формуле:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Полученное значение удовлетворяет соотношению Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Найдем сопротивление резистивного делителя:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Найдем входное сопротивление данного каскада


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Расчет емкостных элементов усилительных каскада


Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюC2, C3 рассчитаем по следующим формулам:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


Расчет коэффициента усиления напряжения каскада:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Определим выходные параметры для входного каскада:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


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=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюUН = 0.11 [В] и IНМ=Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюIН.= 0.00012 [А].

Определим вид транзистора:

PК= UНМ IНМ =0.013 [мВт], транзистор малой мощности

Определим напряжение UКЭА из выражения:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности UЗАП = (1ё2.5) [В])

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью где KЗ–коэффициент запаса равный (0.7ё0.95)

ЕП=2UКЭА=5.22 [B]

Сопротивление RK находим как: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Сопротивление RЭ вычисляется:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью включается Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Для переменного сигнала Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюбудет 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью; Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


где KM=10000 масштабный коэффициент

Выбирая значения EП из стандартного ряда, тем самым изменяя положение динамической линии нагрузки, проверяем условиеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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 Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью и Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. 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:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


где DIК,DIБ – окрестность рабочей точки А

Найдем ток IБА:

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюПо входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,55 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h11Э:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Рассчитаем величину Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью по следующему эмпирическому соотношению: Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, где Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью- тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t0; А = 2,5 для кремниевых транзисторов. Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью вычислим как Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью, выберем Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.

Рекомендуемое значение N вычисленное как Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Вычислим R1, R2:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


гдеМногокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Корректность расчета оценим вычислением тока Iдел, причем необходимо соблюдение неравенства Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью. Вычислим Iдел по формуле:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Полученное значение удовлетворяет соотношению Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Найдем сопротивление резистивного делителя:Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Найдем входное сопротивление данного каскада


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C1,

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связьюC2, C3 рассчитаем по следующим формулам:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;


Расчет коэффициента усиления напряжения каскада

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


2.5 Расчет элементов цепи ООС


По вычисленным в п. 2.1. значениям Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью и Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью рассчитаем величину


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью.


Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью;

RОС = 77160 [Ом].


2.6 Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя


Рассчитываемый коэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов. усиления всех трех каскадов:


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью 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

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Kuреальный ≈25


Моделирование промежуточного каскада

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Kuреальный ≈7.6


Моделирование входного каскада

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Kuреальный ≈2.5


Моделирование усилителя без ООС

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Kuреальный ≈307.6


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Моделирование усилителя с ООС

Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Kuреальный ≈300


Многокаскадный усилитель переменного тока с обратной связью

Рефетека ру refoteka@gmail.com