Курсовая работа: Усилитель с обратной связью

Дисциплина: Электротехника и электроника

Курсовая работа на тему:

Усилитель с обратной связью

Содержание

Задание

Введение

Основная часть

1. Расчет усилителя

1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количества каскадов

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада

1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада

1.4 Переход от выходного каскада к входному

1.5 Статический режим работы входного каскада

1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора

1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада

1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада

1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициента усиления

1.9 Расчет элементов цепи ООС

1.10 Построение характеристики Мос(ω)

2. Моделирование усилителя на ЭВМ

Перечень элементов

Заключение

Библиографический список

Задание

Введение

Цели курсовой работы.

Целями курсовой работы являются:

1.  Изучение методов проектирования и разработка электронных устройств в соответствии с данными технического задания;

2.  Расчет статических и динамических параметров электронных устройств;

3.  Практическое применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств.

Тематика курсовых работ.

В качестве объектов проектирования студентам предлагаются различные структуры многокаскадных усилительных устройств переменного тока с обратными связями.

Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для усиления сигнала по мощности.

В общем случае усилитель может содержать несколько каскадов, соединенных между собой последовательно через цепи связи.

Основными параметрами и характеристиками усилителя являются:

·  Коэффициент усиления:

а) Коэффициент усиления по напряжению;

Ku=Uвых(p)/Uвх(p)

P=σ+jω – оператор Лапласа

б) Коэффициент усиления по току;

Ki=Iвых(p)/Iвх(p)

Ki(p)=Iвых(p)/Iвх(p)

Ki(jω)=Iвых(jω)/Iвх(jω)

в) Коэффициент усиления по мощности;

Kp=Pвых/Pвх

·  Входное и выходное сопротивление усилителя;

·  Частотные характеристики усилителей:

а) АЧХ – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала;

б) ФЧХ – зависимость фазы комплексного коэффициента передачи от частоты или зависимость разности фаз выходного и входного сигнала от частоты;

·  Нелинейные искажения;

Нелинейные искажения – отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Нелинейное искажение приводит к тому, что в выходном сигнале появляется дополнительная составляющая с частотой не равной основному частотному сигналу.

·  Динамический диапазон сигнала;

·  Искажение импульсных сигналов;

Основная часть

1. Расчет усилителя

1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количества каскадов

Расчет количества каскадов усилителя начнем с нахождения параметров нагрузки: Pн, Iн, Uн, Rн. Как видно из задания, необходимо по значениям тока и мощности найти напряжение и сопротивление на нагрузке:

Uн = Pн/Iн = 0,019/0,01=1,9 B

Rн = Uн/Iн = 1,9/0,01 = 190 Ом

Найдем амплитуды напряжения и тока:

Uнм = (2) ^1/2* Uн = (2)^1/2* 1,9 В=2,69 В

Iнм = (2) ^1/2* Iн = (2)^1/2* 10 мА = 14,14 мА

Теперь можно определить значение коэффициента усиления замкнутого усилителя Кос:

Кос = Uнм / Uвхм

В нашем случае:

Кос = 2,69B/0,15B = 17,9

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи усилителя

Определим число каскадов усилителя. Для этого воспользуемся таблицей, где Mос() - коэффициент частоты каскадов:

Пусть число каскадов n = 1, тогда

из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kβ.

тогда 2,14 = (1- Kβ)² получим корни Kβ = 1±1,46, выбираем отрицательный корень Kβ= - 0,46, и подставляем в уравнение K=K_oc(1- Kβ)=17,9*(1+0,46)=26,2. Т. к. K>10, необходимо увеличить число каскадов.

Пусть n = 2:

Решая данное уравнение относительно Kβ и выбирая отрицательное решение, получаем Kβ=-0,5. Тогда K=K_oc(1- Kβ)=17,9*(1+0,5)=8,95. Так как K<100, то достаточно двух каскадов. Таким образом, для проектирования каскадного усилителя будем использовать два n-p-n транзистора:

Рис.1 Каскадный усилитель

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:

Определим параметры рабочей точки транзистора. Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора Iк_А и напряжения Uкэ_A в схеме, в первоначальном предположении Rэ= 0.

Должны выполняться следующие соотношения:

1.  |Uкэ_А| ³ Uн_m + |Uкэ_min|, где Uкэ_min - напряжение на коллекторе соответствующее началу квазигоризонтального участка выходных ВАХ;

1. |Uкэ_min| = 1В; Uкэ_А = 2,9 В

2.  Iк_А³Iн_m/K_з, где K_З = 0,7-0,95.

3.  Если Кз = 0,7 то Iка = 20,23 мА

Iк_{доп.расч.} = 2* Iка = 40,46 мА; Uк_{доп.расч.} = 2* Uкэ_А = 5,8 B;

Pк_доп. = Iк_{доп.расч.} * Uк_{доп.расч.}= 234,67 мВт

По величине мощности определим вид транзистора.

Выберем удобный для нас транзистор – КТ342A. Основные характеристики транзистора:

1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада.

Сначала предположим, что Rэ отсутствует, тогда уравнение линии нагрузки будет иметь вид:

Rэ2=(0,1¸0,3) R_k2 , Rэ2 =60 Ом.

Теперь уравнение линии нагрузки будет E_п=I_k*R_k2+Uкэ+ I_э*R_э2 ; I_k»I_э.

Нагрузочная прямая и линия динамической нагрузки имеют вид:

Па графику ВАХ определяем Iба = 0.53 мА.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом φ.

тогда

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R₃ , R₄ .

Величина R₄ определяется из соотношения:

N = 1 + R₄/ Rэ2 , N – коэффициент температурной нестабильности.

С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Рассчитаем величину Iк₀ по следующему эмпирическому соотношению:

∆T/10 (45-25)/10

Iк₀(45)=| Iк₀(T₀)*(A - 1)|=|1*10^-6*(2,5 -1)|=6,25*10^-6 [A]

∆T/10 (27-25)/10

Iк₀(27)=| Iк₀(T₀)*(A - 1)|=|1*10^-6*(2,5 -1)|=1,2*10^-6 [A] ,

где Iк₀(T₀) - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре T₀ ; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.

∆Iк₀ вычислим как

∆Iк₀ = Iк₀(45) - Iк₀(27) = 6,25*10^-6 - 1,2*10^-6 = 5,05*10^-6 [A].

Температурные изменения тока целесообразно ограничить диапазоном ∆Iк=(0,001¸0,01)*Iк_m, выберем

∆Iк=7,07*10^-6 [A].

Рекомендуемое значение N вычисленное как

N=∆Iк/∆Iк₀=7,07*10^-6 / 5,05*10^-6 =3.

R4/Rэ2 = 1, R4 = 45 Ом.

Найдем R3 из:

R3 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ2))/(Uбэа+Iэа*Rэ2+Iба*R4)*R4 (Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R3 = 230 Ом.

Проверим правильность выбора Rэ2:

Iд = (Е - Uба)/R3, Uба = Iэа*Rэ2+Uбэа*Iба = 0.479 В, Iд = 37 мА.

Должно выполняться неравенство:

Iд>=(5-10)*Iба; 37>=(5-10)0.53 – верно.

Из графика входной характеристики определим U_БЭ по полученному из графика выходных характеристик I_БА.

При таком значении I_БА U_БЭ=0,98 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:

1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада

В первом приближении коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:

K2 = -h_21э*(Rк2||Rн)/(Rк2 + Rвх2)

Rвх2 = R3||R4||h_11Э = 36,1 Ом;

Rк2||Rн = 235 Ом;

K2 = -20*235/(435 + 36) = 9,98

1.4 Переход от выходного каскада к входному

При переходе к входному каскаду справедливы следующие формулы:

Uвх2 = Uмн/К2 = Uмн1; Iвх2 = Uвх2/Rвх2 = Iмн1

Uмн1 = 3,6/10 = 0,36 В; Iмн1 = 0,36/36,1 = 10 мА

Таким образом, после расчета вышеописанных величин процедура нахождения элементов входного каскада повторяет расчет выходного каскада, поэтому приведем ниже лишь сокращенные расчеты без комментариев.

1.5 Статический режим работы входного каскада

1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:

|Uкэ_А| ³ Uн_m + |Uкэ_min|;

|Uкэ_min| = 1В; Uкэ_А = 1,36 В

Iк_А³Iн_m/K_з, где K_З = 0,7-0,95. Примем Iка = 10,5 мА

1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада.

Теперь уравнение линии нагрузки будет E_п=I_k*R_k1+Uкэ+ I_э*R_э1 ; I_k»I_э.

Нагрузочная прямая имеет вид:

Па графику ВАХ определяем Iба = 0.6 мА.

N = 1 + R₂/ Rэ1 , N – коэффициент температурной нестабильности.

С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Ранее: ∆Iк₀ = 5,05*10^-6 [A].

∆Iк=(0,001¸0,01)*Iк_m,

выберем ∆Iк=15*10^-6 [A].

Рекомендуемое значение N вычисленное как

N=∆Iк/∆Iк₀=15*10^-6 / 5,05*10^-6 =3.

R2/Rэ1 = 2, R2 = 300 Ом.

Найдем R1 из:

R1 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ1))/(Uбэа+Iэа*Rэ1+Iба*R2)*R2

(Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R1 = 695 Ом.

Проверим правильность выбора Rэ1:

Iд = (Е - Uба)/R1, Uба = Iэа*Rэ1+Uбэа*Iба = 1,66 В, Iд = 10,5 мА.

Должно выполняться неравенство: Iд>=(5-10)*Iба; 10,5>=(5-10)*0,6 – верно.

Из графика входной характеристики определим U_БЭ по полученному из графика выходных характеристик I_БА.

При таком значении I_БА U_БЭ=0,95 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:

1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада

Коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:

K1 = -h_21э*(Rк1||Rвх2)/(Rг + Rвх1)

Rвх1 = R1||R2||h_11Э = 163,8 Ом;

Rк1||Rвх2 = 34,4 Ом;

K2 = -20*34,4/(70 + 163,8) = 2,94

Уточним значение коэффициента усиления выходного каскада с известным Rк1:

К2 = - h_21Э *(Rк2||Rн)/(Rк1 + Rвх2) = 6,1

1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

Для каскадов на биполярном транзисторе значение емкостей конденсаторов С C₁,C₂, C₃, C_Э1 , C_Э2 рассчитаем по следующим формулам:

1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициента усиления

В области средних частот реально развиваемый усилителем коэффициент усиления напряжения K_{РЕАЛ равен}:

Где Ki – коэффициент усиления i-го каскада.

K_{РЕАЛ =} K₁ * K₂ = 6,1 * 2,94 = 17,94

Так как K_РЕАЛ > K (коэффициент, расчитанный при определении числа каскадов K = 17,4), то расчет каскадного усилителя можно считать законченным.

1.9 Расчет элементов цепи ООС

По вычисленным в п. 1.1 значениям kβ и K рассчитаем величину

Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:

Назначим R_э1^’’ =10 Ом

R_ОС = 375 [Ом].

1.10 Построение характеристики Мос(ω)

Построим частотную зависимость Moc(ω). В данном случае этой зависимостью будет

Выражения для Mос_в() и Mос_н() одинаковы по виду, но для различных частотных диапазонов предполагают подстановку разных значений X, а именно: , для области средних и верхних частот и  для области нижних и средних частот.

Масштаб оси частот выбираем в десятичных логарифмах круговой частоты. На оси ч астот отметим точки ω_н и ω_в:

2. Моделирование усилителя на ЭВМ

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.

Для получения результатов, определяемых исходными данными, произведем корректировку значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значения приведены в спецификации.

По графикам АЧХ и ФЧХ, полученным в результате моделирования определим значения K, а также значение нижней частоты

Реально достигнутый коэффициент K находим из графика переходной характеристики: K=12;

Значение нижней частоты fн=90 Гц.

Рис. 2 Анализ входного каскада по Transient

Рис.3 Анализ выходного каскада по Transient

Рис.4 Схема каскадного усилителя на транзисторах

Рис. 5 Анализ усилителя по АС

Рис. 6 Анализ усилителя по Transient

Перечень элементов

Заключение

Дадим описание всем основным ошибкам, погрешностям, допущениям, а также, проанализировав ход решения курсовой работы, попытаемся сделать выводы, позволяющие увеличить точность расчетов и минимизировать объем трудовой деятельности.

Произведем анализ решения. Первым значительным недостатком являются исходные данные, заранее не проверенные на соответствие друг другу, а так же расчетным величинам.

Второй "критический" момент курсовой работы - выбор рабочей точки. Это обусловлено тем, что проектировщику усилителя предоставляется слишком большая свобода выбора рабочей точки.

Кроме того, если в схеме необходимо установить эмиттерный повторитель, свобода выбора рабочей точки значительно увеличивается из-за возможности выбрать практически любую точку, ограниченную лишь параболой мощности и значениями тока и напряжения, характеризующими местоположение этой точки.

Продолжая тему ручного просчета, необходимо заметить, что также большая неточность может иметь место при перестройке ВАХ из справочника на "миллиметровку", подлежащей последующим преобразованиям. Даже при относительно точном построении участка ветви, на котором величина тока становится постоянной, участок ветви, на котором идет возрастание тока строится крайне не точно, за счет построения на глаз. Ведь точно на глаз не определишь степень выпуклости функции, а величина, которая учитывает такого рода ошибки, входит в формулу нахождения расчетного коэффициента усиления, что делает этот коэффициент непригодным для использования.

При моделировании усилителя на ЭВМ появилась необходимость значительно (в десятки раз) уменьшать сопротивления коллекторного и эмиттерного переходов. Это произошло потому, что выбранный при моделировании транзистор слабо приближен по характеристикам к реально выбранному транзистору, на котором основывались все теоретические расчеты. Изменение этих величин никак не влияет на входное сопротивление каскадов и, значит, не влияет на связь между каскадами усилителя. В этом случае можно опираться на теоретические расчеты лишь как на начальное задание величин элементов каскадов и всего усилителя в целом.

Изменение величин емкостных элементов и сопротивления обратной связи каскадов является приемлемым при проектировании усилителя.

В заключение необходимо отметить, что разработанный усилитель все же выполняет свою главную функцию – усиливает сигнал по мощности в необходимое число раз.

Библиографический список

1. Баскакова И.В.,Перепёлкин А.И. Усилительные устройства:Методические указания к курсовой работе.-Рязань,РГРТА,1997.36с.

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,1982.656с.

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.