151

Создание усилителя с обратной связью

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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.

Русский

2012-11-14

614 KB

28 чел.

Министерство образования РФ

Рязанская Государственная Радиотехническая Академия

Кафедра САПР  Вычислительных Средств

Усилитель с обратной связью

Пояснительная записка

к  курсовой работе по курсу:

«Электротехника и электроника»

                                                                           

                                                                           Выполнил: студент гр.0410

                                                                                                                     Тишкин Р.В.

 Проверил:  доцент кафедры САПР ВС

                                                                                                                      Перепёлкин А.И. 

                               

Рязань 2012

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.

  1.  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() - коэффициент частоты каскадов .

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K.    , 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 K

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 K

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

2.2.1. 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 = (22.5)[В])

  где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

                                           Рис.1. Схема усилительного каскада

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].

2.2.2. 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 :

                                      

где IК,IБ –окрестность рабочей точки А

Найдем ток IБА :

                    

По входным характеристикам транзистора определим величину UБЭА =0,75[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

.

2.2.3 Расчет емкостных элементов усилительных каскада

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

C2 , C3 рассчитаем по следующим формулам:

;

;

;

2.2.4 Расчет коэффициента усиления напряжения каскада:

Определим выходные параметры для промежуточного каскада:

 

                      2.3. Расчет элементов промежуточного каскада

2.3.1. 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 = (12.5)[В])

  где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

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].

2.3.2. 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 :

                                      

где IК,IБ –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

.

2.3.3 Расчет емкостных элементов усилительных каскада

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

C2 , C3 рассчитаем по следующим формулам:

;

;

;

2.3.4 Расчет коэффициента усиления напряжения каскада :

Определим выходные параметры для входного каскада:

                          2.4. Расчет элементов входного каскада

2.4.1. 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 = (12.5)[В])

  где KЗ–коэффициент запаса равный (0.70.95)

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].

2.4.2. 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 :

                                      

где IК,IБ –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

.

2.4.3 Расчет емкостных элементов усилительных каскада

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

C2 , C3 рассчитаем по следующим формулам:

;

;

;

2.4.4 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,1997.36с.

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.


                                  
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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48301. Общая физика, теоретические основы 359.5 KB
  Системы координат. С этой целью вводится система координат. Система координат позволяет определить положение тела в пространстве. Но нужна еще совокупность тела отсчета связанных с ним координат и синхронизирующих часов – это система отсчета.
48302. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея 244.5 KB
  Постоянство скорость света. Проверка этого закона особенно при исследовании скорости света показала его приближенный характер. Поэтому остановимся на главной проблеме физики прошлого века – изучение природы света. считал скорость света конечной.
48303. Относительность одновременности, принцип причинности. Длительность событий. Собственное время. Замедление хода движущихся часов 245.5 KB
  Пусть в системе в точках с координатами в моменты времени происходят два события. В системе им соответствуют координаты и моменты времени . Если события в системе происходят в одной точке и одновременно то . Если события в системе пространственно разобщены но одновременны то Т.
48304. Динамика. Силы. Законы Ньютона 161 KB
  Не является ли первый закон следствием второго Равномерное движение теряет смысл если часы системы отсчета не синхронизированы. То есть законы инерции без указаний системы отсчета теряют смысл. Первый закон Ньютона является независимым законом выражающим критерий пригодности системы отсчета для рассмотрения движения. Полную силу действующую на частицу обозначим через: Так как То То есть релятивистское уравнение движения имеет вид: Системы материальных точек.
48305. Потенциальные силы 154 KB
  Если смещение происходит вдоль одной координатной оси то Для консервативных сил Или Сила поля равна взятому со знаком минус градиенту потенциальной энергии частицы в этой точке поля. Примеры: Нормировка потенциальной энергии. Процедура придания потенциальной энергии однозначности называется нормировкой. Работа силы при поступательном движении материальной точки равна приращению кинетической энергии этой точки.
48306. Силы тяготения 195 KB
  Основной закон был сформулирован Ньютоном: Между двумя телами массы которых m1 и m2 находящихся на расстоянии r действуют силы взаимного притяжения F12 и F21 направленные от данного тела к другому телу причем модуль силы тяготения пропорционален произведению масс тел и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними где гравитационная постоянная. Шарообразные тела со сферически симметричным распределением массы в их объеме взаимодействуют так же как если бы их массы были сосредоточены в центрах шаров. гравитационная энергия...
48307. Конспект лекций по Java. Программирование на Java 2.04 MB
  Под жизненным циклом мы будем понимать процесс, необходимый для создания работающего приложения. Для программ на Java он отличается от жизненного цикла программ на других языках программирования. Типичная картина жизненного цикла для большинства языков программирования выглядит примерно так...
48308. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. СТРАХОВАНИЕ 351.5 KB
  Содержание Общая характеристика страхования История возникновения и развития страхования Сущность и функции страхования его роль в развитии экономики Основные понятия и термины используемые в страховании Классификация страхования.
48309. Социально-экономическая сущность страхования и её роль в рыночной экономике 488.5 KB
  Классификация рисков Понятие рисков страхования классификация рисков и риск-менеджмент. Договор страхования и принципы страхования. Социально-экономическая сущность страхования и её роль в рыночной экономике.