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

31 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

22553. Совместное действие изгиба и растяжения или сжатия 134.5 KB
  Предположим что прогибами балки по сравнению с размерами поперечного сечения можно пренебречь; тогда с достаточной для практики степенью точности можно считать что и после деформации силы Р будут вызывать лишь осевое сжатие балки. Применяя способ сложения действия сил мы можем найти нормальное напряжение в любой точке каждого поперечного сечения балки как алгебраическую сумму напряжений вызванных силами Р и нагрузкой q. Сжимающие напряжения от сил Р равномерно распределены по площади F поперечного сечения и одинаковы для всех...
22554. Ядро сечения при внецентренном сжатии 75.5 KB
  Ядро сечения при внецентренном сжатии При конструировании стержней из материалов плохо сопротивляющихся растяжению бетон весьма желательно добиться того чтобы все сечение работало лишь на сжатие. Этого можно достигнуть не давая точке приложения силы Р слишком далеко отходить от центра тяжести сечения ограничивая величину эксцентриситета. Конструктору желательно заранее знать какой эксцентриситет при выбранном типе сечения можно допустить не рискуя вызвать в сечениях стержня напряжений разных знаков. Здесь вводится понятие о так...
22555. Совместные действия изгиба и кручения призматического стержня 55 KB
  Совместные действия изгиба и кручения призматического стержня Исследуем этот вид деформации стержня на примере расчета вала кругового кольцевого поперечного сечения на совместное действие изгиба и кручения рис. Строим эпюры изгибающих моментов My и My. У кругового и кольцевого поперечного сечений все центральные оси главные поэтому косого изгиба у вала вообще не может быть следовательно нет смысла в каждом сечении иметь два изгибающих момента Mx и My а целесообразно их заменить результирующим суммарным изгибающим моментом рис....
22556. Расчет балок переменного сечения 76.5 KB
  Так как изгибающие моменты обычно меняются по длине балки то подбирая ее сечение по наибольшему изгибающему моменту мы получаем излишний запас материала во всех сечениях балки кроме того которому соответствует . Для экономии материала а также для увеличения в нужных случаях гибкости балок применяют балки равного сопротивления. Под этим названием подразумевают балки у которых во всех сечениях наибольшее нормальное напряжение одинаково и должно быть равно допускаемому. Условие определяющее форму такой балки имеет вид и Здесь Мх и...
22557. Расчет балки на упругом основании 78.5 KB
  Расчет балки на упругом основании.1 на упругое основание оказывающее в каждой точке на балку реакцию пропорциональную у прогибу балки в этой точке. Расчетная схема балки на упругом основании. Будем считать что основание оказывает реакцию при прогибах балки как вниз так и вверх.
22558. Энергетические методы расчета деформаций 75.5 KB
  Он основан на применении закона сохранения энергии. При статическом растяжении или сжатии упругого стержня происходит превращение потенциальной энергии из одного вида в другой; часть потенциальной энергии действующего на стержень груза полностью переходит в потенциальную энергию деформации стержня. Это явление имеет место при любом виде деформации всякой упругой конструкции при статической нагрузке; такую конструкцию можно рассматривать как своеобразную машину преобразующую один вид потенциальной энергии в другой. При этих условиях...
22559. Теорема Кастильяно 133 KB
  Будем решать эту задачу в несколько приемов; сначала рассмотрим более простой случай Рис. Мы представим себе что для перехода к смежному деформированному состоянию к силе сделана бесконечно малая добавка Рис. Предположим что мы сначала нагрузили нашу балку грузом ; балка очень немного прогнется Рис. Рис.
22560. Теоремы о взаимности работ и Максвелла — Мора 150 KB
  Если к балке нагруженной силой приложить затем статически силу в сечении 2 то к прогибу точки приложения силы от этой же силы прибавится Рис.1 прогиб от силы равный ; первый значок у буквы у указывает точку для которой вычисляется прогиб; второй обозначает силу вызывающую этот прогиб. Расчетная схема к теореме о взаимности работ Полная работа внешних сил составится из трех частей: работы силы на вызванном ею прогибе т. работы силы на вызванном ею прогибе ее точки приложения т.
22561. Часова організація памяті 26.5 KB
  Часова організація памяті Безпосередній відбиток забезпечує утриманнялише протягом 50500 мс достатньо повного і детального образу картини зовнішнього світу що сприймаеться органами чуття. Цей вид памяті має різні параметри у кожної людини змінюється протягом життя індивіда і залежить від функціонального стану організму. Ця память відрізняеться від попердньої тим що дозволяє відтворювати будь яку частину представленого матеріалу і тим самим деякий час утримувати в памяті визначену кількість інформації. Не вся інформація з системи...