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

84584. Тепловіддача в організмі та її регуляція 43.34 KB
  Виділення тепла з організму відбувається наступними шляхами: 1. Тепловипромінювання виділення тепла за допомогою довгохвильового інфрачервоного випромінювання. Тому механізми регуляції змінюють віддачу тепла шляхом радіації змінюючи температуру тіла. Віддача тепла шляхом випаровування змінюється регуляторними механізмами за рахунок зміни потовиділення.
84585. Регуляція ізотермії при різній температурі навколишнього середовища 50.47 KB
  При кімнатній температурі організм оголеної людини 30 тепла віддає шляхом радіації 1215 шляхом конвекції 20 шляхом випаровування та 35 шляхом проведення поки що не встановлено чому але при наявності двох оголених людей в кімнаті теплепродукція збільшується на 500 досліджувати цей цікавий факт Вам майбутнім фізіологам світочам української науки. Варто зауважити що для віддачі тепла шляхом радіації конвекції та проведення має буте градієнт температури шкіри та оточуючого середовища. Тому під час високої зовнішньої...
84586. Механізми сечоутворення. Клубочкова фільтрація і фактори, від яких вона залежить 44.81 KB
  В результаті цього процесу плазма крові фільтрується в просвіт капсули ШумлянськогоБоумена і утворюється первинна сеча ультрафільтрат плазми крові який за складом відрізняється від неї тільки відсутністю білків. гідростатичний тиск крові в капілярах ниркового тільця близько 70 мм. онкотичний тиск плазми крові близько 30 мм. Плазма крові фільтрується в просвіт капсули через нирковий фільтр який складається з трьох шарів: шар ендотеліоцитів капілярів 1; базальна мембрана 2; шар подоцитів епітелій капсули 3; Ендотелій...
84587. Канальцева реабсорбція і секреція, їх фізіологічні механізми 46.32 KB
  Реабсорбція окремих речовин в проксимальному сегменті нефрона: Реабсорбція іонів натрію N в основному проходить активно. В базолатеральних мембранах клітин епітелію канальців локалізується нптрійкалієва помпа яка з затратами АТФ транспортує іони натрію із клітини в інтерстиційну рідину. За рахунок роботи помпи в клітині підтримується низька концентрація іонів натрію. Через канали апікальної мембрани клітин іони натрію входять в неї пасивно за механізмом дифузії.
84588. Реабсорбція речовин в наступних відділах нефрона 50.77 KB
  Кількість речовин в первинній сечі можна розрахувати за формулою: Кількість речовини = Кпл ШКФ де: Кпл концентрація речовини в плазмі крові; ШКФ швидкість клубочкової фільтрації ШКаФ; Кпл ШКФ = Кс Д звідси: ; Синтетичний полісахарид інулін вільно фільтрується але не реабсорбується і не секретується. Тому визначивши коефіцієнт очищення за інуліном оцінюють ШКФ. ШКФ можна оцінити визначивши кліренс за ендогенним креатиніном який реабсорбується і секретується але обєми цих процесів однакові. Показники ШКФ розраховують на стандартну...
84589. Поворотно-протипоточна система нирок її фізіологічні механізми і роль 52 KB
  Поворотнопротипоточна система нирки ППСН забезепчує при необхідності: розведення сечі тобто виводить у великому обємі води малу кількість солей та метаболітів. Так нирки працюють при надлишку води в організмі наприклад при надлишковому її прийомі. концентровання сечі тобто виводять у малому обємі води велику кількість солей та метаболітів. Регуляція реабсорбції йонів натрію і води в канальцях нирки.
84590. Роль нирок в забезпеченні кислотно-основного стану крові 38.28 KB
  Роль нирок у підтримці кислотноосновного стану крові повязана із здатністю епітеліоцитів ниркових канальців секретувати протони які надалі виводяться з організму. Протони секретуються в просвіт канальців а бікарбонатні йони реабсорбуються у кров. Протони котрі секретуються нирковим епітелієм взаємодіють з різними компонентами сечі.
84591. Фізіологія як наука. Поняття про функцію. Методи фізіологічних досліджень 44.59 KB
  Нормальна фізіологія наука про обєктивні закономірності протікання функцій організму в їх взаємозвязку і у взаємодії організму із зовнішнім середовищем. Функція це діяльність і властивість клітин органів систем організму які проявляються як фізіологічний процес чи сукупність процесів. Неспецифічні притаманні багатьом чи всім тканинам та клітинам організму. Обєктом фізіологічного дослідження є функція організму його систем органів і клітин.
84592. Потенціал спокою, його параметри, механізми походження та фізіологічна роль 49.49 KB
  Формула Нернста для розрахунку величини ПС: де R універсальна газова стала T абсолютна температура F число Фарадея [K і] концентрація іонів К в клітині [K е] концентрація іонів К поза клітиною. Особливостями проникності мембрани клітини в стані спокою вона проникна для іонів К та непроникна для іонів N. Цей білок на внутрішній поверхні мембрани розщеплює АТФ на АДФ та фосфат й використовує енергію що виділилась на транспортування трьох іонів N з клітини та двох іонів К в клітину. Отже за рахунок роботи НКН...