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

29 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

36213. Метод наименьших квадратов (МНК). Теорема Гаусса-Маркова. Анализ уравнения регрессии посредством коэффициента детерминации и остаточной дисперсии. МНК-прогноз 112.5 KB
  МНКпрогноз. Согласно методу наименьших квадратов МНК эти оценки находят из условия минимума функции Qb = где уi – наблюдаемое значение выходного параметра в iм эксперименте.1 МНКоценок и представляет прежде всего теоретический интерес.
36214. Понятие плана эксперимента. Оптимизационные свойства планов экспериментов. Полный факторный план и его свойства 46 KB
  Оптимизационные свойства планов экспериментов. Полный факторный план и его свойства. Одной из главных задач планирования экспериментов является выбор множества экспериментальных точек в некотором смысле оптимальных.
36215. Классификация математических моделей. Критерии качества моделей. Примеры моделей 66.5 KB
  Примеры моделей Суть моделирования состоит в замене исходного объекта упрощенной копией – математической моделью ММ и дальнейшем изучении модели с помощью вычислительнологических алгоритмов реализуемых на компьютерах. При исследовании любой системы методами математического моделирования возможно наличие нескольких альтернативных вариантов модели. Поэтому процесс построения наилучшего как правило компромиссного варианта модели достаточно сложен. Системный подход предполагает наличие следующих этапов создания модели.
36216. Простейший поток и его свойства. Модель простейшего потока 61 KB
  Модель простейшего потока. Свойства ординарного потока. Тогда для любого случайного потока имеем равенство как сумма вероятностей полной группы событий. Для ординарного же потока имеем.
36217. Уравнения Колмогорова. Моделирование многоканальной СМО с ограничением на длину очереди 75.5 KB
  Моделирование многоканальной СМО с ограничением на длину очереди Марковские процессы уравнения Колмогорова Случайный процесс t называется Марковским если его будущее не зависит от прошлого а определяется настоящим т. Примерами Марковских процессов являются при определенных предположениях процессы функционирования СМО.1 СМО может иметь установившийся стационарный режим. Для построения модели стационарного режима СМО положим все производные в системе 11 равными нулю.
36218. Имитация Марковских процессов с непрерывным временем и дискретными состояниями. Планирование машинных экспериментов при имитационном моделировании 91.5 KB
  Например пусть 1 – время через которое должен произойти переход в состояние Sj1 а 2 – время через которое должен произойти переход в состояние Sj2. Обозначим Т – время в течении которого будем наблюдать имитируемый процесс время прогона. Для тех дуг что i = k0 сформировать с помощью датчика случайных чисел k0 j – время ожидания перехода Sk0 Sj. Определить – время пребывания в состоянии Sk0 через какое время будет реальный переход в новое состояние.
36219. Классификация моделей оптимального синтеза. Методы релаксации в непрерывной оптимизации, условия сходимости. Алгоритмы градиентного метода и методов сопряжённых градиентов 119 KB
  Задача линейного программирования ЛП – функции критериев qkx и ограничений fix линейны; если хотя бы одна из этих функций нелинейна то имеем задачу нелинейного программирования НЛП. Задача выпуклого программирования – функции критериев qkx и ограничений fix выпуклые. Задача линейного целочисленного программирования – функции критериев qkx и ограничений fix линейны контролируемые входные переменные хj – целые числа. Оценка приращения функции Лемма 6.
36220. Теоретические основы линейного программирования. Симплекс-метод. Метод искусственного базиса 93.5 KB
  Канонической формой задачи ЛП называется такая ее запись при которой 1 целевая функция должна быть минимизирована; 2 все искомые переменные должны быть неотрицательны; 3 все ограничения кроме неотрицательности переменных имеют вид равенства. Оптимальные значения переменных от такой замены не изменятся. 2 Если в исходной задаче на какойто параметр хj не наложено условие неотрицательности то можно сделать замену переменных положив где – новые переменные удовлетворяющие условию неотрицательности. 3 Преобразование неравенств в...
36221. Очередь. Работа с динамической очередью 246 KB
  Например: Работа с очередью Для создания очереди и работы с ней необходимо иметь как минимум два указателя: на начало очереди возьмем идентификатор BegQ; на конец очереди возьмем идентификатор EndQ. Установка указателей BegQ и EndQ на созданный первый элемент: Удаление элемента очереди 1. Перестановка указателя начала очереди BegQ на следующий элемент используя значение поля Link которое хранится в первом элементе. После этого освобождается память начального...