43083

Широкополосный резистивный усилитель низкой частоты

Курсовая

Физика

Порядок расчета. Расчет сквозного коэффициента усилителя Кскв = Uн Ug. Эскизный расчет всего усилителя. В этом расчете коэффициенты усиления эмиттерных повторителей принимаются за единицу т.

Русский

2013-11-04

2.56 MB

8 чел.

PAGE  8

Курсовой проект по курсу “Физические процессы в электронных цепях”

Задание

Спроектировать широкополосный резистивный усилитель низкой частоты, если заданы следующие параметры:

1. Амплитуда напряжения генератора сигнала   Ug

2, Внутреннее сопротивление источника сигнала  Rg

3. Напряжение на нагрузке (выходное напряжение усилителя)  Uн

4. Внешнее сопротивление нагрузки  .

5. Напряжение питания коллектора Ep.

6. Минимальная частота полосы пропускания f min.

7. Максимальная частота полосы пропускания f max.

Рассчитать все элементы схемы, рассчитать полосу пропускания усилителя и коэффициент нелинейных искажений. Нарисовать полученную схему усилителя с номиналами всех выбранных полупроводниковых приборов и элементов.

Усилитель проектируется с учетом особенностей изготовления устройства по микроэлектронной технологии, поэтому   во всех каскадах

1.Используется один тип биполярных транзисторов (БТ) КТ312 В.

2.Для стабилизации режима используются усилители с обратной связью по току в цепи эмиттера, а не цепи автосмещения, т.к. технологически встроить в интегральную схему  емкости с большими  номиналами невозможно. В усилителях с коэффициентом усиления более 300 необходимо  применить одну из схем обратной связи, позволяющей предотвратить уход постоянной составляющей.

3. Для согласования с источником сигнала и внешней нагрузкой и  обеспечения необходимого усиления на входе, между каскадами  и на  выходе усилителя используются эмиттерные повторители.

4. Для обеспечения режимов усиления без искажения между каскадами применяются диодные схемы согласования уровней.

Порядок расчета

1. Расчет сквозного  коэффициента усилителя    

Кскв = Uн/Ug

2. Эскизный расчет всего усилителя.

В этом расчете коэффициенты усиления эмиттерных повторителей  принимаются за единицу, т.е. Кэп = 0.8-1, а общий  коэффициент усиления  всего усилителя распределяют между каскадами.

Пример: Uн = 1,5 В, Rн = 200 Ом, Rg = 10 кОм,            Ug = 3 мВ

Кскв = Uн /Ug = 1,5/0.003 = 500.

Можно  предположить, что на одном каскаде на БТ такое усиление реализовать невозможно, т.к. сопротивление нагрузки очень мало, а сопротивление генератора велико.

Оценочный расчет коэффициента усиления при реализации всего усилителя на одном каскаде:

.

Если взять в этом расчете = 50, rб = 200, r=250, то Ku1 = 0.95, что значительно меньше Кскв всего усилителя. Аналогичную проверку можно сделать и на двух каскадах.

Поэтому в данном курсовом проекте, рекомендуется использовать следующую структурную схему усилителя (рис.1). При коэффициентах усиления менее 300 возможна реализация всей схемы без промежуточных эмиттерных повторителей.

На этом рисунке в первом приближении выбраны коэффициенты усиления каскадов. Введено обозначение ЭП – эмиттерный повторитель, каскады пронумерованы с конца.

Усилитель рекомендуется рассчитывать, начиная с оконечного каскада. Все каскады (2, 4  и 6) должны работать в активной области. Целесообразно выбирать усиление промежуточных стабилизированных каскадов  не более 30-35. После определения числа необходимых каскадов необходимо перейти к расчету по каскадам.

Литература

  1.  Репин А.В. Расчет транзисторных цепей. Учебное пособие по курсу «Электроника», М., МЭИ, 2003.
  2.  Репин А.В. Курсовое проектирование: Метод. пособие по курсу «Электроника», под ред. Кулешова В.Н., М., МЭИ, 2002.
  3.  Кулешов В.Н., Болдырева Т.И., Васильев М.В. Базовые ячейки функциональных узлов радиоэлектронных устройств на биполярных транзиторах», М., Изд.дом МЭИ, 2009 г.
  4.  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. М.: Мир, 1993 (или другой год) Т.1.

2. Выбор структурной схемы.

Приближенный расчет коэффициентов усиления промежуточных каскадов

Для предварительного расчета коэффициентов усиления предположим, что структурная схема усилителя изображена на рис.1.

Тогда

КUскв= Квх Кu7 Кu6 Кu5 Кu4 Кu3 Кu2 Кu1 = -500.

Если Квх= 0,8, а Кu7 = Кu5 = Кu3 = Кu1 = 0,9, то

.

Для минимизации нелинейных искажений, целесообразно выбирать коэффициенты усиления выходных каскадов меньшими, чем коэффициенты усиления входных. Поэтому выберем

,  а , где - некоторый коэффициент меньший единицы. Тогда

.

Для рассмотренного примера получаем:

Ku4 = -9.84, Ku2 = -4.9, Ku6 = -19.6. («─», так эти каскады инвертируют фазу).  

Примечание: для коэффициентов усиления порядка 300-500 можно спроектировать схему без промежуточных эмиттерных повторителей.

3. Расчет выходного эмиттерного повторителя на средних частотах

Рис.2. Схема выходного ЭП

Все напряжения, кроме напряжения на нагрузке Un,  имеют постоянную и переменную составляющие.

,

и.т.д.

Постановка задачи: известны Uн, Rн, Ep, выбран БТ. Необходимо выбрать RЭ. Рассчитать Uб0,  Uб1, Iб0,  Iб1, Ku1 и Rвх1.

3.1. Выбор режима ЭП по постоянному току и напряжению

Рис.3. Эквивалентная схема ЭП по постоянному току

БТ должен работать в активной области. Для этого при самом большом токе IК0max должно выполняться неравенство UКЭmin > 1 В. Кроме того, должно выполняться неравенство IК0max < IК0 доп.

Рис.4. Выбор рабочей точки БТ в ЭП1

3.2.Расчет выходного ЭП по переменному току

Для расчета ЭП заменим БТ линеаризованной эквивалентной схемой для СЧ и НЧ. Частоты усиливаемого сигнала низкие (т.е. сопротивление емкостей Сдиф и СК в области рабочих частот большое, поэтому их можно не учитывать). Кроме того допускаем, что .

Рис.5. Эквивалентная схема ЭП1 по переменному сигналу.

Из схемы рис.5 видно, что нагрузка  по переменному сигналу RЭ~ равна:

     (1)

        (2)

              (3)

На входе ЭП1 амплитуда переменного напряжения равна:

                         (4)

Поэтому коэффициент передачи ЭП1 равен

  .               (5)

Входное сопротивление ЭП1 по переменному сигналу равно

.                  (6)

3.3. Порядок расчета ЭП1

3.3.1. Выбрать RЭ = RН                                                                       (7)

3.3.2. Рассчитать нагрузку ЭП1 по переменному сигналу RЭ~ по (1) и IЭ1 по формуле (2).

3.3.3. Для того, чтобы ЭП1 работал в активной области выбрать постоянную составляющую тока эмиттера на 25% больше, чем переменную, т.е.

                        IЭ0 = 1,25 IЭ1                                               (8)

3.3.4. Рассчитать постоянное напряжение на сопротивлении в цепи эмиттера, максимальный ток Imax

UЭ0 = RЭ IЭ0 ,   Iэmax=IЭ0+IЭ1                                   (9)

и максимальное напряжение на эмиттере:

UЭmax = UЭ0 + UЭ1                                         (10)

3.3.5. Проверить  условие нахождения БТ в активной области при максимальном напряжении на эмиттере и не превышения I0maxдоп

             Ep - UЭmax > 1 В,           IЭmax< I0max.доп                                 (11)

3.3.6. Полагая, что в расчете используется кремниевый БТ считаем, что  

UБЭ0 = 0,6 В,                                                  (12)

поэтому постоянное напряжение на базе равно

UБ0 = UЭ0 + 0.6 В                                           (13)

3.3.7. Рассчитываем Ku1  по (5) и Rвх1 по (6).

3.3.8. Расчет IБ0, Uб1,

параметры эквивалентной схемы транзистора: , rб1.

Итоги расчета ЭП1: RЭ1,  IБ01, Uб01, Uб11,  Rвх1, Ku1, , rб1. (Последний индекс всех величин «1», показывает, что все величина рассчитаны для первого каскада).

Примечание: Для увеличения сопротивления нагрузки ЭП по переменному току RЭ1 и, следовательно, Ku1, можно в цепь эмиттера поставить идеальный генератор тока. Кроме того, такая схема позволит легко выполнить неравенства (11). Эквивалентная схема такого ЭП1 с по переменному сигналу выглядит следующим образом.

Рис.6. Эквивалентная схема ЭП1 с идеальным генератором тока.

Считаем, что генератор тока по переменному сигналу имеет бесконечно большое сопротив-ление, поэтому весь переменный ток протекает через нагрузку.

Поэтому IH = IЭ1 = UН/RН,

а UН = UЭ1.

Схема ЭП1 выглядит следующим образом (рис.7). Генератор тока реализован на транзисторе VTГТ.  

Сопротивление RЭГТ позволяет стабилизировать постоянную составляющую тока коллектора VTГТ  и повысить выходное сопротивление этого транзистора по переменному сигналу. Заданное значение постоянного тока коллектора транзистора VTГТ обеспечивается выбором сопротивлений RД1 и RД2 делителя напряжения, обеспечивающего необходимое напряжение смещения на базе транзистора VTГТ.  

Рис.7. Принципиальная схема ЭП1 с генератором тока в цепи эмиттера

3.4.  Порядок расчета эмиттерного повторителя с генератором тока на VTГТ

  1.  Известно RН и UН, следовательно, можно найти .

3.4.2. Так как через генератор тока переменная составляющая тока не протекает, то

                                               IЭ1 = IН.

3.4.3. Чтобы транзистор VT1 не заходил в область отсечки и не вносил нелинейные искажения, выберем

IЭ01 = 1,25 IЭ1

  1.  Из рис.7 видно, что выполняется равенство

                                               IК0ГТ = IЭ01.

  1.  Расчет токов эмиттера и базы транзистора VTГТ.

Для генератора тока используем тот же тип БТ, что и в эмиттерном повторителе, т.е. ГТ = и:

IБ0ГТ = IК0ГТ/ГТ,         IЭ0ГТ = (ГТ + 1) IБ0ГТ.

  1.  Выбор RЭГТ. Для обеспечения достаточной стабильности постоянного тока коллектора и повышения выходного сопротивления транзистора по переменному сигналу в 10–15 раз достаточно выбрать величину сопротивления RЭГТ = (25-30) Ом.
    1.  Расчет сопротивлений RД1 и RД2.

Uб0ГТ = IЭ0ГТ RЭГТ + 0,6  (В).

Выберем Iдел = 10 IБ0ГТ, тогда  

, .

  1.  Выбор постоянного напряжения на эмиттере БТ VT1 UЭ01.

      Условие выбора: транзисторы VT1 и VTГТ  должны работать в активной области. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы выполнялись следующие неравенства:

                           (14)

.                    (15)

Если считать, что для заданного типа БТ UKЭ min доп = 1 В, то можно рассчитать наименьшее значение  по формуле:

,

а затем проверить выполнения неравенств (14) и (15). Если не выполняется неравенство (14), то необходимо уменьшить величину сопротивления  RЭГТ и повторить расчет сопротивлений RД1 и RД2 и постоянного напряжения UЭ01.

3.4.9. Расчет Кu1, и  для схемы рис.7:

,

,

  1.   Проверка не превышения допустимых токов выполняется по формулам (9) – (11).

Итоги расчета ЭП1: RЭ1,  IБ01, Uб01, Uб11,  Rвх1, Ku1, , rб1. (Последний индекс всех величин «1», показывает, что все величина рассчитаны для первого каскада).

4. Расчет каскада с резистивной обратной связью в цепи  эмиттера

4.1.Схема усилителя с резистивной обратной связью в цепи  эмиттера

Схема усилителя показана на рис.8. Основные условия выбора режима работы БТ (VT2):

Рис.8. Схема промежуточного стабилизированного усилителя

  1.  Транзистор должен работать в активной области, т.е.

Uкэ2min > 1 В

2.Должны  выпол-няться условия слабого влияния следующего каскада, т.е.

Iб0,1 << Ik0,2;

Rk,2 << Rвх,1

4.2. Расчет усилителя по переменным токам и напряжениям

Рис.9. Эквивалентная схема УС2

Эквивалентная схема по малому сигналу второго усилителя с учетом влияния первого эмиттерного повторителя показана на рис.9.

Для этого усилителя нагрузка по переменному сигналу равна:

                                    (16)

Коэффициент усилителя по напряжению:

                                         (17)

Из схемы можно получить выражение для KU2

                         (18)

Если , то

                                         (19)

Таким образом;  слабо зависит от

4.3 Порядок расчетаУС2.

  1.  Выбираем                                                     (20)
  2.  Т.к.   ,                                                             (21)

то                                                       (22)

  1.  Проверка  
  2.  Из предварительного расчета известен , поэтому решив уравнения (18) относительно , находим .
  3.                            Проверка                             (23)

     

      

         

      

       .                      (24)

Если <1B, то в части периода VT2 заходит в область насыщения. Поэтому необходимо увеличить , добавив диод перед VT1, тогда

                                      (25)

После этого пересчитываем (22); (24) и проверяем условие (23).

6. Расчет                                                  (26)

7. Расчет                                     (27)

                                                             (28)

Итоги расчета УС2 :

.

  1.  Выбор схемы и расчет промежуточного эмиттерного повторителя (ЭП)

Если  относительно невелико и сильно зависит от , а  мало, целесообразно в качестве 3-ого каскада использовать не УС3, а ЭП3, тогда повысится входное сопротивление третьего каскада и 4-ый каскад будет, в основном, работать на сопротивление, поставленное в цепи коллектора 4-ого каскада.

5.1. Схема промежуточного повторителя

Рис. 10. Схема 3-х каскадов с ЭП3

5.2. Расчет ЭП3.

Для того чтобы УС4 работал в линейном режиме и VT4 работал в активной области, необходимо повысить потенциал Uэо3 транзисторе VT3, включив необходимое число диодов. В рассмотренном примере включены 2-а диода D23. Постоянное напряжение Ud0 на D23 (Si) порядка 1,2В, а по переменному сигналу диоды должны иметь малое дифференцированное сопротивление (порядка единиц Ом). Для того, чтобы увеличить Iэо,3 поставим сопротивление Rв2, выбрав его величину так, чтобы Rдиф диодов было мало.

Если поставить 2-а диода (Si), то

                               (29)

Выберем  (или больше)                                         (30)

Тогда

               ,                                     (31)

                ,                                          (32)

Дифференциальное сопротивление каждого из диодов

                                         (33)

Если используется в схеме n-диодов, то

                                      (34)

Тогда полное сопротивление нагрузки ЭП3 равно:

                            (35)

и

 ,                          (36)

где                     ,                                    (37)

Тогда                               .                                   (38)

Постоянное напряжение на входе 3-ого каскада

,                                 (39)

,                                      (40)

   .                     (41)

Итоги расчета ЭП3:

Rв2; Rвх3;Uб0,3;Iб0,3;Uб13;Iб13;Ku3.

Замечание: Можно сделать расчет всего усилителя без ЭП3. Тогда структурная схема усилителя будет выглядеть следующим образом:

Рис. 11. Структурная схема усилителя без промежуточного ЭП.

Методика расчета УС3 аналогична УС2. Возможно, для обеспечения работы каждого из транзисторов в АО необходимо будет использовать диоды.

Дальнейшая методика расчета изложена для усилителя со структурной схемой на рис.11 без пятого  промежуточного повторителя ЭП5.

6. Выбор схемы и расчет 4-ого каскада.

 6.1. Схема 4-ого усилительного каскада.

На этом этапе целесообразно уточнить Ku4. Расчет 4-го УС4 подобен расчету УС2.

Предположим что Ku5=0,9, поэтому

Рис. 12. Схема 2-4 каскадов

  1.   Порядок расчета УС4.
  2.  Выберем                                                           (42)
  3.                                                               (43)
  4.                                       (44)
  5.   ,                                       (45)

где  .                                                             (46)

5.                                                   (47)

6.                                         (48)

7.                                                               (49)

8.                       (50)

9. Проверка  

Аналогичным образом рассчитываются УС6 и ЭП5, если они необходимы.

7. Расчет входного ЭП.

Как показывает практика обычно входное сопротивление всего усилителя Rвхус без входного ЭП близко к Rg и коэффициент передачи входной цепи Kвх  0,5, что значительно снижает  , поэтому обычно на входе используют ЭП.

7.1. Схема входного ЭП без цепи обратной связи.

Рис. 13. Схема входного ЭПб

7.2. Порядок расчета ЭПб

  1.  Выбор                                                                (51)
  2.                                                                           (52)
  3.                                                                  (53)
  4.                                                                          (54)
  5.                                    (55)
  6.                                (56)

В итоге расчета желательно получить

1. Rвх5>Rg

2. IЭ0,5 должен быть больше, чем ток, при котором  снижается до уровня 0,7 от номинального значения, указанного в справочнике.

Если усилитель охватывается ООС, то делитель Rб1 и Rб2 считать не нужно, т.к. обеспечивать необходимый ток Iб0,5 будет цепь  ООС, расчет которой будет проведен на следующем этапе.

Итоги расчета ЭП5;

                                      (57)

8. Проверка суммарного коэффициента усилителя

После расчета всех каскадов необходимо проверить, чтобы  было равно заданному, т.е.

,

где n-число каскадов.

Если  превышает необходимый коэффициент усиления, то  необходимо уменьшить KU4 и повторить расчет УС4 и ЭП5.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22906. Лема про знак 126 KB
  Тоді добуток входить до визначника Δ зі знаком Доведення. Зрозуміло що даний добуток входить до визначника . За означенням визначника даний добуток входить до визначника зі знаком тобто зі знаком . Аналітичний запис визначника.
22907. Визначник трикутного вигляду 34 KB
  В ньому визначаються дві діагоналі. Визначником трикутного вигляду відносно головної діагоналі називається визначник всі елементи якого що стоять вище або нижче головної діагоналі дорівнюють 0. Таким чином можна зробити висновок: визначник трикутного вигляду відносно головної діагоналі дорівнює добутку елементів головної діагоналі Δ= a11a22ann Означення. Визначником трикутного вигляду відносно побічної діагоналі називається визначник всі елементи якого що стоять вище або нижче побічної діагоналі дорівнюють 0.
22908. Транспонування визначника 33 KB
  В перший стовпчик визначника Δ1 запишемо елементи першого рядка визначника Δ не змінюючи їх порядок. Далі в другий стовпчик визначника Δ1 запишемо елементи другого рядка визначника Δ не змінюючи їх порядок і так далі. В nй стовпчик визначника Δ1 запишемо елементи nго рядка визначника Δ.
22909. Властивості визначників 96.5 KB
  Будемо формулювати і доводити властивості лише для рядків визначника але за попереднім зауваженням вони мають місце і для стовпчиків визначника. Нульовим рядком називається рядок визначника всі елементи якого дорівнюють 0. Нехай й рядок визначника Δ нульовий. Якщо в визначнику переставляються місцями два рядки то змінюється лише знак визначника.
22910. Теорема про розклад визначника за елементами рядка або стовпчика 67 KB
  Доповнюючим мінором елемента aij називається визначник Mij який одержуються викресленням з визначника Δ i го рядка та j го стовпчика. Ця теорема дозволяє звести обчислення визначника n го порядку до обчислення визначників порядку n1. Фіксуємо iй рядок визначника Δ та доведемо що всі добутки що складають доданок aijAij входять у визначник Δ причому з таким самим знаком як і у доданку aijAij.
22911. Визначник Вандермонда 32.5 KB
  Визначником Вандермонда n го порядку називається визначник. Доведення проведемо індукцією за порядком n визначника При n=2 Припустимо що твердження виконується для визначника Вандкрмонда Δn1 порядку n1 і знайдемо визначник Δn. Як відомо визначник не змінюється якщо від деякого рядка відняти інший рядок домножений на число. Тому у визначника Δn спочатку від останнього рядка віднімаємо рядок з номером n1 домножений на a1.
22912. Системи лінійних рівнянь 22 KB
  Система лінійних рівнянь називається сумісною якщо вона має принаймні один розв’язок. Система лінійних рівнянь називається несумісною якщо вона не має розв’язків. Сумісна система лінійних рівнянь називається визначеною якщо вона має єдиний розв’язок.
22913. ТЕОРЕМА КРАМЕРА 43.5 KB
  Αn1x1αn2x2αnnxn=βn Складемо визначник з коефіцієнтів при змінних α11 α12 α1n Δ= α21 α22 α2n αn1 αn2 αnn Визначник Δ називається головним визначником системи лінійних рівнянь 1. Якщо головний визначник Δ квадратної системи лінійних рівнянь 1 не дорівнює нулю то система має єдиний розв’язок який знаходиться за правилом: 2 Формули 2називаються формулами Крамера. Домножимо перше рівняння системи 1 на A11 друге рівняння – на А21 і продовжуючи так далі nе рівняння системи домножимо на Аn1. Отримаємо рівняння яке...
22914. Обчислення рангу матриці 20.5 KB
  Основними методами обчислення рангу матриці є методи оточення мінорів теоретичний і метод елементарних перетворень практичний. Методи оточення мінорів полягає в тому що в ненульовій матриці шукається базисний мінор. Тоді ранг матриці дорівнює порядку базисного мінору.