49308

Усилительное устройство

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилительное устройство - устройство, усиливающее мощность сигнала. С точки зрения схемотехнического построения усилители бывают транзисторные и на базе интегральных микросхем (ИМС). Преимуществами усилителей на базе ИМС являются: меньшие размеры, меньшее потребление и более высокое качество.

Русский

2014-01-15

969.96 KB

35 чел.

Содержание

Введение……………………………………………………………………. 3

1. Предварительный расчет усилителя………………………………….. 4

2. Расчет оконечного (четвертого) каскада……………………………... 5

3. Расчет третьего каскада……………………………………………….. 10

4. Расчет второго каскада………………………………………………....16

5. Расчет первого каскада…………………………………………………22

6. Принципиальная схема усилителя на транзисторах………………....28

7. Расчет усилителя на базе ИМС………………………………………...28

8. Входные и выходные характеристики транзисторов………………...31

Основные выводы ………………………………………………………… 33

Список использованной литературы……………………………………. 34


Введение

Усилительное устройство  - устройство, усиливающее мощность сигнала. С точки зрения схемотехнического построения усилители бывают транзисторные и на базе интегральных микросхем (ИМС). Преимуществами усилителей на базе ИМС являются: меньшие размеры, меньшее потребление и более высокое качество. Однако транзисторные усилители также широко распространены, поскольку некоторые задачи усиления пока нельзя решить использованием ИМС.

Усилители можно разделить на различные группы по следующим признакам:

  1.  по виду используемого усилительного элемента — ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;
  2.  по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);
  3.  по ширине полосы усиливаемых частот — узкополосные, широкополосные усилители;
  4.  по характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов;
  5.  по усиливаемой электрической величине — усилители напряжения, тока, мощности;
  6.  по типу нагрузки — резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

В данной курсовой работе рассчитывается широкополосный усилитель, работающий в полосе частот 500 Гц .. 1 МГц на нагрузку  Rн=150 Ом. В пояснительной записке рассчитаны варианты усилителя, выполненные на транзисторах и на  базе современных операционных усилителей.
1. Предварительный расчет усилителя.

Усилительное устройство можно условно разделить на каскады: входной каскад, каскады предварительного усиления, обеспечивающее основное усиление, и оконечный каскад.

В зависимости от величины внутреннего сопротивления источника сигнала R1 входной каскад выбирают по схеме общий эмиттер (ОЭ) при R1=3…10 кОм или по схеме с общим коллектором (ОК) при R1>10 кОм.

Оконечный каскад при сопротивлении нагрузки >300 Ом выбирают по схеме  ОЭ, при меньших значениях – по схеме ОК.

Анализируя исходные данные, можно предположить следующее: входной каскад выберем по схеме ОЭ, т.к. внутреннее сопротивление источника сигнала R1=10 кОм. Выходной каскад  выберем по схеме ОК (эмиттерный повторитель), так как сопротивление нагрузки Rн=150 Ом.

Для определения числа промежуточных каскадов определим коэффициент усиления промежуточных каскадов:


                                     

Коэффициент ослабления сигнала во входной цепи (т.е. при передаче его от источника сигнала к входу первого каскада усиления) принимают равным от 0,6…0,9, причем меньшим значениям соответствуют большие значения R1. Для определенности возьмем 0,9. Получаем 4 каскада. Рассчитаем коэффициент усиления:      

                   
                                  

    Определим частотные искажения  каждого каскада путем распределения заданных частотных искажений.

                                                              

                                                              

Все коэффициенты частотных искажений получились равными 0,997 и 0.997 , которые на практике обеспечить ни один транзистор не сможет, поэтому придется ввести коррекцию в одном из каскадов.

                   

                   

Таким образом, структурная схема усилителя будет выглядеть следующим образом:

Рис.1.Структурная схема усилителя

2. Расчет 4-го каскада (эммитерного повторителя).

Выбор транзистора:

Находим минимальную частоту для всех транзисторов, используемых в данном усилителе:

Гц.

Находим мощность транзистора, который можно использовать в этом каскаде:

Вт

 Вт.

В качестве оконечного каскада используется эммитерный повторитель. В роли активного элемента используется биполярный транзистор, модели КТ817 (N-P-N типа).

Принципиальная схема 4-го каскада.

Справочные данные транзистора:

Сопротивление в цепи эмиттера находим из выходной вольт – амперной характеристики транзистора.

Ом

А

Округлим значение до ближайшего стандартизованного:  =39 Ом

Параметры рабочей точки:

Усилитель работает в режиме класса “A”. В этом режиме р.т. не заходит в не линейный участок. Так как усилитель работает в линейном режиме, то мы можем описывать оконечный каскад системой Y- параметров.

По входным и выходным вольт - амперным  характеристикам находим

 

Находим проводимости:

Рассмотрим область средних частот:

Эквивалентная схема 4-го каскада в области средних частот.

В области средних частот коэффициент усиления не зависит от частоты.

где  S – крутизна транзистора

      YЭ - проводимость в цепи эмиттера

Yi =Y22 - выходная проводимость  

Рассмотрим область низких частот:

В области низких частот сказывается СР. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 4-го каскада в области низких частот

Номинал: =43 мкФ

Рассмотрим область высоких частот:

В области высоких частот сказывается С0. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 4-го каскада в области высоких частот. 

= 0,99

Рассчитаем схему температурной стабилизации, т.е. резисторы R1 и R2. Выберем допустимое изменение тока коллектора

 А

Изменение обратного тока коллектора:

,      где          ,

- максимальная температура окружающей среды.

А

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечивать схема температурной стабилизации

.

Рассчитаем сопротивление делителя:

,

где .

Ом.

Расчёт сопротивлений делителя R1 и R2:

Ом

Ом

Номинал R1 =300 Ом, номинал R2=430 Ом.

Пересчитаем сопротивление делителя с учётом реальных номиналов сопротивлений:

Ом.

Найдем входное сопротивление транзистора:

Определяем напряжение на входе каскада:                   

3. Расчет 3-го каскада

Принципиальная схема 3-го каскада

Находим мощность транзистора, который можно использовать в этом каскаде. 

-входное сопротивление 3-го каскада.

 Вт

 Вт.

В качестве активного элемента в 3-ем каскаде используем транзистор КТ815 (N-P-N   типа):

Параметры рабочей точки:

45,215

Округлим значение до ближайшего стандартизованного значения:  

=10 Ом

=43 Ом

Усилитель работает в режиме класса “A” , следовательно его можно описать системой Y- параметров.

По входным и выходным вольт - амперным  характеристикам находим:

Находим проводимости:

Рассчитаем схему температурной стабилизации, т.е. резисторы R1 и R2. Выберем допустимое изменение тока коллектора

,

 А

Изменение обратного тока коллектора:

,      где          ,

- максимальная температура окружающей среды.

А

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечивать схема температурной стабилизации

.

Рассчитаем сопротивление делителя:

,

где .

Ом.

Расчёт сопротивлений делителя R1 и R2:

Ом

Ом

Номинал R1 =82Ом

Номинал R2=448 Ом

Пересчитаем сопротивление делителя с учётом реальных номиналов сопротивлений:

Ом.

Найдем входное сопротивление каскада:

Начинаем рассматривать каскад на различных частотах:

Эквивалентная схема 3-го каскада.

Эквивалентная схема 3-го каскада.

Рассмотрим область средних частот.

Эквивалентная схема 3-го каскада в области средних частот.

В области средних частот коэффициент усиления не зависит от частоты.

где  S – крутизна транзистора

      YК -  проводимость в цепи коллектора

                        Yi =Y22  - выходная проводимость  

                   - проводимость предыдущего каскада.

Рассмотрим область низких частот:

В области низких частот сказывается СР. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 3-го каскада в области низких частот.

Номинал = 910  мкФ

Номинал = 33  мкФ

Рассмотрим область высоких частот.

                       В области высоких частот сказывается С0. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 3-го каскада в области высоких частот.

Определяем напряжение на входе каскада:

В

4. Расчет 2-го каскада

Принципиальная схема 2-го каскада

Находим мощность транзистора, который можно использовать в этом каскаде.

-входное сопротивление 2-го каскада.

мВт

 мВт.

Корпусных транзисторов рассеивающих такую малую мощность нет, поэтому  в качестве активного элемента в 2-м каскаде используем транзистор КТ301 (N-P-N   типа).

Параметры рабочей точки:

180,45

Округлим значение до ближайшего стандартизованного значения:

=43 Ом

=180 Ом

Усилитель работает в режиме класса “A” , следовательно его можно описать               системой Y- параметров.

По входным и выходным вольт - амперным  характеристикам находим:

Находим проводимости:

Рассчитаем схему температурной стабилизации, т.е. резисторы R1 и R2. Выберем допустимое изменение тока коллектора

,

Изменение обратного тока коллектора:

,      где          ,

- максимальная температура окружающей среды.

А

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечивать схема температурной стабилизации

.

Рассчитаем сопротивление делителя:

,

где .

Ом.

Расчёт сопротивлений делителя R1 и R2:

 Ом

Номинал R1 =390 Ом

Номинал R2=2,4 кОм

Пересчитаем сопротивление делителя с учётом реальных номиналов сопротивлений:

Ом.

Найдем входное сопротивление каскада:


Начинаем рассматривать каскад на различных частотах:

Рис 21. Эквивалентная схема 2-го каскада.

Рис 22. Эквивалентная схема 2-го каскада.

Рассмотрим область средних частот.

Рис 23. Эквивалентная схема 2-го каскада в области средних частот.

В области средних частот коэффициент усиления не зависит от частоты.

где  S – крутизна транзистора

YК - проводимость в цепи коллектора

Yi =Y22 - выходная проводимость

- проводимость предыдущего каскада.

Рассмотрим область низких частот:

В области низких частот сказывается СР. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 2-го каскада в области низких частот.

 Номинал = 200 мкФ

Номинал = 30 мкФ

Рассмотрим область высоких частот.

             В области высоких частот сказывается С0. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 2-го каскада в области высоких частот.

Определяем напряжение на входе каскада:

В

5. Расчет 1-го каскада

Принципиальная схема 1-го каскада

Находим мощность транзистора, который можно использовать в этом каскаде.

-входное сопротивление 1-го каскада.

 мкВт

 мкВт.

Корпусных транзисторов рассеивающих такую малую мощность нет, поэтому  в качестве активного элемента в 1-м каскаде используем транзистор КТ302 (N-P-N   типа).


Параметры рабочей точки:

320,2

Округлим значение до ближайшего стандартизованного значения:

=39 Ом

=164 Ом

Усилитель работает в режиме класса “A” , следовательно его можно описать системой Y- параметров.

По входным и выходным вольт - амперным  характеристикам находим:

Находим проводимости:

Рассчитаем схему температурной стабилизации, т.е. резисторы R1 и R2. Выберем допустимое изменение тока коллектора

,

 А

Изменение обратного тока коллектора:

,      где          ,

- максимальная температура окружающей среды.

А

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечивать схема температурной стабилизации

Рассчитаем сопротивление делителя:

,

где .

Ом.

Расчёт сопротивлений делителя R1 и R2:

Ом

Ом

Номинал R1 =56 кОм

Номинал R2=62 кОм

Пересчитаем сопротивление делителя с учётом реальных номиналов сопротивлений:

Ом.

Найдем входное сопротивление каскада:


Начинаем рассматривать каскад на различных частотах:

Эквивалентная схема 1-го каскада.

Эквивалентная схема 1-го каскада.

Рассмотрим область средних частот.

Эквивалентная схема 1-го каскада в области средних частот.

В области средних частот коэффициент усиления не зависит от частоты.

где  S – крутизна транзистора

YК -  проводимость в цепи коллектора

Yi =Y22  - выходная проводимость

- проводимость предыдущего каскада.

Рассмотрим область низких частот:

В области низких частот сказывается СР. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 1-го каскада в области низких частот.

Номинал =270 мкФ

Номинал = 51 мкФ

Рассмотрим область высоких частот.

В области высоких частот сказывается С0. Следовательно, ей мы пренебречь не можем.

Эквивалентная схема 1-го каскада в области высоких частот.

Определяем напряжение на входе каскада:

6. Принципиальная схема усилителя на транзисторах

7. Расчёт усилителя на ИМС.

Рассчитаем усилитель, построенный на интегральных микросхемах. Определим коэффициент усиления всего усилителя с учётом запаса.

Выберем операционный усилитель 140УД10

Основные характеристики микросхемы 140УД10:

Входное сопротивление                                              Rвх = 1 МОм

Выходное напряжение                                                Uвых = 10 В

Напряжение смещения                                                Uсм = 8 мВ

Ток смещения                                                                 Iсм = 2мкА

Напряжение питания (однополярное)                     Епит = 5…18 В

Потребляемый ток                                                         Iпот = 8мА

Граничная частота                                                          f = 5 МГц

Для построения каскадов используем неинвертирующую схему включения ОУ

Расчёт 1-го каскада:

 Ом

 Ом

 Ф

 Ф

Номиналы:

R1=91 кОм     R2=5.1 кОм

С1=130 нФ          C2=3,9 нФ

Расчёт 2-го каскада:

 Ом

 Ом

 Ф

 Ф

Номиналы:

R1=180 кОм     R2=5.1 кОм

С1=68 нФ          C2=1.8 нФ

Принципиальная схема усилителя на ИМС:

Входные и выходные характеристики транзисторов

  1.  КТ817

  1.  КТ815

  1.  КТ 815

  1.  КТ301

Основные выводы.

В данной курсовой работе мы рассчитали транзисторный и микросхемный вариант усилителя гармонических сигналов. Разработали структурную схему, рассчитали оконечный, предоконечный, первый и второй каскады усилительного устройства. Выбрали подходящие транзисторы и привели их входные и выходные характеристики. Также мы рассчитали схему усилителя на базе ИМС.

В настоящее время трудно определить область техники, где бы ни находили применение усилители электрических сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании различных неэлектрических физических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных устройств. Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включения с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение только в узком классе устройств. Усилительное устройство условно можно разделить на каскады: входной каскад, каскады предварительного усиления и выходной каскад.

Список использованной литературы

1. И.Г. Мамонкин, Усилительные устройства. Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 2-е, М., "Связь", 1977 г.

2. Г.В. Войшвилло, Усилительные устройства, М., "Радио и связь", 1983 г.

3. К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник, М., 1985 г.

4. А. Хоровиц, П. Хилл, Искусство схемотехники. Том 2, М., "Иностранная литература", 1992 г.

5. О.П. Григорьев, Диоды. Справочник, М., "Радио и связь", 1990 г.

6. Motorola 2004 Data Book. Volume I. U.S.A, Sunnyvale: Motorola Inc, 2003 г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49755. Электромеханический привод 817.65 KB
  Определяем по формуле где КПД быстроходной ступени цилиндрического редуктора; принимаем ; КПД тихоходной ступени цилиндрического редуктора; принимаем ; КПД конической передачи; принимаем ; КПД одной пары подшипников; принимаем ; k – число пар подшипников в механизме; k=3 Определяем выходную мощность привода Тогда потребная мощность двигателя Выбираем двигатель ДПМ25Н1 Н205 Общий вид электродвигателя его габаритные и присоединительные размеры представлены на рис. Определяем передаточное отношение цилиндрического редуктора ....
49756. Информационная система «Русский тюнинг автомобилей» 1.51 MB
  Исследовать предметную область; Разработать пользовательский интерфейс программы; Разработать основные алгоритмы программы; Определить внешние сущности и накопители данных; Построить информационную модель и ее описание; Реализовать интерфейс и основные алгоритмы программы.
49757. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ 374.56 KB
  Расчет ширины спектра сигнала модулированного двоичным кодом 10 1. Расчёт отношений мощностей сигнала и помехи необходимых для обеспечения заданного качества приёма 11 2.1 Формирование информационного сигнала 13 2.2 Формирование сигнала синхронизации 15 2.
49758. Выполнение проекта структурированной кабельной системы 344.5 KB
  Современный мир устроен так, что информационное взаимодействие, обмен информацией являются важнейшими компонентами, которые обеспечивают благополучие и развитие общества. Затраты на развитие и поддержание инфраструктуры такого взаимодействия весьма существенны и с целью снижения таких издержек пришли к пониманию необходимости комплексного решения задач информационного взаимодействия
49759. Разработка программы для имитационного моделирования системы массового обслуживания 815.12 KB
  Основные показатели: коэффициент использования системы средняя задержка в очереди среднее время ожидания среднее по времени число требований в очереди и в системе. Емкость накопителя требований r равна 14 дисциплина обслуживания – циклическая с квантом q = 10 секунд. В системе интервалы времени между поступлениями требований являются независимыми случайными величинами со средним временем = 60 секунд. Время обслуживания является случайной величиной некоррелированной с интервалами поступления требований.
49760. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДА 591 KB
  Требуемая мощность кВт электродвигателя привода определяем по формуле: где Рв потребляемая мощность измельчителя Уточнение передаточных чисел привода Определяем общее передаточное отношение привода по формуле: Тогда Находим передаточное число редуктора: Тогда Принимаем Уточняем передаточное отношение открытой передачицепной: тогда SH – коэффициент запаса прочности принимаем в соответствии с рекомендациями с....
49761. Разработка базы данных подразделения учета основных средств предприятия 269.12 KB
  Целью данной курсовой работы является разработка базы данных подразделения учета основных средств предприятия. По итогам выполнения данной работы должна получиться информационная система, удовлетворяющая современным требованиям и упрощающая работу работников бухгалтерии по учету основных средств сельскохозяйственного предприятия.
49763. Автоматизация конструирования и технологической подготовки производства РЭС 263.93 KB
  На рисунках 1 и 2 представлены условнографическое отображение микроконтроллера PIC16C8404 P и чертеж его корпуса соответственно. Рисунок 1 – Условнографическое отображение микроконтроллера PIC16C8404 P. На рисунках 1 и 2 представлены условнографическое отображение микросхемы КМ155ИД11 и чертеж её корпуса соответственно. Рисунок 1 – Условнографическое отображение микросхемы КМ155ИД11.