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

36 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

31449. Категории диалектики. «Система» - «структура» - «элемент». Принцип системности в научном познании 30.5 KB
  Система структура элемент. Группы: категории предметные 2категории отношения СИСТЕМА СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТ Элемент – относительно самостоятельная качественноопределенная составная часть сложного целого. Далеко не любая часть вещи – её элемент а только самая простая неделимая далее. Элемент позволяет в каждой системе обозначить относит её границы т.
31450. Категории диалектики. «Содержание» и «форма». Формализм 27 KB
  Содержание и форма. Группы: категории предметные 2категории отношения Содержание – это единство всех основных элементов объекта его свойств внутренних процессов связей тенденций развития. Содержание всегда определенным образом оформлено форма всегда содержательна. Поэтому закон необходимого соответствия определенной формы определенному содержанию: содержание изменяется быстрее чем форма а значит является ведущей определяющей стороной в развитии.
31451. Категории диалектики. «Сущность» и «явление», их взаимосвязь. Категория «кажимость» («видимость») 27.5 KB
  Философские категории это предельно общие универсальные понятия отражающих взаимосвязь всех предметов действительности. Сущность отражает внутреннюю внешне не воспринимаемую сторону предметов и явлений. Отношение – взаимосвязь предметов и явлений мира. Взаимосвязь – взаимообусловленность предметов разделенных в пространстве и во времени и обнаруживается обусловленность лишь в процессе их взаимодействия.
31452. Категории «причина» и «следствие», их диалектика. Принцип причинности и принцип детерминизма, их роль в научном познании. Индетерминизм 25 KB
  Принцип причинности и принцип детерминизма их роль в научном познании. Для реализации причинно следственных отношений большое значение имеют условия связи предмета с факторами внешнего окружения. При увеличении роли условии и подмена ими причинно следственных связей философ называется кандиционализмом. Причинность является генетической зависимостью – одно явление порождает другое явление.
31453. Категории диалектики. «Необходимость» и «случайность». Понятие «неизбежности» 25 KB
  Случайным является все то, что может быть, а может и не быть. Случайность выступает формой проявления необходимости, т.е. любой необходимы процесс осуществляется во множестве случайных форм
31454. Категории диалектики. «Возможность», «действительность», «невозможность». Виды возможности (реальные и формальные, абстрактные и конкретные) 27.5 KB
  Категории диалектики. У каждой науки есть свои категории. Философские категории это предельно общие универсальные понятия отражающих взаимосвязь всех предметов действительности. Философские категории строятся парами они противостоят друг ругу но не могут существовать друг без друга.
31455. Закон взаимного перехода качественных и количественных изменений. Соотношение категорий «качество», - «количество», «мера». Понятие «скачка». Виды скачков 34 KB
  Соотношение категорий качество количество мера. По механизму своей реализации: динамические описывают поведение относительно изолированного объекта все параметры движения которого известны; статические которые описывают связи в таких процессах в которых участвует большое количество сравнительно однородных объектов и в которых необходимость проявляется в виде Закона больших чисел: данный закон осуществляется не в каждом отдельном случае а действительно только для большого количества случаев ЗАКОН ВЗАИМНОГО ПРЕХОДА...
31456. 3акон единства и борьбы противоположностей. Соотношение категорий «тождество», «различие», «противоположность», «противоречие». Типы противоречий и формы их разрешения 38.5 KB
  Автор законов Гегель абсолютный идеализм законы применения для описания механизма развития абсолютного духа. Главная задача описать сам механизм развития. Закон единства и борьбы противоположностей главное – причина и источник развития Закон отрицания отрицания описывает в развитии траектория по которой развитие осуществляется Закон – это связь между явлениями и процессами действительности которые являются объективной всеобщей внутренней существенной необходимой а в силу этого устойчивой и повторяющейся. Единство и...
31457. Вакон отрицания отрицания. Соотношение категорий «новое» и «старое»; «уничтожение», «возникновение», «развитие», «становление» 35 KB
  Группы: категории предметные 2категории отношения ЗАКОНЫ Отец диалектики Гераклит. Автор законов Гегель абсолютный идеализм законы применения для описания механизма развития абсолютного духа. Закон взаимного перехода количественных и качественных изменений. Закон единства и борьбы противоположностей главное – причина и источник развития Закон отрицания отрицания описывает в развитии траектория по которой развитие осуществляется Закон – это связь между явлениями и процессами действительности которые являются...