86099

RC – усилитель низкой частоты

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Рассматриваемый в курсовой работе каскад предварительного усиления предназначен для усиления входного сигнала с минимальными нелинейными искажениями до величины, необходимой для обеспечения выделения на выходном каскаде заданной мощности. Для уменьшения нелинейности выбирается режим класса А, т.е. линейный участок входной характеристики транзистора.

Русский

2015-04-02

2.15 MB

17 чел.

Курсовая  работа

по  дисциплине   «Электроника»

на  тему : „ RC – усилитель  низкой частоты


Содержание:

Содержание………………………………………………………………………………2

Задание на курсовую работу…………………………………………………………… 3

Введение………………………………………………………………….……………… 4

Краткие теоретические сведения……………………………….……………………… 5

Анализ схемы усилителя………………………………………...……………………… 8

Расчёт схемы……………………………………………………...……………………… 9

Заключение………………………………………………………...…………………… 15

Список используемой литературы. …………………………………………………... 16

Приложения……………………………………………………..……………………… 17

Задание

Транзистор  ГТ308В ; Ек = 9В; Uвых m  3В; fн.гр=30Гц ;

схема 4,  табл. 5.2 [4] ; Rн = 1кОм; Сн = 5 пФ Графоаналитический   расчет  ( режим  класса  А ); Sдоп =2.

 


Введение.

В настоящее время трудно определить область техники, где бы не находили применeние усилители электрических сигналов. Это объясняется несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании неэлектрических величин в электрические, параметрам, нужным для нормальной работы большинства исполнительных устройств.

          Рассматриваемый в курсовой работе каскад предварительного усиления предназначен для усиления входного сигнала с минимальными нелинейными искажениями до величины, необходимой для обеспечения выделения на выходном каскаде заданной мощности. Для уменьшения нелинейности выбирается режим класса А, т.е. линейный участок входной характеристики транзистора.

           Курсовая работа включает в себя основные теоретические сведения по данному вопросу, графоаналитический расчет, АЧХ и ФЧХ, а также принципиальную схему RC-усилителя.

Краткие теоретические сведения.

 Усилитель – это устройство, предназначенное для повышения мощности выходного сигнала. Превышение мощности выходного сигнала над мощностью входного осуществляется за счёт энергии источника питания. Элементы, на которых построен усилитель, управляют передачей энергии источника питания в нагрузку.

        Усилительные свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления напряжения Ku, тока Ki и мощности Kp, показывающими, во сколько раз значение выходного параметра увеличилось в результате усиления по сравнению со значением выходного:

                Ku = Uвых/Uвх;   Ki = Iвых/Iвх;   Kp = Pвых/Pвх,      (1)

где  Uвх, Iвх, Pвх и Uвых, Iвых, Pвых – параметры входного и выходного сигналов.

                Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в децибелах.  В логарифмической форме коэффициенты усиления (1) можно записать так:

          Ku = 20 lg(Uвых/Uвх); Ki = 20 lg(Iвых/Iвх); Kp = 10 lg(Pвых/Pвх).

              Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов, т.е.

                   Kобщ(дБ) = К1(дБ) + К2(дБ) + … +Кn(дБ)

В  зависимости от диапазона усиливаемых частот различают усилители:

  •  звуковой частоты;
    •  широкополостные (видеоусилители);
      •  полосовые(резонансные);
      •  постоянного тока.

В рабочем диапазоне частот  всех без исключения усилителей наблюдается неравномерность усиления; при этом  нарушается частотный состав входного сигнала – он искажается. Для анализа этих искажений, называемых частотными, используют амплитудно – частотную характеристику АЧХ усилителя, выражающую зависимость коэффициента усиления  от частоты усиливаемого сигнала.

Качественным показателем усилителей являются нелинейные искажения – искажение формы сигнала в процессе усиления. Причиной нелинейных искажений является, главным образом, нелинейность вольт – амперных характеристик   усилительных элементов (транзисторов), а также неправильно выбранный  режим их работы. В результате нелинейных искажений при усилении чисто синусоидального сигнала в выходном сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие, т.е. изменяется гармонический состав входного сигнала. Этот вид искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений

где U(1) , I(1) , U(n) , I(n) – соответственно действующие значения первой и n-й гармонических составляющих выходного напряжения и тока.

Для многокаскадного усилителя содержащего n каскадов,

         n

Kr = Kr1 * Kr2 * … *Krn = Σ Ki

            i=1

        Так как вследствие появления дополнительных гармонических составляющих нарушается правильное воспроизведение сигнала, основная задача при построении и регулировании усилителей – уменьшение нелинейных искажений.

Цепи усилителей содержат реактивные элементы, вносящие фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, зависящий от частоты. Фазочастотная характеристика отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжением, т.е. аргумента коэффициента усиления  от частоты. Нелинейный характер реальной фазочастотной характеристики указывает на различные временные сдвиги для отдельных гармоник сигнала сложной формы. Поэтому фазовые искажения, оцениваемые обычно так же, как и частотные искажения на нижней fн.гр. и верхней fв.гр. граничных частотах полосы пропускания, определяются не абсолютными значениями угла φ = 2*π*f, разностью координат Ф фазочастотной характеристики и касательных к ней. Очевидно Фнн. и Фвв.

Важными характеристиками усилителя являются амплитудная характеристика UВЫХ=f(UВХ) на некоторой постоянной частоте и динамический диапазон количественно оцениваемый как

D=UВХ max /UВХ min ,

гден UВХmin и UВХmax – минимальное и максимальное входные напряжения, при которых нелинейные искажения не превышают установленных норм. Если динамический диапазон измеряется в децибелах, то

D(дБ) = 20lg D = 20 lg(UВХ max /UВХ min).

Важнейшими параметрами усилителя являются:

  1.  номинальная выходная мощность – максимальная мощность на           выходе, при которой нелинейные искажения не превышают допустимого уровня;
  2.  чувствительность – минимальное напряжение на входе, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность;
  3.  динамический диапазон – отношение максимальной амплитуды входного сигнала, при которой его искажения имеют предельное допустимое значение, к чувствительности усилителя;
  4.  Коэффициент полезного действия – отношение полезной мощности на выходе усилителя к мощности, потребляемой им от источника питания;
  5.  Входное сопротивление Rвх , характеризующее усилитель как нагрузку для источника входного сигнала;
  6.  Выходное сопротивление Rвых , характеризующее нагрузочную способность усилителя.

Существует несколько режимов работы усилителя. В представленной курсовой работе используется режим А.

Для режима А характерен невысокий уровень нелинейных искажений, однако он не экономичен из-за значительного тока Iк=  ,который должен поддерживаться в транзисторе при ожидании входного сигнала. Максимально теоретический КПД  для такого режима составляет  50% , обычно же при расчете он не превосходит 35 – 40%.

АНАЛИЗ СХЕМЫ  УСИЛИТЕЛЯ.

В курсовой работе расчитывается RC-усилитель с эмиттерной  стабилизацией  по  току . Основой каскада усиления является транзистор p-n-p типа ГТ308В, включаемый с общим эмиттером (ОЭ). Источник входного сигнала представлен эквивалентным генератором э.д.с. (Ег, Rг).

Индексом “=” обозначены постоянные составляющие токов транзистора и напряжение на электродах в рабочей точке.

R1, R2 – делитель напряжения, создающий смещение на базе транзистора.

Rк  – устанавливает ток коллектора.

Rэ – стабилизация по току.

Rн - нагрузка.

C1,C2-конденсаторы,служащие для отделения постоянных составляющих напряжений.

Cэ-шунтирует резистор Rэ, устраняет  отрицательную обратную связь по переменному току.

Сн-паразитная ёмкость между проводами.

VT-транзистор ГТ308В-германиевый импульсный сплавно-диффузиозный p-n-p типа, усилительный, высокочастотный.

Электрический  расчёт  схемы

  1.  Входное сопротивление усилителя.

    Так как входная емкость сравнительно мала (порядка долей пФ).

     Входное сопротивление можно считать чисто активным.

Rвх=Uвх/Iвх

Параллельно входному сопротивлению подключается цепь смещения R1|| R2=RБ тогда RВХ.ОБЩ. = RВХ || RБ  RБ.

  1.  Выходное сопротивление усилителя и сопротивление     коллектора.

Выходное сопротивление также можно считать чисто активным.

Rвых=Uвых/Iвых

RВХ.ОБЩ. = RВЫХ || RК = (RВЫХ  RK)/( RВЫХ + RК), т.к. RВЫХ Rк.

Следовательно, нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току не совпадают.

  1.  Графоаналитический расчёт.
  2.  Берем семейство входных и выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Ограничиваем рабочую область на выходных характеристиках (штриховые линии PМАКС,UКЭ МИН,UКЭ МАКС).
  3.  На семействе выходных харакеристик в рабочей области строим нагрузочную характеристику, которая описывается выражением

.

Она пересекает координатную систему в точке UКЭ=EК при IK=0 и в точке EK/RK при UK=0. Точками 1-7 обозначаем пересечение нагрузочной характеристики с выходными характеристиками.

  1.  Переносим нагрузочную характеристику в семейство входных характеристик        (точки 1-7).
  2.  На входной характеристике выбираем линейный участок (точки 2-4). Рабочую точку (А) выбираем посередине линейного участка и переносим ее в семейство выходных характеристик (А).

Так как сопротивление нагрузки соизмеримо с сопротивлением коллектора, нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току не совпадают, следовательно, графоаналитический расчёт необходимо делать на основании нагрузочной характеристики по переменному току.

R = Rк ||Rн

Iк= Ек / R

Через точку (0, Iк) и точку А проведём нагрузочную характеристику по переменному току.

  1.  На диаграммах находим постоянные составляющие токов (IБ=, IК=) и напряжений   (UБЭ=, UКЭ=).
  2.  На диаграммах определяем амплитулы напряжений (UБЭm, UКЭm) и токов (IБm, IКm).
  3.  Определяем коэффициенты усиления

;; .

Pвых (IКm  UКЭm)/2 ; Pвх (IБm  UБЭm)/2

  1.  Найдем КПД усилителя:

                      =(IКm  UКЭm/2)/(IК=  UКЭ=)100%

Выберем коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе в схеме с общим эмиттером

h21э=(80…150)

h21э= =Iк/Iб= (21,6*0,001)/(0,125*0,001) = 146,3

IБ= = 0,17510-3A UБЭ= = 0,38 B KI =146,3 Вт         RК = 161 Ом

IК= = 25,610-3A UКЭ= = 4,7 B KU=21,42 Вт h21э=146,3

IБm = 0,12510-3 A UБЭm = 0,14 B KР=3702,9 Вт

IКm = 21,610-3 A UКЭm = 3 B            =26,93%

Рассчитаем номиналы элементов по следующим формулам:

 Sдоп=2.

Rэ = 105 Ом

Выберем по ГОСТу: R1 = 100 Ом.

Rб = 106 Ом

R2 = 162 Ом

Выберем по ГОСТу: R2 = 160 Ом

R1 = 308,3 Ом

Выберем по ГОСТу: R1 = 300 Ом.

Iд = 19 мА

  1.  Расчёт мощности на резисторах.

Выберем резисторы с учётом потребляемой ими мощности:

В общем случае имеем Рдоп =I2 R

PR1 = (IД+IБ)2R1 = 0,1132 Вт, учитывая 25% запас по мощности выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25-300Ом 10%.

PR2 = IД2R2 = 0,058 Вт, учитывая 25% запас по мощности выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25-160Ом 10%.

P = (IЭ +IБ)2RЭ = 0,069 Вт, учитывая 25% запас по мощности выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25-100Ом 10%.

P = IК2RК = 0,106 Вт, учитывая 25% запас по мощности выбираем по ГОСТу резистор МЛТ-0,25-160Ом 10%.

  1.  Коэффициент температурной нестабильности.

Коэффициент температурной нестабильности выражается

следующей формулой:

S=3,86

  1.  Расчёт емкостей конденсаторов.

Исходя из худшего случая возникновения отрицательной обратной связи по переменному току (по условию fн.гр.= 30 Гц,следовательно, н.гр.=2 fн.гр. =188,5 с-1), найдём:

X1 << RK +RБ  т. е. С1  10/(н.гр.  (RK + RБ)) 201,6 мкФ

X2 << RН  т. е.  С2  10/(н.гр. RН)  53 мкФ

XЭ << RЭ  т. е.  СЭ  10/(н.гр. RЭ) 506,2 мкФ

Выберем конденсатор С1 по ГОСТу:

С1  200 мкФ; К53 – 16А – 10В 200мкФ±20%

Выберем конденсатор С2 по ГОСТу:

С2  51 мкФ; К53 – 16А – 10В 51мкФ20%

Выберем конденсатор Сэ по ГОСТу:

СЭ  510 мкФ; К50 – 16 – 10В 510мкФ(-20 +80)%

  1.  Расчёт АЧХ и ФЧХ.

Аналитически АЧХ описывается выражением:

Для удобства сравнения АЧХ при различных номиналах элементов усилителя её представляют в нормированном виде:

где  = 0,2 / f - постоянная транзистора,

       - коэффициент передачи по току базы в схеме с ОЭ,

      f - предельная частота усиления в схеме с ОБ,

       = С2 (RК +RН).

Подставим значения:

Диаграмма АЧХ приведена в Приложении (рис.1).

ФЧХ аналитически описывается выражением:

Подставив значения, получим:

Диаграмма ФЧХ приведена в Приложении (рис.2).


Заключение

Простота использования усилительных схем привела к тому, что широкое распространение нашли составные транзисторы и составные «каскады» усиления, в которых усиливающей ячейкой является не один каскад, а несколько.оьъединенных в одну схему.

Усилители, имеющие очень большое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, очень широкую полосу пропускания частот, линейную амплитудную характеристику  и большое усиление, могут иметь обширную область применения.

Такие усилители находят широкое применение и фактически используются как усилительная ячейка.Обычно схемы, состоящие из нескольких каскадов усиления, содержат также дополнительно различные температурные и другие коррекции.

           В данной работе выполнен графоаналитический и электрический  расчет RC – усилителя, рассчитаны АЧХ и ФЧХ. В приложении представлены их графические представления, принципиальная схема и спецификация к ней.  

Список используемой литературы.

  1.  В.А. Скаржепа, В.И. Сенько. Электроника и микросхемотехника (сборник задач); Под ред. А.А. Краснопрошиной – К.: Высшая школа, 2009

  1.  В.Т. Волков. Исследование RC-усилителя на биполярных таранзисторах. Лабораторная работа по дисциплине «Аналоговая и цифровая электроника» - Рыбинск, РГАТА, 2010.

  1.  Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Патрусевич и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – М.: Радио и связь, 2007

  1.  Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др. Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. – М.: Радио и связь, 2011

  1.  Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Н.Н. Горюнов, А.Ю. Клейман, Н.Н. Комков ми др.; Под общ. ред. Н.Н. горюнова. – 4-е изд., перерад. и доп. – М.: Энергия, 2008

  1.  Конспект лекций по курсу электроники.                                                                                                                                                  

   


Приложение

Рис.1.АЧХ

Приложение

Рис.2.ФЧХ



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40102. Математическая модель маятника на каретке 1.46 MB
  В качестве обобщенных координат для рассматриваемой системы с двумя степенями свободы выберем t угол отклонения маятника и xt положение каретки. Для записи уравнений динамики механической системы воспользуемся уравнениями Лагранжа второго рода 1.1 получим математическую модель рассматриваемого объекта в виде системы двух дифференциальных уравнений второго порядка 1. Дифференциальные уравнения в форме Коши Для записи системы дифференциальных уравнений в форме...
40103. СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА 13.61 MB
  Построение компьютерной модели с целью имитации движений, а также применение методов теории управления упрощается, если исходные уравнения привести к форме Коши. Для этого разрешим исходные уравнения относительно старших производных. Заметим, что старшие производные входят в уравнение линейно, что позволяет представить уравнения в матричной форме
40104. Синтез алгоритмов управления нестабильным объектом 449.5 KB
  Для достижения цели проекта необходимо решить следующие задачи: 1 – составить нелинейную математическую модель объекта и провести анализ методом компьютерного моделирования; 2 – провести анализ устойчивости управляемости и наблюдаемости объекта по линеаризованной модели; 3 – синтезировать регулятор состояния методом размещения собственных значений [2]; 4 – синтезировать наблюдатель состояний и динамический регулятор; 5 – оценить размеры области притяжения положения равновесия нелинейной системы с непрерывным регулятором; 6 – построить...
40105. Двойственный симплекс-метод, основные принципы, алгоритм. Случаи, когда удобно применять двойственный симплексный метод 178 KB
  ДСМ ДСМ как и СМ называется методом последовательного улучшения оценок и применяется для решения задачи: исходным пунктом этого метода является выбор такого базиса . Таким образом основные принципы ДСМ заключаются в том чтобы: каждый раз выполнялось 2 значения целевой функции убывало. Для этого воспользуемся 2м принципом ДСМ. Чтобы обеспечить это надо выбрать так что: 6 Алгоритм ДСМ формулируется так: Выбираем базис и строим I симплекстаблицу Если все то решение оптимально иначе переход к 3.
40106. Задача максимизации прибыли при заданных ценах на продукцию и ресурсы. Анализ оптимальных решений с помощью множителей Лагранжа 34.5 KB
  Требуется решить задачу максимизации прибыли при заданных P0 и p: mx P0fx – p x 1 x  0 2 Исследование задачи будем проводить с помощью функции Лагранжа: – балансовое соотношение В оптимальном плане x для любых используемых ресурсов отношение цены к предельной эффективности постоянно. Для этих же ресурсов показали что соотношение предельных эффективностей равно соотношению цен. Наибольшая отдача будет от тех ресурсов которые имеют самую большую предельную эффективность в текущей точке.
40107. Теорема о необходимых и достаточных условиях оптимальности смешанных стратегий 167.5 KB
  Пусть игра определена матрицей и ценой игры V. – оптимальная стратегия 1 игрока х является первой координатой некоторой седловой точки фции выигрыша Мх у. СЛЕДСТВИЕ: Если для смешанных стратегий и числа V одновременно выполняются 1 и 2 то будут оптимальными стратегиями игроков а V– цена игры. Докво: умножим 1 на y и просуммируем: умножим 2 на x и просуммируем: Получаем Тогда по следствию Т о седловой точке точка – седловая и –...
40108. Функция выигрыша в матричных играх без седловой точки. Смешанные и оптимальные смешанные стратегии. Метод сведения решения матричных игр к задаче линейного программирования 119.5 KB
  Функция выигрыша в матричных играх без седловой точки. Парная игра с нулевой суммой задается формально матрицей игры – матрицей А = {ij} элементы которой определяют выигрыш первого игрока и проигрыш второго если первый игрок выберет iю стратегию а второй jю стратегию. Пара i0j0 называется седловой точкой матрицы решением игры если выполняются условия: mx по столбцу I игрок min по строке II игрок Значение функции выигрыша в седловой точке называется ценой игры. Тогда выигрыш первого игрока при условии что он выбирает...
40109. Методы штрафных функций и методы центров в выпуклом программировании 90 KB
  Методы штрафных функций и методы центров в выпуклом программировании Метод штрафных функций Постановка задачи Даны непрерывно дифференцируемые целевая функция fx = fx1 xn и функции ограничений gjx = 0 j = 1 m; gjx 0 j = m1 p определяющие множество допустимых решений D. Требуется найти локальный минимум целевой функции на множестве D т. Стратегия поиска Идея метода заключается в сведении задачи на условный минимум к решению последовательности задач поиска безусловного минимума вспомогательной функции: Fx Ck =...
40110. Методы наискорейшего и координатного спуска для минимизации выпуклой функции без ограничений. Их алгоритмы и геометрическая интерпретация 94.5 KB
  Все методы спуска решения задачи безусловной минимизации различаются либо выбором направления спуска, либо способом движения вдоль направления спуска. Решается задача минимизации функции f(x) на всём пространстве Rn. Методы спуска состоят в следующей процедуре построения последовательност