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

19 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

30899. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Легочные объемы 36.5 KB
  Легочные объемы Анатомофизиолгические показатели легочные объемы определяются антропометрическими данными индивидуума : 1ростовесовыми показателями 2 строением грудной клетки 3 дыхательных путей 4 строением и свойствами легочной ткани эластическая тяга легких поверхностное натяжение альвеол 5 силой дыхательных мышц Легочные объёмы и ёмкости ОЕЛ ЖЕЛ РОвд ЕВвд ДО РОвыд ФОЕ ОО Коллапсный О Минимальный О Легочные объемы: Общая емкость легких ОЕЛ количество воздуха находящееся в легких после максимального вдоха. ОЕЛ состоит...
30900. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Функциональные показатели 27.5 KB
  Минутный объем дыхания МОД объем воздуха который проходит через легкие за 1 минуту. Этот показатель можно определить двумя методами: с помощью спирографии ДО умножается на частоту дыхания и путем сбора воздуха в мешок Дугласа. МВЛ это максимальное количество воздуха которое может вдохнуть и выдохнуть пациент за 1 минуту ЧД более 50 уд мин; N=1418. Форсированная жизненная емкость легких ФЖЕЛ количество воздуха которое пациент может выдохнуть за счет экспираторного маневра максимально быстро и полно .
30901. Газообмен в легких и тканях 34 KB
  Газовый состав вдыхаемого альвеолярного и выдыхаемого воздуха Дыхательные газы Вдыхаемый воздух Альвеолярный воздух Выдыхаемый воздух О2 мм рт. в процессе жизнедеятельности идет постоянный процесс потребления О2 и выделения СО2 это поддерживает концентрацию дыхательных газов в нем на постоянном уровне. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью. Транспорт газов кровью.
30902. Транспорт газов кровью 280.5 KB
  В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород углекислый газ азот. При содержании гемоглобина 150 г л норма каждые 100 мл крови переносят 208 мл О2. Это кислородная емкость крови. Другой показательсодержание кислорода в крови взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной 20 мл О2 100 мл крови и венозной 14 млО2 100 мл крови .
30903. Регуляция дыхания 30.5 KB
  Регуляция дыхания Главная задача регуляции дыхания чтобы потребление кислорода поставка его тканям за счет внешнего дыхания были адекватны функциональным потребностям организма. Самый эффективный способ регуляции дыхания в целом это регуляция внешнего дыхания. Интенсивность внешнего дыхания зависит от варьирования его частоты и глубины. В регуляции дыхания можно выделить 3 группы механизмов: 1.
30904. Механизмы перестройки внешнего дыхания 32 KB
  Накопление СО2 в крови гиперкапния стимулирует дыхание человек будет дышать глубже и чаще. СО2 вымывается из крови гипокапния . ещё до повышения уровня СО2 в крови. Регуляция тонуса сосудов легких 1 Ведущая роль принадлежит газовому составу крови: понижение содержания в крови СО2 приводит к повышению тонуса легочных сосудов при этом уменьшается количество крови которое успевает обогатиться в легких О2 за единицу времени; увеличение СО2 наоборот уменьшает тонус легочных сосудов а значит повышается кровоток и газообмен.
30905. Пищеварение и его значение 36.5 KB
  Методы исследования пищеварительного тракта : XVIII век начало формирования научных методов исследования пищеварительного тракта и его функций. Все методы подразделяются на: 1. Острые методы : Характерная особенность острых экспериментов результат быстро как правило однократно условия далеки от физиологических . а вивисекционный метод прижизненное вскрытие ; б метод изоляции органов или участков органов перфузия питатательными растворами чувствительность к БАВ; в методы канюлирования выводных...
30906. Виды моторики пищеварительного тракта 49 KB
  Физиологические свойства и особенности гладкой мускулатуры пищеварительной трубки Гладкая мускулатура пищеварительной трубки состоит из гладкомышечных клеток ГМК. Межклеточные контакты ГМК пищеварительной трубки обеспечивает наличие нексусов. ГМК пищеварительной трубки обладают рядом физиологических свойств: возбудимостью проводимостью и сократимостью. Особенности возбудимости ГМК пищеварительной трубки: Возбудимость ГМК пищеварительной трубки ниже чем у миоцитов поперечнополосатой мускулатуры ППМ.
30907. Пищеварение в полости рта 27.5 KB
  Пищеварение в полости рта Секреция в ротовой полости В ротовой полости слюну вырабатывают 3 пары крупных и множество мелких слюнных желез. 1 Время нахождения пищи в ротовой полости в среднем 1618 секунд. Е нормальная микрофлора ротовой полости которая угнетает патологическую. В пределах ротовой полости ферменты слюны практически не оказывают влияния изза незначительного времени нахождения пищевого комка в ротовой полости.