close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Proektirovanie usilitelnykh ustroystv

код для вставкиСкачать
ВВЕДЕНИЕ.
Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для усиления входного сигнала по мощности (току, напряжению). В общем случае усилитель может содержать несколько каскадов, соединенных между собой последовательно через цепи связи. Структурная схема n-каскадного усилителя с цепями межкаскадной связи (ЦС) и цепью общей обратной связи β показана на рис.1.
Рис.1. Структурная схема усилителя
Основными параметрами и характеристиками усилителя являются:
* коэффициент усиления;
* входное и выходное сопротивления;
* частотные характеристики;
* нелинейные искажения;
* динамический диапазон сигнала;
* искажение импульсных сигналов.
Целями курсового проектирования являются:
* изучение методов проектирования и разработки электронных; устройств в соответствии с данными технического задания
* расчет статических и динамических параметров электронных устройств;
* практическое применение программного обеспечения схемотехнического моделирования электронных устройств.
1.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ.
1.1.РАСЧЕТ ЧИСЛА КАСКАДОВ И КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ УСИЛИТЕЛЯ.
По исходным данным определяем действующие значения на нагрузке: А.
По вычисленным действующим значениям определяем амплитудные значения на нагрузке:
В.
Коэффициент усиления замкнутого усилителя с отрицательной обратной связью (ООС) предполагается заданным отношением:
Коэффициент усиления разомкнутого усилителя K определяется как:
K=*(1-kβ) (1)
Найдем kβ, для этого предположим что число каскадов n=1. Тогда:
x=1
Решая данное уравнение, получаем отрицательный корень kβ= -2,2.
Подставим в выражение (1): K=38*(1-(-2,2))=121,6
Условие K ≤ 10 не выполняется.
Предположим, что число каскадов n=2. Тогда:
x=1
Решая данное уравнение, получаем отрицательный корень kβ=-1,2.
Подставим в выражение (1): K=38*(1-(-1,2))=83,6
Условие 10< K≤100 выполняется.
На этом расчет коэффициента усиления по напряжению усилителя и числа каскадов закончен. 1.2. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ УСИЛИТЕЛЬНОГО (ВЫХОДНОГО) КАСКАДА.
Схема усилительного каскада имеет вид:
Рис.1
1.2.1. По исходным данным:
В.
1.2.1. Пусть рабочая точка "" имеет координаты (
Координата по току:, коэффициент запаса.
Координата по напряжению: =1...2,5В для маломощных транзисторов;
=2,5...4В для мощных транзисторов.
Чтобы рассчитать координату по напряжению, предварительно оценим мощность транзистора:
=0,12769Вт < 0,3Вт. Следовательно, транзистор маломощный
Тогда =1.7В и Получаем точку (13В; 0,016А).
1.2.1. Определяем значение в точке как 2* и наносим эту точку на график
Округляем до ближайшего значения из стандартного ряда напряжений питания:
{5,6; 6,3; 10; 12,6; 24; 27; 36; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100}.
=27В.
1.3. ВЫБОР СОПРОТИВЛЕНИЙ И . ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ЛИНИЙ НАГРУЗКИ.
1.3.1. Через 2 точки ( проводим линию нагрузки, которая показывает зависимость .
1.3.2. Далее определяем сопротивление по выражению:
1.2.2.3.Для хорошей термостабилизации в схему включают сопротивление и выбирают из диапазона (0,1...0,3) *
В данном случае С учетом линия нагрузки примет вид:
1.3.3.Проводим перпендикуляр через точку к новой статической линии и переноси точку в точку .
1.3.4.Из стандартного ряда напряжений питания выбираем следующее и наносим эту точку на график. Через точку под углом α проводим следующую статическую линию нагрузки, параллельную предыдущей. Через точку проводим перпендикуляр к новой статической линии нагрузки и переносим точку в точку .
1.3.5.При подаче на вход усилителя переменного сигнала, ёмкость закорачивается и в коллекторной цепи транзистора параллельно с подключается . Поэтому новая динамическая линия нагрузки будет проходить через точку под углом φ.
φ=, где - масштабный коэффициент, который учитывает разницу масштабов по осям U и I.
φ = α=arcctg(
1.3.6.Из графика находим - максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада. Далее проверяем условие >. Если условие не выполняется то:
а) Выбираем следующее из стандартного ряда питающих напряжений и наносим на график;
б) Через точку под углом α проводим новую статическую линию нагрузки;
в) Переносим точку в точку ;
г) Через точку под углом φ проводим новую динамическую линию нагрузки и из графика находим ;
д) Проверяем условие .
Если условие выполняется, то точку переименовываем в точку P и построение линий нагрузок закончено.
Если условие не выполняется, то повторяем пункты 1.2.2.7.(а...д).
Строим итоговый график с полученной рабочей точкой.
В данном случае получаем, что рабочей точкой P является точка с координатами (19В;0,0275А) при и Примечание: см. приложение рис.1, рис.2.
1.4.ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА УСИЛИТЕЛЬНОГО (ВЫХОДНОГО) КАСКАДА.
При выборе транзистора усилительного каскада необходимо выполнение следующих условий:
Рассчитанные значенияУсловие выбораПредельно допустимые значения из справочника, Вт-мощность на коллекторе транзистора<, Вт - максимальная мощность на коллекторе транзистора ,В< В, А, - координата рабочей точки транзистора<, А - максимальный ток на коллекторе транзистора<, кГц - частота единичного усиленияn-p-n / p-n-p (тип проводимости транзистора по заданию)<n-p-n / p-n-p
ВАХ транзистора
Данным условиям удовлетворяет транзистор из библиотеки ППП Micro - Cap BCX52
Рассчитанные значенияУсловие выбораПредельно допустимые значения из справочника=0,5225 Вт< = 1Вт=50 В<= 60 В=0,055 А< = 1,5 А=600 кГц<=25000 кГцp-n-pp-n-p
Построим гиперболу максимально рассеиваемой мощности , В1520253035404550, мА6650403328,5252220
Гипербола максимально рассеиваемой мощности расположена выше линий нагрузки и не пересекает их, следовательно, транзистор выбран правильно.
Из выходной ВАХ транзистора определяем следующие значения:
1. β= - коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.
Расчет β проводим следующим образом:
* На линии = const откладываем две точки A и B:
Точка A→; Точка B→.
* Для точек A и B находим =; =;
β = β=
2.=0,0002 А
Из входной ВАХ транзистора =f ( определяем следующие значения:
1. Отмечаем точку P на входной ВАХ. Из выходной ВАХ определяем и откладываем это значение на входной ВАХ.
* Проводим линию до пересечения с линией (горизонтально).
* Проводим линию параллельно оси , определяем .
2. - входное сопротивление транзистора для схемы с общим эмиттером находим по следующей формуле:
= ==277Ом
Примечание: см. приложение рис.3, рис.4.
1.5.РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ФИКСАЦИИ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ.
() = ()*()
(Si)=2,5
=+
-тепловой ток коллекторного перехода, уменьшенный в 10 раз
∆=5*А.
=(0,001...0,01)*0,0000113 А.
=2,26
лежит в диапазоне (2...15), следовательно, каскад с общим эмиттером хорошо термостабилизован, т.е изменения температуры незначительно влияют на работу каскада.
А.
=0,024 А.
1.6.ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ.
Предварительный расчет коэффициента усиления по напряжению
выполняется по формуле:
Так как предыдущий каскад не рассчитан, то для схемы с общим эмиттером:. Поэтому вместо берем каскада, который рассчитываем, т.к. сопротивление будет одного порядка.
В итоге: 31,4
1.7. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ УСИЛИТЕЛЬНОГО (ВХОДНОГО) КАСКАДА.
1.7.1 Ом
=0,36В.<<
= = 0,00257 А.
1.7.2.Пусть рабочая точка "" имеет координаты (
Координата по току:, коэффициент запаса.
Координата по напряжению: =1...2,5В для маломощных транзисторов;
=2,5...4В для мощных транзисторов.
Чтобы рассчитать координату по напряжению, предварительно оценим мощность транзистора:
=0,009252 Вт. Следовательно, транзистор маломощный.
Тогда =1.4В и Получаем точку (2В; 0,0027А).
1.7.3. Определяем значение в точке как 2* и наносим эту точку на график
Округляем до ближайшего значения из стандартного ряда напряжений питания:
{5,6; 6,3; 10; 12,6; 24; 27; 36; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100} =5,6В.
1.8. ВЫБОР СОПРОТИВЛЕНИЙ И . ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ЛИНИЙ НАГРУЗКИ.
1.8.1. Через 2 точки ( проводим линию нагрузки, которая показывает зависимость .
1.8.2. Далее определяем сопротивление по выражению:
1.8.3.Для хорошей термостабилизации в схему включают сопротивление и выбирают из диапазона (0,1...0,3) *
В данном случае С учетом линия нагрузки примет вид:
1.8.4.Проводим перпендикуляр через точку к новой статической линии и переноси точку в точку .
1.8.5.Из стандартного ряда напряжений питания выбираем следующее и наносим эту точку на график. Через точку под углом α проводим следующую статическую линию нагрузки, параллельную предыдущей. Через точку проводим перпендикуляр к новой статической линии нагрузки и переносим точку в точку .
1.8.6.При подаче на вход усилителя переменного сигнала, ёмкость закорачивается и в коллекторной цепи транзистора параллельно с подключается . Поэтому новая динамическая линия нагрузки будет проходить через точку под углом φ.
φ=, где - масштабный коэффициент, который учитывает разницу масштабов по осям U и I.
φ = α=arcctg(
1.8.7.Из графика находим - максимальное переменное напряжение, которое может быть получено на выходе данного каскада. Далее проверяем условие >. Если условие не выполняется то:
а) Выбираем следующее из стандартного ряда питающих напряжений и наносим на график;
б) Через точку под углом α проводим новую статическую линию нагрузки;
в) Переносим точку в точку ;
г) Через точку под углом φ проводим новую динамическую линию нагрузки и из графика находим ;
д) Проверяем условие .
Если условие выполняется, то точку переименовываем в точку P и построение линий нагрузок закончено.
Если условие не выполняется, то повторяем пункты 1.2.2.7.(а...д).
Строим итоговый график с полученной рабочей точкой.
В данном случае получаем, что рабочей точкой P является точка с координатами (0,95В;0,00305А) при и Примечание: см. приложение рис.5, рис.6
1.9.ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА УСИЛИТЕЛЬНОГО (ВХОДНОГО) КАСКАДА.
При выборе транзистора усилительного каскада необходимо выполнение следующих условий:
Рассчитанные значенияУсловие выбораПредельно допустимые значения из справочника, Вт-мощность на коллекторе транзистора<, Вт - максимальная мощность на коллекторе транзистора ,В< В, А, - координата рабочей точки транзистора<, А - максимальный ток на коллекторе транзистора<, кГц - частота единичного усиленияn-p-n / p-n-p (тип проводимости транзистора по заданию)<n-p-n / p-n-p
ВАХ транзистора
Данным условиям удовлетворяет транзистор МП25Б. В ППП Micro - Cap данный транзистор был смоделирован самостоятельно.
Рассчитанные значенияУсловие выбораПредельно допустимые значения из справочника=0,0029 Вт< = 0,2Вт=6,3 В<= 40 В=0,0061 А< = 0,3 А=600 кГц<=1000 кГцp-n-pp-n-p
В данном случае гипербола максимально рассеиваемой мощности не будет попадать в область графика, поэтому она построена приблизительно.
Из выходной ВАХ транзистора определяем следующие значения:
1. β= - коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.
Расчет β проводим следующим образом:
* На линии = const откладываем две точки A и B:
Точка A→; Точка B→.
* Для точек A и B находим =; =;
β = β=
2.=0,00005 А
Из входной ВАХ транзистора =f ( определяем следующие значения:
2. Отмечаем точку P на входной ВАХ. Из выходной ВАХ определяем и откладываем это значение на входной ВАХ.
* Проводим линию до пересечения с линией (горизонтально).
* Проводим линию параллельно оси , определяем .
3. - входное сопротивление транзистора для схемы с общим эмиттером находим по следующей формуле:
= ==1000 Ом
Примечание: см. приложение рис.7, рис.8.
1.10.РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ФИКСАЦИИ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ.
() = ()*()
(Ge)=2
=+
-тепловой ток коллекторного перехода, уменьшенный в 10 раз
∆=3*А.
=(0,001...0,01)*0,0000257 А.
=8,6
лежит в диапазоне (2...15), следовательно, каскад с общим эмиттером хорошо термостабилизован, т.е изменения температуры незначительно влияют на работу каскада.
А.
=0,0004 А.
1.11.ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ.
Окончательный расчет коэффициента усиления по напряжению
выполняется по формуле:
Так как предыдущий каскад не рассчитан, то для схемы с общим эмиттером:. Поэтому вместо берем каскада, который рассчитываем, т.к. сопротивление будет одного порядка.
В итоге: 21,6
1.12.РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ.
После расчета всех каскадов определяем коэффициент усиления К многокаскадного усилителя по следующей формуле:
Где =21,6
=4,8 Условие К > выполняется, где*(1-kβ)=83,6
1.13.РАСЧЕТ ЕМКОСТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСИЛИТЕЛЯ.
Емкостные элементы и лучше считать после расчета всех каскадов усилителя. Для каскадов на БТ значения емкостей конденсаторов и рассчитываются по следующим выражениям:
, где =
- входное сопротивление БТ, определяемое по входной ВАХ в окрестностях рабочей точки отношением = .
, где - сопротивление нагрузки усилителя, если каскад оконечный, или входное сопротивление последующего усилительного каскада в области средних частот, если рассчитываемый каскад входной или промежуточный.
.
Корректность расчета емкостных элементов усилителя можно проверить следующим соотношением:
Для выходного каскада:
Для входного каскада:
1.14.РАСЧЕТ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.
Если число каскадов n - четное, то цепь обратной связи заводится в часть входного каскада. В этом случае разбивается на две части: Где и приблизительно находится в диапазоне =5...50 Ом, В данном случае Ом; =360 Ом.
Далее из соотношения *(1-kβ) находим коэффициент β, где , Тогда β = Определяем сопротивление из соотношения β = →2460 Ом
2.МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО СИГНАЛА.
Моделирование схемы усилителя выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro - Cap. В результате моделирования должны быть получены переходные и частотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. Для получения результатов, определяемых исходными данными, необходимо произвести корректировку значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значения приводятся в спецификации.
2.1.Моделирование выходного каскада. Рис.1
Рис.2.
Амплитуда входного сигнала, мВ300Амплитуда выходного сигнала, В11,25Коэффициент усиления37,5Коэффициент усиления, дБ31,4,В50
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом1333, Ом13360, Ом3090, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф0,23, В50, Ом1333, Ом1760, Ом336,3, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф2,3*, В50
2.2.Моделирование входного каскада.
Рис.3.
Рис.4.
Амплитуда входного сигнала, мВ30Амплитуда выходного сигнала, В0,357Коэффициент усиления11,9Коэффициент усиления, дБ21,5,В6,3
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом70, Ом16926, Ом7138, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф5,2*, Ф30,2*, Ф1,26*, В6,3, Ом70, Ом11330, Ом3800, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф1,9*, Ф1,08*, Ф0,2*, В6,3
2.3.Переходная характеристика усилителя без обратной отрицательной связи.
Рис.5.
Рис.6.
Амплитуда входного сигнала, мВ50Амплитуда выходного сигнала, В11,25Коэффициент усиления225Коэффициент усиления, дБ47,В6,3; 50
Входной каскад.
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом70, Ом16970, Ом7138, Ом400, Ом1333, Ф1,4*, Ф30,2*, Ф1,26*, В6,3, Ом70, Ом11330, Ом3800, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф1,9*, Ф1,08*, Ф0,2*, В6,3
Выходной каскад
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом13960, Ом3090, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф30,2*, Ф0,8*, Ф0,23, В50, Ом1333, Ом1760, Ом336,3, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф2,3*, В50
2.4.Частотная характеристика усилители без обратной отрицательной связи.
Рис.7.
Рис.8.
Входной каскад.
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом70, Ом11800, Ом5120, Ом400, Ом1333, Ф1*, Ф1,1*, Ф1,26*, В6,3, Ом70, Ом11330, Ом3800, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф1,9*, Ф1,08*, Ф0,2*, В6,3
Выходной каскад
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом13960, Ом3090, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,1*, Ф32*, Ф0,011*, Ф0,23, В50, Ом1333, Ом1760, Ом336,3, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф2,3*, В50
2.5.Переходная характеристика усилителя с обратной отрицательной связью. Рис.9.
Рис.10.
Амплитуда входного сигнала, мВ300Амплитуда выходного сигнала, В11,3Коэффициент усиления38Коэффициент усиления, дБ31,5,В6,3; 50
Входной каскад.
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом70, Ом18750, Ом4538, Ом400, Ом1333, Ом36040, Ом2460, Ф0,0045*, Ф1,1*, Ф1,26*, Ф10*, В6,3, Ом70, Ом11330, Ом3800, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф1,9*, Ф1,08*, Ф0,2*, В6,3
Выходной каскад
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом18200, Ом5360, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,1*, Ф32*, Ф0,23, В50, Ом1333, Ом1760, Ом336,3, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф2,3*, В50
2.6.Частотная характеристика усилителя с обратной отрицательной связью.
Рис.11.
Рис.12.
Входной каскад.
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом70, Ом12050, Ом4538, Ом400, Ом1333, Ом36040, Ом2460, Ф20*, Ф1,2*, Ф1,26*, Ф10*, В6,3, Ом70, Ом11330, Ом3800, Ом400, Ом1333, Ом140, Ф1,9*, Ф1,08*, Ф0,2*, В6,3
Выходной каскад
Начальные значения схемы Измененные значения схемы
, Ом11060, Ом5360, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,2*, Ф32*, Ф0,23, Ф0,1*, В50, Ом1333, Ом1760, Ом336,3, Ом262,5, Ом875, Ом1000, Ф1,08*, Ф0,8*, Ф2,3*, В50
;
2.7.Построение характеристики .
Рис.13.
Рис.14.
Рис.15.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В процессе выполнения курсового проектирования были изучены методы разработки усилительного устройства, рассчитаны его статистические и динамические параметры, а также было использовано практическое применение программного обеспечения схемотехнического моделирования как всего усилительного устройства, так и отдельных каскадов усилителя.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
* Перепелкин Д.А. "Схемотехника усилительных устройств". Учебное пособие. Москва. Горячая линия - Телеком 2013;
* К.М. Брежнева "Транзисторы для аппаратуры широкого применения" под редакцией Б.Л. Перельмана. Москва "Радио и связь" 1981
* Перельман Б.Л. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. М.: Радио и связь, 1981.
- 3 -
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
10
Размер файла
11 076 Кб
Теги
usilitelnykh, proektirovanie, ustroystvo
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа