Министерство образования Российской Федерации
Рязанская государственная радиотехническая академия
Кафедра САПР ВС
УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Электроника и электротехника»
Рязань 2002
Содержание
Введение
1. Расчетная часть
1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения и числа каскадов
1.2 Расчет статического режима
1.2.1 Выбор рабочей точки
1.2.2 Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
1.2.3 Расчет элементов фиксации рабочей точки
1.2.4 Расчет элементов повторителя
1.2.5 Расчет предыдущего каскада
1.2.6 Выбор рабочей точки
1.2.7 Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
1.2.8 Расчет элементов фиксации рабочей точки
1.2.9 Расчет элементов повторителя
1.3 Расчет емкостных элементов
1.4 Расчет элементов обратной связи
1.5 Расчет реально достигнутого в схеме коэффициента усиления K разомкнутого усилителя в области средних частот
1.6 Построение характеристики Moc(w)
2. Моделирование
2.1 Основные параметры, выставляемые в библиотеке
2.1.1 Параметры транзисторов
2.1.2 Параметры генератора синусоидального напряжения
2.2 Основные параметры, выставляемые в лимитах
2.3 Корректировка значений элементов схемы
2.4 Результаты моделирования
2.4.1 Переходная характеристика входного каскада
2.4.2 Переходная характеристика выходного каскада
2.4.3 Переходная характеристика усилителя без ООС
2.4.4 Переходная характеристика усилителя в целом
2.4.5 Частотные характеристики усилителя
2.4.6 Схема усилителя
Заключение
Приложение
Библиографический список
Введение
Усилителями называются электронные устройства, предназначенные для усиления сигнала по мощности.
Основными параметрами усилителя являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление усилителя и частотные характеристики: АЧХ и ФЧХ.
В данной курсовой работе проводится проектирование многокаскадного усилителя переменного тока с обратной связью. При проектировании рассчитываются статические и динамические параметры усилителя, а затем проводится его моделирование на ЭВМ с использованием программного продукта Microcap3. При моделировании усилителя производится корректировка его параметров.
1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
1.1 Расчет коэффициента усиления напряжения и числа каскадов
Найдем коэффициент усиления усилителя по напряжению:
Предположим, что усилитель состоит из одного каскада, тогда из уравнения
можно найти Кb, решая его как квадратное, причем нас интересует только отрицательный вещественный корень уравнения: Кb=-0.0681.
Тогда К=Кос(1—Кb)=22×1.0681=23.5>10, следовательно, усилитель нельзя построить на одном каскаде.
Усилитель на двух каскадах описывается формулой:
Отсюда Кb=-0.506. K=22(1 — Кb)=22×1.506=33.123<100
Следовательно, усилитель можно построить на двух каскадах.
1.2 Расчет статического режима
1.2.1. Выбор рабочей точки
Рабочую точку выбираем по формулам:
 мА.
UкА
=Umн
+Umin= В
PкА
=UкА
×IкА
=100 мВт
Выбираем транзистор с параметрами: Iкmax
=22 мА, Uкmax
=18 В, Pmax
=400 мВт.
Таким транзистором может быть КТ339А.
Этой рабочей точке соответствует ток базы 275 мкА, и напряжение Uэб=0.68 В
1.2.2 Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
Выбираем напряжения питания: 36 В.
 Ом Rэ=0.1Rк=245 Ом
1.2.3 Расчет элементов фиксации рабочей точки
N=  = Iко 
 =0.003×IкаN=
R2=Rэ×(N—1)=245×1.4=343 Ом.
1.2.4 Расчет элементов повторителя
 Ом.
1.2.5 Расчет предыдущего каскада
Входное сопротивление оконечного каскада рассчитывается по формуле:
Rвх=R1||R2||h11э, где h11э — входное сопротивление транзистора, вычисляемое по входной характеристике в окрестности рабочей точки, и равно 500 Ом.
Rвх=1/(1/3218+1/343+1/500)=190 Ом.
Назначим коэффициент усиления оконечного каскада Квых=5, тогда Квх=4.5.
Тогда Uвхm
=Uвыхm
/Квых=5.6 /5=1.58 1.6, Iвхm
=Uвхm
/Rвх=8.3 мА.
Рассчитываем входной каскад аналогично оконечному, с параметрами Uвых=1.6 В, Iвых=8.3 мА.
1.2.6 Выбор рабочей точки
 мА.
Uка=Umн+Umin В
Pка=Uка×Iка=40 мВт
Выбираем транзистор с параметрами: Iк.max=20 мА, Uк.max=8 В, Pmax=160 мВт.
Таким транзистором может быть КТ315Б.
Этой рабочей точке соответствует ток базы IбА
=130 мкА, и напряжение UбэА
=0.5 В
1.2.7 Расчет сопротивлений в цепи коллектора и эмиттера
 Ом Rэ=0.1Rк=310 Ом
1.2.8 Расчет элементов фиксации рабочей точки
N== Iко
=0.0033×Iка N=
R2=Rэ×(N—1)=310×1.4=434 Ом.
Входное сопротивление входного каскада: Rвх=R1||R2||h11э, где h11э — входное сопротивление транзистора, вычисляемое по входной характеристике в окрестности рабочей точки, и равно 600 Ом.
Rвх=3846||434||600=1/(1/3846+1/434+1/600)=236 Ом.
1.2.9 Расчет элементов повторителя
 Ом.
1.3 Расчет емкостных элементов
Расчет разделительных емкостей рассчитывается по формуле:
 ,
где Rг
— выходное сопротивление предыдущего каскада (или внутреннее сопротивление генератора), Rн
— входное сопротивление следующего каскада (или сопротивление нагрузки), а wн
=2pfн
.
Пренебрегая выходным сопротивлением повторителей, получаем:
С1
= 4 мкФ. С2
= 6 мкФ. С3
= 1.5 мкФ.
Емкости в цепи эмиттера рассчитывается по формуле:
Сэ
= ,
где h11э
и h21э
— соответственно входное сопротивление транзистора и b, рассчитываемые по входной и выходной ВАХ в окрестности рабочей точки. Для КТ339А h11э
=500 Ом, h21э
=50, а для КТ315Б h11э
=600 Ом, h21э
=80.
Сэвых
= 340 мкФ Сэвых
= 450 мкФ
1.4 Расчет элементов обратной связи
Для усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению выполняется соотношение:
 ,
где  составляет 5—10 Ом и отделяется от Rэ1
.
b вычислим по известным K и Kb, рассчитанным в 2.1: b=Kb/K=-0.506/33.1=-0.0153
Назначим =10 Ом. Тогда Rос= / b — =10/0.0153—10»640 Ом.
1.5 Расчет реально достигнутого в схеме коэффициента усиления K разомкнутого усилителя в области средних частот
В области средних частот реально развиваемый коэффициент усиления одного каскада определяется формулой:
 где
Rг — выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление генератора,
R1
и R2
— сопротивления делителя,
Rн — сопротивление нагрузки или входное сопротивление последующего каскада, если каскад не имеет повторителя, или входное сопротивление повторителя, равное (1+b)×(R||Rн)
Пренебрегая выходным сопротивлением повторителя, получаем:
 =220
 =26
K=Kвых×Kвх=5720>33.123, следовательно расчет усилителя окончен.
1.6 Построение характеристики Moc(w)
Характеристика Moc(w) для двухкаскадного усилителя с отрицательной обратной связью описывается выражением:
Оно имеет одинаковый вид для нижних и верхних частот, но предполагает подстановку разных значений x: x=wн
/wдля области нижних и средних частот, x=w/wв
для средних и верхних частот.
усилитель электронный ток моделирование
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования MicroCapIII. В результате моделирования получим 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. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.
2.1 Основные параметры, выставляемые в библиотеке
2.1.1 Параметры транзисторов
| Название параметра в библиотеке |
Параметр |
КТ399А
(Q0)
|
КТ315Б
(Q1)
|
| BF |
Коэффициент b |
50 |
80 |
| CJC |
Емкость перехода база-коллектор, Ф |
2Е-12 |
7Е-12 |
| CJE |
Емкость перехода база-эмитер, Ф |
2Е-12 |
7Е-12 |
| RB |
Сопротивление тела базы, Ом |
1 |
1 |
| RC |
Сопротивление тела коллектора, Ом |
1 |
1 |
| VJE |
Напряжение база-эмитер, В |
0.68 |
0.5 |
| TF |
Время включения, с |
2.5Е-11 |
5Е-10 |
2.1.2 Параметры генератора синусоидального напряжения
| Название параметра в библиотеке |
Параметр |
Значение |
| F |
Частота, Гц |
10000 |
| A |
Амплитуда, В |
0.36 |
| RS |
Внутреннее сопротивление, Ом |
60 |
2.2 Основные параметры, выставляемые в лимитах
| Simultation time |
1E-4 |
| Display time |
1E-4 |
| Maximum change |
1 |
| Temperature |
50 |
2.3 Корректировка значений элементов схемы
При моделировании была произведена корректировка значений элементов схемы: скорректированы значения сопротивления обратной связи для обеспечения необходимого коэффициента усиления, и значения разделительных емкостей для выполнения условия Moc(wн
)=0.73. Кроме того, значения емкостей и сопротивлений приведены к ряду стандартных значений Е24 согласно ГОСТ 10318—80. Этот ряд включает 24 значения: 1; 1.1; 1.2; 1.3; 1.5; 1.6; 1.8; 2; 2.2; 2.4; 2.7; 3; 3.3; 3.6; 3.9; 4.3; 4.7; 5.1; 5.6; 6.2; 6.8; 7.5; 8.2; 9.1, которые можно умножать на любой порядок. Полученные после корректировки значения приведены в спецификации (см. Приложения).
2.4 Результаты моделирования
2.4.1 Переходная характеристика входного каскада
2.4.2 Переходная характеристика выходного каскада
2.4.3 Переходная характеристика усилителя без ООС
(примечание: вследствие большого коэффициента усиления усилителя без ООС, на выход подается не 0.36, а 0.1 В).
2.4.4 Переходная характеристика усилителя в целом
2.4.5 Частотные характеристики усилителя
2.4.6 Схема усилителя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения данной курсовой работы были изучены методы проектирования и разработки электронных устройств в соответствии с данными технического задания. Был произведен расчет статических и динамических параметров электронных устройств. А также было изучено практическое применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств. Для моделирования был использован пакет схемотехнического моделирования MicroCapIII. В ходе курсового проектирования было проведено моделирование многокаскадного усилителя с отрицательной обратной связью в соответствии с техническим заданием.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань. : РГРТА, 1997. 36 с.
2. Справочник по полупроводниковым приборам. В.Ю. Лавриненко. Техника, 1980. 464 с.
3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с., ил.
4. Н.А. Кажакин, А.В. Захаров. Машинный анализ линейных схем: Методические указания к практическим занятиям. - Рязань.: РРТИ, 1993. 28 с.
|
