Исследование усилителя напряжения низкой частоты с RC-связями

Факультет Вычислительной техники

Кафедра Автоматизации и управления

 

 

 

 

 

Исследование  усилителя напряжения

  низкой частоты с RC-связями

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Электроника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Разработка  УНЧ…………………………………………………………..6

1.1. Анализ исходных данных и  выбор транзистора…………………….6

1.2. Анализ характеристик и параметров  транзистора, выбор режима его  работы и расчет УНЧ с ОЭ  по постоянному току…………………...9

1.3. Расчет схемы УНЧ  по переменному току…………………………...12

1.4. Расширение частотного диапазона  УНЧ (коррекция АЧХ)……...14

1.5. Проектирование УНЧ  с ОБ…………………………………………...16

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ  НА ПЭВМ………………………………….18

2.1. Общая характеристика задания  на моделирование………………18

2.2. Подготовка схемы и входного  файла………………………………..18

2.3. Результаты моделирования…………………………………………...21

2.3.1. Схема  УНЧ с общим эмиттером…………………………………..21

2.3.2. Схема  УНЧ с ОЭ с корректирующим R_ФC_Ф-фильтром………….23

2.3.3. Схема УНЧ с общей базой………………………………………...24

2.4. Описание распечаток и выводы……………………………………..26

Приложение 1……………………………………………………………..26

Приложение 2……….…………………………………………………….27

Приложение 3……………………...……………………………………...28

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на  курсовую работу

 

 

Фамилия студента  

 Вариант №  22

 

Рассчитать  и исследовать усилитель напряжения низкой частоты с RC-связями. Исходные данные: сопротивление нагрузки R_Н; действующие значения входного и выходного напряжений U_вх и U_вых; полоса частот F_Н – F_В; температура окружающей среды Т_ОКР и напряжение источника питания схемы Е_К.

 

Исходные данные:

 

R_Н = 50 Ом;

U_вхm = 30 мВ;

U_выхm = 140 мВ;

F_Н = 100 Гц;

F_В = 50000 Гц;

Т_ОКР = 283 К;

Е_К = 15 В.

 

Введение

 

Электронные усилители низкой частоты (УНЧ)  предназначены  для усиления сигналов переменного  тока, частоты которых лежат в  интервале от низкой частоты F_Н до какой-то частоты F_В. Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.

Особенности УНЧ, требования к их показателям  во многом определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем большинстве случаев  носит комплексный характер, являясь  электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УНЧ  определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.

Круг  требований к УНЧ с довольно широкой  полосой рабочих частот  связан, в основном, с интервалом рабочих  частот, в пределах которого полезный сигнал должен усиливаться с допустимыми  частотными и нелинейными искажениями. УНЧ с узкой или фиксированной  рабочей частотой  предназначены, в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазо-частотной характеристикой. Однако отмеченные особенности УНЧ не исключают общего подхода к проектированию.

Рассмотренные усилители характеризуются различными конструктивными и энергетическими  показателями. К первым можно отнести  вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока. Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току, мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких показателях УНЧ можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены специальные меры стабилизации, то его коэффициент усиления может измениться в широких пределах из-за большого технического разброса параметров транзистора.

Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую  верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном каскаде использован  мощный транзистор. Вместе  комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных  характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений  на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного  элемента определяют низкое входное  и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

Для оценки возможности использования таких  транзисторных усилителей сопоставим основные параметры с требованиями, которые к ним часто предъявляются. Усилитель связан входной цепью  с источником сигнала, не допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по току. Это заставляет искать пути увеличения входного сопротивления  транзистора в десятки, сотни  и тысячи раз. Входная цепь усилителя  передает усиленный сигнал в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку либо от источника  тока (внутреннее сопротивление усилителя  стремиться к бесконечности), либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление  усилителя близко к нулю). Иначе  говоря, одной из практических задач  при проектировании усилителя является изменения его входного сопротивления. Требования повышения точности работы системы в различных климатических  устройствах вынуждают стабилизировать  коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования предъявляются  к частотным искажениям, а в  усилителях системы автоматики, управляющих  двигателями переменного тока, к  уменьшению фазового сдвига. Обычно, без  специальных мер, транзисторные  усилители не удовлетворяют этим требованиям.

Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных  электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении  свойств УНЧ. Эти задачи усложняются  требованиями сохранения работоспособности  Усилителя в широком температурном  диапазоне окружающей среды и  значительным техническим разбросам  параметров транзисторов.

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов – сначала  ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

В последние  годы быстрыми темпами развивается  оптоэлектроника, представляющая радел  науки и техники, объединяющей как  оптические, так и электронные  явления, с созданием на этой основе различных приборов, схем и систем. В частности, все шире используется волоконно-оптические системы связи, в состав которых входят и усилительные устройства. Заметную роль в развитии технического прогресса вообще и  усилительной техники в частности  сыграло создание ЭВМ. Машинное проектирование электронных схем, в том числе  и электронных усилителей, представляет собой сравнительно новую область  науки и техники – схемотехническое проектирование.

Первоначально ЭВМ использовали для нахождения оптимальных результатов работы усилительных элементов, основных параметров и характеристик, в частности  амплитудо-частотных характеристик и фазо-частотных характеристик. Впоследствии с помощью ЭВМ стали решаться задачи синтеза, в том числе и корректирующих LCR-элементов в цепях межкаскадных связей, в цепях обратной связи, а также в частотно формирующих цепях на входе и выходе усилителя.

С широким применением  интегральных схем машинное проектирование микроэлектронных устройств приняло форму системы автоматизированного проектирования.

Классификация усилителей

 

Деление на типы осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых  частот, виду используемых активных элементов.

1) По  своему назначению усилители  условно делятся на усилители  напряжения, усилители тока и  усилители мощности. Если основное  требование – усиление входного  напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относится  к усилителям напряжения. Если  основное требование – усиление  входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят  к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения  и усилителях тока одновременно  происходит усиление мощности  сигнала (иначе вместо усилителя  достаточно было бы применить  трансформатор). В усилителях мощности  в отличие от усилителей напряжения  и тока требуется обеспечить  в нагрузке заданный или максимально  возможный уровень сигнала. 

2) В зависимости  от характера входного сигнала  различают усилители гармонических  (непрерывных) сигналов и усилители  импульсных сигналов. К первой  группе относятся устройства  для усиления непрерывных гармонических  сигналов или квазигармонических  сигналов, гармонические составляющие  которых изменяются много медленнее  всех нестационарных процессов  в цепях усилителя. Ко второй  группе усилителей относятся  устройства для усиления импульсов  различной формы и амплитуды  с допустимыми искажениями их  форм. В этих усилителях входной  сигнал изменяется настолько  быстро, что процесс установления  колебаний является определяющим  при нахождении формы сигнала.

3) Полоса  и абсолютные значения усиливаемых  частот позволяют разделить усилители  на следующие типы:

Усилители постоянного тока предназначены  для усиления электрических колебаний  в пределах от нижней частоты, равной нулю, до верхней рабочей частоты  усилителя. Главным является то, что  они усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.

Усилители переменного тока предназначены  для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости  от граничных значений рабочего диапазона  частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты. По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные усилители.

4) По роду применяемых  активных элементов усилители  делятся на транзисторные, магнитные,  диодные, ламповые, параметрические  и др.

В качестве активных элементов  в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы. Значительно реже применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные  типы полупроводниковых диодов.

 

1. Разработка УНЧ

 

1.1. Анализ исходных  данных и выбор

транзистора

 

Выбор транзистора осуществляется на основании оценки его коэффициента передачи тока базы , предельной частоты и значения (э.д.с. источника питания коллекторной цепи транзистора). Методика оценки (приближенного определения) h_21Э заключается в следующем. Известно, что коэффициент усиления УНЧ с ОЭ по напряжению равен:

где  – входное сопротивление транзистора по схеме с ОЭ, причем , а значение находится в границах от 100 до 1000 Ом.

670

 

Рис.1 –  Электрические принципиальные схемы  УНЧ с ОЭ а) и с ОБ б)

Рис.2 –  Определение режима покоя транзистора  по его входной а) и выходной б) характеристикам. На рисунках в) и г) приведены эпюры коллекторного  тока и напряжения при гармоническом  входном сигнале

 

С другой стороны, коэффициент усиления равен отношению и , отсюда находим:

Подставив в выражение (1) значения , , , взятые из технического задания, и примерное значение , находят оценку параметра .

62,5

Требуемая предельная частота коэффициента передачи тока транзисторов рассчитывается по формуле:

77688,7 , где

 – верхняя граница рабочего  диапазона УНЧ;

 – коэффициент частотных  искажений на верхних частотах (ВЧ).

Используя полученные значения и значение в задании, выбирают в справочнике на ППП подходящий транзистор, у которого определяют и , причем должно быть больше . Кроме того, также должно быть больше . Данным транзистором является транзистор КТ312Б.

1.2. Анализ характеристик  и параметров транзистора, выбор  режима его работы и расчет  УНЧ с ОЭ по постоянному  току

Находим амплитуду переменной составляющей тока коллектора:

2,8 ,

где принято, что , а

Определяем постоянную составляющую тока коллектора, т.е. :

, где

 – коэффициент запаса  .

3,5

Задаются  значением постоянной составляющей напряжения , т.е. , которое должно удовлетворять следующим условиям:

6

Точка с координатами и называется рабочей точкой или точкой покоя. Она наносится на семейство выходных ВАХ выбранного транзистора, из которого определяют для нее – постоянный ток базы (ток покоя базы) транзистора. По входной ВАХ (взятой из справочника для конкретного транзистора) определяют входное сопротивление транзистора , сравнивают его с ранее принятым и используют в дальнейших расчетах.

670

Рассчитывается  мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

Сначала находят  при нормальной температуре, а затем ее уточняют для рабочей температуры УНЧ по формуле:

, где

 – максимально допустимая  рассеиваемая коллектором транзистора  мощность при нормальной температуре  .

 – максимально допустимая  температура коллекторного перехода (для германиевых транзисторов  , а для кремниевых транзисторов ).

21

22,62

Определяется  общее сопротивление коллекторной и эмиттерной цепей, т.е.:

Резистор  предназначен для осуществления температурной стабилизации режима работы транзистора (положения рабочей точки на ВАХ).

Определяем  и выбираем его стандартное значение:

, где

 – падение напряжения на  резисторе  .

1714

Мощность, рассеиваемая на резисторе  от тока покоя, равна:

21

Исходя из значения , выбирают тип резистора, а токи и в сумме составляют ток покоя эмиттера , т.е. .

0,1 + 3,5 = 3,6

857

Далее по входной ВАХ находят  напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме покоя (при ).

0,75

Требуемые значения токов  , и напряжений , обеспечивают с помощью общего источника питания УНЧ и резисторов. При использовании делителя напряжения (этот метод обеспечения режима покоя называется методом питания фиксированным напряжением) связь между напряжениями и токами транзистора в режиме покоя определяется следующими выражениями (см. рис. 1):

 

 

где – ток делителя, протекающий через резисторы и .

Принимая  и не допуская выполнения условия, при котором , находят значения резисторов и по формулам:

Определим:

0,615

6236

15615

Входное сопротивление усилителя  находится  по формуле:

582

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. Расчет схемы УНЧ по переменному  току 

Исходя из полученных результатов, уточняем коэффициент усиления каскада  по напряжению без отрицательной  обратной связи по уже знакомой формуле:

4,664

и требуемый коэффициент усиления:

4,67.

При этом должно выполняться условие:

Определяем емкость разделительных конденсаторов  и емкость блокировочного конденсатора . Они влияют на коэффициент усиления УНЧ в области низких частот, поэтому распределяя поровну частотные искажения между ними, т.е. – находим:

где .

где – входное сопротивление транзистора со стороны эмиттера, т.е. при включении его по схеме с общей базой (ОБ), причем – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, а - сопротивление области базы – следует взять из справочника по транзисторам, либо использовать вместо него близкое к нему по значению .

Определим:

5,4

1,78

7,22      17,77

176,79

Вычисляется потребляемая от источника  питания УНЧ мощность:

61,42

Находим коэффициент усиления УНЧ  по току:

60,73

и коэффициент  усиления по мощности:

283,24.

В результате проведенных расчетов найдены значения всех элементов  схемы УНЧ с ОЭ (рис. 1, а). Его  схема вводится в ПЭВМ (в соответствии с правилами программы PSpice) и производится моделирование данного УНЧ, в ходе которого должны быть получены амплитудная и амплитудно-частотная характеристики УНЧ (т.е. АХ и АЧХ) и проведена проверка режима температурной стабилизации каскада, т.е. правильность расчета _.

 

 

 

 

 

 

 

1.4. Расширение частотного  диапазона УНЧ (коррекция АЧХ)

Известно, что АЧХ любого УНЧ  имеют спады (участки с резким _{уменьшением значения} ) _{в областях низких и высоких частот. Они обусловлены влиянием и частотными свойствами транзистора,} соответственно. Для улучшения частотных свойств уже разработанного УНЧ, т.е. с конкретными значениями элементов схемы, применяются корректирующие цепи. Они содержат дополнительные частото-зависимые элементы, которые частично нейтрализуют влияние факторов, вызывающих неравномерность АЧХ. Коррекция АЧХ на НЧ и ВЧ осуществляется раздельно. При усилении импульсных сигналов они соответствуют коррекции фронта и вершины импульсов.

Низкочастотная коррекция АЧХ  может быть осуществлена введением  в коллекторную цепь фильтра  .

На рис.3 приведена принципиальная схема каскада с НЧ-корректирующей цепью.

Рис. 3.

Ее компоненты и могут быть найдены из условий:

которые являются условиями наилучшей коррекции.

5880

51,93

После этого определяется величина и отношение к , обеспечивающее наилучшую коррекцию АЧХ, т.е.:

где .

Подсчитаем:

0,29 3,14

0,972;

0,124.

По значению отношения  (20) находят нижнюю граничную частоту УНЧ с корректирующей цепью. Формула для этого имеет вид:

где .

318,47

71,59

Эффективность НЧ-коррекции оценивается относительным расширением условной полосы пропускания .

4,45

 

 

 

 

1.5. Проектирование УНЧ  с ОБ

Известно, что УНЧ с ОБ имеют более широкий частотный диапазон, но меньшие коэффициенты усиления по току и мощности . Кроме того, они обладают малым входным и большим выходным сопротивлениями, т.е. и , что затрудняет согласование каскадов. Но поскольку транзистор в схеме включения с ОБ имеет _{наибольшее напряжение} , _{более предпочтительные с точки зрения} линейности зависимости между выходным и входным токами, т.е. между , а также лучшую стабильность режима работы от изменений температуры, то целесообразно ознакомиться с этими особенностями более подробно.

Для этой цели требуется на основе части предыдущих расчетов спроектировать УНЧ, транзистор которого должен быть включен по схеме с ОБ. Нагрузка каскада и транзистора – должны остаться неизменными. Цепочка из и , используемая в схеме предыдущего УНЧ для термостабилизации режима транзистора, может быть выведена из схемы УНЧ с ОБ в силу вышеупомянутого замечания , но может быть и оставлена. Исходя из схемы такого УНЧ (см. рис. 1, б) видно, что дополнительно необходимо определить величину емкости конденсатора и параметры и .

Если  в цепи смещения , протекает ток , то потенциал базы будет равен:

Потенциал эмиттера должен быть близок к "0", если напряжение не содержит постоянной составляющей. Тогда напряжение будет приложено к эмиттерному переходу транзистора в прямом направлении и также как в схеме с УНЧ с ОЭ обеспечит протекание токов покоя и , примерно равных токам и в предыдущем случае.

Наличие конденсатора способствует сохранению режима покоя в течение всего периода эксплуатации. Чтобы обеспечить постоянство необходимо выбрать из условия:

0,36

Входное сопротивление УНЧ с ОБ определяется по формуле:

 где

 – коэффициент передачи тока эмиттера транзистора, примерно равен (0,9...0,995).

0,995 10,44

Выходное сопротивление УНЧ  с ОБ равно выходному сопротивлению предыдущего усилителя, т.е.

 где

 – сопротивление коллекторного  перехода транзистора, примерно  равное 1 МОм и более.

1714

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по напряжению находится по формуле:

4,63.

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по току равен:

0,97.

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по мощности находится умножением (25) и (26), т.е.:

4,49.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ НА ПЭВМ

2.1. Общая характеристика задания  на моделирование

Моделирование разработанных схем проводится для проверки их работоспособности   с   использованием   "компьютерного   макета". Моделирование позволяет  обойтись без трудоемкого этапа  изготовления опытного образца схемы. Для моделирования применяется  профессиональная система анализа  аналоговых схем PSpice, позволяющая в частности:

1) задать входные сигналы произвольной  формы и определить реакцию  схемы на эти сигналы, т.е.  найти формы напряжений и токов  в любом узле или между узлами  схемы, определить рассеиваемые  элементами мощности;

2) рассчитать  и вывести в графическом виде  частотные характеристики схемы;

3) задать произвольные рабочие  температуры окружающей среды  и оценить термостабильность схемы;

4) вывести результаты анализа  в графическом виде и получить  твердую копию (распечатать на  принтере).

Из режимов программы, указанных  в верхней части меню, рекомендуется  использовать режимы:

Files        - для редактирования и проверки входного файла;

Analysis   - для запуска программы расчета;

Probe       - для вывода результатов расчета;

Quit        - для выхода из системы.

 

 

2.2. Подготовка схемы и  входного файла.

 

Описание схемы начинается с  присвоения имен узлам электрической  схемы. Рекомендуется использовать цифровые имена 0, 1, ... , причем имя 0 присваивается  всегда узлу с нулевым потенциалом "земля".

После этого составляют файл описания схемы, которое позднее будет  дополнено директивами на моделирование. В первой строке файла указывают  заголовок, а во второй - комментарий  на русском языке. Строка комментария  начинается символом * и не воспринимается программой. Первые две строки могут  иметь вид: