Расчет усилителя с ООС

Министерство  РФ по связи и информатизации 

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций  и информатики 
 
 
 
 
 

Расчет  усилителя с ООС 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст.гр.

АБ-87

Наумов  М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск

2011

    СОДЕРЖАНИЕ

    1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 

    Разработать трехкаскадный усилитель сигнала  с глубокой обратной связью, заданными номинальным коэффициентом усиления и полосой пропускания. 

    Исходные  данные:

• Е_К = 18 В;
• Тип БТ – КТ315В;
• h_21Э = 205;
• Rg = 3 кОм;
• Rn = 0.5 кОм;
• U_NOM = 3.2 В;
• K _NOM = 90;
• Присутствует ТС диод;
• F_NOS = 80 Гц;
• F_VOS = 150 кГц;
• δ_MAX = 10%;

    2. ВВЕДЕНИЕ 

    Целью данного курсового проекта является теоретический расчет усилителя, удовлетворяющего начальным требованиям. Усилитель  будет обладать последовательной Отрицательной  Обратной Связью по току, что означает подключение резистора ООС между эмиттерами транзисторов входного и выходного каскадов. Данный тип обратной связи нуждается в использовании нечетного числа каскадов, потому он нашел применение в стандартной схеме усилителя с ООС на трех каскадах.

    Самой целью ООС является стабилизация параметров работы усилителя, таких как, например, зависимость от окружающей температуры, от разброса значений некачественно изготовленных резисторов и транзисторов, от наводимых сигналов и многого другого. Основной характеристикой обратной связи является ее глубина: чем глубже ООС, тем усилитель становится более стабильным. Глубокая обратная связь позволяет устанавливать нужный коэффициент усиления за счет всего лишь двух резисторов.

    Таким образом, применение ООС, как в данной работе, так и вообще в разработках усилительных приборов, является важнейшим фактором для получения надежного и стабильного устройства.

    Отличительной чертой данного курсового проекта  является наличие термостабилизирующего  диода в базовых делителях  транзисторных каскадов. При увеличении температуры проводимость диода увеличивается, в то время как проводимость резисторов уменьшается, то есть диод дополнительно стабилизирует усилитель при воздействии на него различной температуры.  
 

    3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ  УСИЛИТЕЛЯ

    Структурная схема усилителя представлена на рисунке 1.

    Рис. 1

    Непосредственно усилитель включает в себя входной, промежуточный и выходной каскады, а также ООС. Но так как любой  усилитель разрабатывается для  конкретной нагрузки (или диапазона  нагрузок) и для конкретного генератора, то они также участвуют в данной схеме.

    Входное устройство является генератором сигнала  с внутренним сопротивлением и емкостью.

    Входной каскад является первым транзисторным  каскадом усилителя, для которого важно  получить хорошее согласование с  входным устройством и на который будет подана ООС с выходного каскада. При определенных условиях, рассмотренных в пятой главе, этот каскад может быть выполнен как на полевом, так и на биполярном транзисторах.

    Промежуточный каскад является непосредственно главным усилительным каскадом, за счет которого должен достигаться высокий коэффициент усиления.

    Выходной  каскад – эмиттерный повторитель. Служит для лучшего согласования усилителя  с нагрузкой, а также для получения  нужной фазы тока, передаваемого по ООС.

    Выходное устройство – это то, на что будет нагружен усилитель. Оно, как и входное, обладает внутренним сопротивлением и емкостью.

    4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ  УСИЛИТЕЛЯ 

    Разработка  принципиальной схемы усилителя  – это замена структурных блоков схемными решениями.

    Входной каскад представлен на рисунке 2.

    Рис. 2

    На  данном рисунке представлен входной  каскад, выполненный на БТ, с разделенным  сопротивлением эмиттера R_E11 и R_E12, где R_E12 в дальнейшем будет определять R_OOC. R_N представляет собой свернутое до одного резистора сопротивление последующих каскадов. 
 
 
 
 
 

    Промежуточный каскад представлен на рисунке 3.

    Рис. 3

    Усилительный  промежуточный каскад похож на первый за исключением отсутствия не шунтированного конденсатора.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Выходной  каскад с подключенным к нему выходным устройством и сопротивлением ООС представлен на рисунке 4.

    Рис. 4

    Как видно у эмиттерного повторителя  нет сопротивления коллектора. Резистор обратной связи изображен подключенным параллельно резистору эмиттера между эмиттером и землей, но в схеме усилителя с ООС он будет подключен ко входному каскаду. При расчете схемы выходного каскада без ООС для постоянного тока, резисторы R_ООС и R_E3 для удобства заменим одним R_ЕКВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    5. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ

    5.1 Расчет схемы без подключения  ООС

    Начнем  расчет усилителя с выходного  каскада на ЭП. Задание рабочий  точки происходит в соответствие с U_НОМ в режиме постоянного тока.

    Расчет  начинается с определения значения I_ЭП выходного каскада. В номинальном режиме работы нужно обеспечить в нагрузке ток с амплитудным значением:

    I_НОМ = U_НОМ/R_Н =  6.4 мА

    Ток через транзистор VT3 изменяется в пределах:

    I_VT3 = I_ЭП3 ± I_НОМ

    Следовательно, требуемый уровень НИ обеспечивается при условии для тока покоя:

    I_ЭП3 > I_НОМ 

    Выберем I_ЭП3 = 2.5 I_НОМ = 16 мА

    Пусть U_ЭП3 = I_ЭП3R_Э3.ЭКВ. = 1.5 U_НОМ = 4.8 В, тогда R_ЕКВ = 0.3 кОм, но так как наличие термостабилизирующего диода повышает напряжение базы и эммитера, на 250 мВ, то считаем U_БП ≈ U_ЭП - 0.25 + 0.7 ≈ 5.25В.

    Уравнение базового делителя:

    Выберем R_Б31 и R_Б32 исходя из делителя, условия стабильности и того, что R_Б нужно получать большими, для лучшего сопротивления нагрузки предстоящему каскаду.

    R_Б31 = 18 кОм;

    R_Б32 = 9.1 кОм.

    (1-n)E_K – U_KH – I_ЭПR_Э > U_HOM;

    7.2 – 1 – 1.18 > 3.2;

    5.02 > 3.2.

    U_ЭП = I_ЭПR_Э = 1.18 В;

    U_БП ≈ U_ЭП + 0.7 ≈ 1.88 В.

    Учитывая  повышение U_БП на 300 мВ термостабилизирующим диодом, U_БП следует взять равным 1.58 В.

    Уравнение базового делителя:

    Теперь  выберем R _Б21 и R _Б22, руководствуясь тем же принципом, что и при расчете выходного каскада.

    R_Б21 = 180 кОм;

    R_Б22 = 22 кОм.

    Условие стабильности по постоянному току

    Входное сопротивление второго и соответственно нагрузочное сопротивление первого каскада:

    R_BX2 = R_Н1 = R_Б21 || R_Б22 || h_21Э r_Э2 = 19.6 || (205*0.02) ≈ 3.4 кОм.

    К_U усилительного каскада:

     .

    Выбирая между большим коэффициентом  усиления промежуточного каскада (за счет изменения Iкп2 ) и входным сопротивлением, мы имеем 2 варианта. Можно добиться лучшего коэффициента усиления на промежуточном каскаде, либо примерно равного на обоих. Мы выбираем равное усиление на обоих каскадах.

    Теперь, зная R_К2, можно рассчитать выходного сопротивление усилителя:

    Выходное  сопротивление усилителя оказалось  маленьким, что от него и требовалось. 

    Приступая к расчету входного каскада, нужно  выбрать на каком транзисторе  будет осуществлен входной каскад. Сопротивление генератора, данное по заданию: 3 кОм. Влияние ООС на входной каскад заключается в уменьшении уровня сигнала, который подается непосредственно на вход каскада. Поэтому уровень

    U_КП  = I_КПR_К можно выбрать достаточно близким к напряжению питания. Выберем U_КП  = 0.8E_K = 14.4 В.

    Сопротивление R_К1 выберем 13 кОм. А ток I_КП соответственно:

    I_КП = U_КП / R_К1 = 14.4/13 ≈ 1.11 мА

    Составное сопротивление эммитера:

    R_Э1 = R_Э11 + R_Э12

    R_Э11 – шунтируется конденсатором С_Э1. Выберем его, как и во втором каскаде равным 2 кОм.

    R_Э12 – служит для подключения ООС. Выбор значения R_Э12 происходит по нескольким критериям. Во-первых, оно не должно быть слишком маленьким, иначе маленьким окажется входное сопротивление усилителя. Во-вторых, оно не должно быть больше нескольких десятков Ом, так как это повлечет за собой необходимость увеличения RОС и уменьшение усиления каскада. В-третьих, должно соблюдаться следующее условие:

  R_OC = (K_U.HOM – 1)R_Э12 > R_Э3.ЭКВ. = R_Э3||R_OC; 

  89*R_Э12 > 0.3.

    Допустим  возьмем R_Э12 = 10 Ом, тогда:

    89*0.01 > 0.3;

    0.89 > 0.3.

    Далее продолжим расчет каскада по постоянному току:

    U_ЭП = I_ЭПR_Э ≈ 2.22 В;

    U_БП ≈ U_ЭП + 0.7 ≈ 2.92 В;

    Принимая  во внимание подъем базового напряжения на 0.4 В за счет диода, рассчитаем базовый  делитель для напряжения U_БП ≈ 2.52 В:

    Выберем R_Б12 и R_Б11, исходя из условия стабильности и того, что R_Б нужно получить большими для лучшего сопротивления усилителя.

    R _Б11 = 240 кОм;

    R _Б12 = 43 кОм.

    Условие стабильности по постоянному току

    Входное сопротивление первого каскада и всего усилителя:

    R_BX1 = R_Б21 || R_Б22 || h_21Э (_rЭ1 + R_Э12) = 36.47 || (205*0.0325) ≈ 5.63 кОм

    Коэффициент усиления входного каскада:

     . 
 
 
 
 
 
 
 

5.2 Расчет  схемы с ООС

    Теперь, завершив расчет всех трех каскадов по отдельности и без ООС, можно приступить к расчету целого усилителя с ООС. Схема усилителя с подключенной ООС, нагрузкой и генератором представлена на рисунке 5:

    Рис. 5

    Проведем разделение R_Э3.ЭКВ. на R_Э3 и R_OC. Согласно условию: K_НОМ = 90, значит R_OC = 90*R_Э12 = 0.9 кОм.  Т. к. можно выбрать резистор обратной связи из ряда Е192 , то возьмем его равным 0.898 кОм. Тогда для сохранения

    R_Э3.ЭКВ = R_Э3 || R_OC = 0.3 кОм, возьмем R_Э3 = 0.47 кОм.

     - коэффициент обратной связи,  равный:

     .

    K_U0 = K_U01* K_U02* K_U03 ≈ 82.9*161.8 ≈ 13413.22

    K_U0.OC - значение в усилителе с ООС без учета ее глубины, в идеальных условиях, рассчитывается после определения К_U0:

     .

    Отклонение  расчетного значения коэффициента усиления от номинального вследствие конечной  глубины ООС:

    Как упоминалось ранее, на входном каскаде  усилителя за счет ООС будет усиливаться  уменьшенный входной сигнал:

     .

    Таким образом, входной сигнал до усиления будет уменьшаться в 147 раз.

    Теперь, для получения реального значения коэффициента усиления, следует посчитать  коэффициенты согласования на входе  и выходе генератора.

    Коэффициент согласования на выходе:

     .

    Перед расчетом коэффициента согласования по входу, стоит скорректировать значения сопротивлений базового делителя входного каскада за счет подключения ООС и изменения условия стабильности по постоянному току. Помножим ранее полученные R_Б1 на множитель:

     .

    То  есть ранее полученные сопротивления  можно увеличить в 1.7 раза за счет глубокой ООС. Вновь выбранные сопротивления  базового делителя входного каскада: R_Б11 = 390 кОм; R_Б12 = 68 кОм.

    Пересчет  входного сопротивления усилителя  с учетом влияния ООС:

    R_ВХ1 = R_Б11 || R_Б12 || h_21Э [r_Э1 + R_Э12(1 + )] ≈ 57 || 308 ≈ 48 кОм.

    Коэффициент согласования по входу:

     .

    Принимая  в расчет все ранее полученные данные, определим общий коэффициент  усиления в реальном режиме:

    K_UP.OC = K_U0.OCK_BX.ОСK_ВЫХ.ОС ≈ 90.29*0.94*0.9997 ≈ 84.84.

    Отклонение  реального значения коэффициента усиления от номинального вследствие конечной  глубины ООС и условий согласования на входе и выходе:

     .

    Отклонение  от номинального коэффициента усиления всего на 1.5% это очень хороший результат, полученный при расчете «на бумаге», однако, нужно принимать во внимание и реальные разбросы значений резисторов и транзисторов при их производстве. Поэтому пересчитаем коэффициент усиления для наихудшего случая этих разбросов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    5.3 Расчет для наихудшего сочетания  разбросов элементов схемы

    Новое значение I_ЭП  вычисляется, как

     ,

    Пересчитаем I_ЭП  для второго каскада:

    Пересчитаем I_ЭП  для первого каскада:

    Новое значение R_ВХ2 = R_БД2 || h_21Эr_Э2 ≈ 6.04||2.55 ≈ 2 кОм;

    Новое значение R_ВХ3 = R_БД3||h_21Э(R_Э3||R_OC) ≈ 19.6||33 ≈ 12.45 кОм;

    Пересчитаем K_UO3:

    Пересчитаем K_UO2:

     .

    Пересчитаем K_UO1:

    Таким образом, K_U0 ≈ 10676.

    Перерасчет  K_U0.OC:

    Снова изменим сопротивления базового делителя входного каскада с учетом ООС:

     .

    Вновь выбранные сопротивления: R_Б11 = 270 кОм; R_Б12 = 39 кОм.

    Входное сопротивление усилителя:

    R_ВХ1 = R_Б11 || R_Б12 || h_21Э [r_Э1 + R_Э12(1 + )] ≈ 34.1 || 4.7 ≈ 4.35 кОм.

    Новое значение К_ВХ:

    Выходное  сопротивление усилителя:

    Новое значение К_ВЫХ:

    Определим новое значение реального коэффициента усиления:

    K_UP.OC = К_ВХК_ВЫХK_U0.OC ≈ 90.1*0.71*0.9999 ≈ 64.1.

    Отклонение  коэффициента усиления от номинального значения  в  наихудшем случае:

    5.4 Расчет частотных характеристик  усилителя в области НЧ и  ВЧ 

    Рассчитаем  АЧХ усилителя в области низких частот.

    Сначала определяется граничная частота  для схемы без ООС:

     .

    Значение  определяется через отдельные граничные частоты каждой

    RC-цепи, входящей в схему по формуле:

    Рассчитаем  граничные частоты отдельных  цепей:

1. входная цепь - ,
2. эмиттер VT1 - ,
3. разделительный конденсатор после VT1 - ,
4. эмиттер VT2 - ,
5. разделительный конденсатор после VT2 - ,
6. выходная цепь - .

    Подберем  значения конденсаторов таким образом, чтобы в сумме  получалось ≈ 11.8 кГц.

    Методом подбора получены оптимальные значения емкостей конденсаторов:

1. С_P1 = 3.3 мкФ
2. C_Э1 = 220 мкФ
3. С_Р12 = 3.3 мкФ
4. С_Э2 = 220 мкФ
5. С_Р23 = 3.3 мкФ
6. С_Р3 = 4.7 мкФ

    Рассчитаем  АЧХ усилителя в области высоких  частот.

    Значение  f_B таковы, что собственные емкости транзисторов еще не оказывают своего влияния. Задание этой частоты обеспечивается внешним конденсатором С_{КОРР.ВЧ}, который присоединяется параллельно резистору R_K2.

     .

    6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

    В процессе работы была изучена методика расчета усилителя с ООС. В  итоге  была проделана следующая работа:

    1. Была получена и проанализирована  схема усилителя на трех каскадах;

    2. Получена правильно функционирующая  глубокая ООС;

    3. Достигнуто минимальное отклонение коэффициента усиления от заданного даже в реальном наихудшем случае разбросов параметров усилителя.

    4. Получена АЧХ с заданными граничными  частотами.