Разработка линейного ускорителя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

                                                                 

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

“Схемотехника аналоговых электронных устройств”

 

ТПЖА. 363 142 ПЗ

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

 

Киров  2002

 Реферат

Горинов С.В. Расчёт линейного усилителя. Курс. работа/ВГУ, каф. РЭС; рук. Е.В.Медведева - Киров, 2002 Гр. ч. 4 л. Ф. А4, ПЗ 31с., 1 рис., 5 приложений.

ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, КАСКАДЫ  УСИЛЕНИЯ, ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД, СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ОЭ), ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ, ГРАНИЧНАЯ ЧАСТОТА, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ГАРМОНИК, АМПЛИТУДО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (АЧХ), ОСЦИЛЛОГРАММА, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ, MICROCAP V (MC V).

 

Объект разработки – линейный усилитель.

Цель работы – разработка и расчет принципиальной схемы линейного усилителя. Исследование полученной схемы с использованием пакета программ MicroCap V.

Научная новизна отсутствует.

В результате проделанной  работы был разработан линейный усилитель  частоты, обеспечивающий заданные параметры. Расчеты были подтверждены моделированием в пакете прикладных программ MicroCap V.

В приложении приведены: выбранная схема усилителя, схема  с рассчитанными параметрами, спецификация на элементы схемы, осциллограммы и АЧХ усилителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1 Введение           4

2 Описание выбранной  схемы линейного усилителя     5

3 Расчет линейного  усилителя         6

3.1.1  Выбор транзистора   оконечного каскада     6

3.1 .2 Расчет элементов,  задающих рабочий режим каскада  6

3.2.1  Выбор транзистора   предоконечного каскада    7

3.2 .2 Расчет элементов,  задающих рабочий режим каскада  8

    3.3 Расчет элементов,  задающих рабочий режим каскада  

предварительного усиления       9

    3.4 Расчет элементов,  задающих рабочий режим 

входного каскада         10

    3.5 Расчёт разделительных конденсаторов    11

    3.6 Расчёт шунтирующих  конденсаторов     11

                 3.7 Моделирование рассчитанной схемы  усилителя   

        в пакете MicroCap V        12

Библиографический список          13

Заключение           14

Приложение 1 Структурная схема  ЛУ       15

Приложение 2 Принципиальная электрическая  схема     18

Приложение 3 Полученные осциллограммы        21

Приложение 4 Спецификация на элементы схемы      25

Приложение 5 ВАХи транзисторов       28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Усилительные  устройства находят применение в  самых различных областях науки, техники и производства, являясь  либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов и систем.

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов.

Усилительное  устройство характеризуется рядом  технических показателей. В зависимости  от того, какие из показателей считают основными, формулируются требования к проектированию усилителей и выбирают способы их технической реализации. К основным показателям относятся: коэффициент усиления, амплитудно - и фазочастотные и переходные характеристики, коэффициент нелинейных искажений, уровень помех, чувствительность, устойчивость, входное и выходное сопротивления. Спроектированное устройство должно удовлетворять определенному сочетанию упомянутых показателей.

Линейные усилители  предназначены для усиления напряжения. Эти усилители по своему устройству практически не отличаются от широкополосных. Однако их проектирование имеет некоторые особенности. Для линейного усиления используют транзисторы низких или средних частот. Транзисторы в линейных каскадах обычно включают с общим эмиттером (ОЭ).

Линейный усилитель  обычно состоит из нескольких каскадов: входного, предоконечного и оконечного. Технические параметры усилителя  во многом определяются оконечным каскадом, так как он является основным потребителем энергии источника питания. Выходной каскад (эмиттерный повторитель) служит для компенсации малой нагрузки и его коэффициент усиления по напряжению близок к 1. Предоконечные каскады работают в режиме большого усиления по напряжению. Входной каскад (на полевом транзисторе) служит для компенсации большого входного сопротивления и  его коэффициент усиления по напряжению также близок к 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Описание выбранной  схемы линейного усилителя

 Входной сигнал через разделительный конденсатор поступает на полевой транзистор VT1 (на его затвор). Транзистор VT1 включен по схеме с общим истоком. Нагрузкой транзистора VT1 является параллельное соединение резистора (нагрузка по постоянному току) и нагрузки по переменному току – входного сопротивления каскада предварительного усиления на транзисторе VT2. Резистор обеспечивает начальное смещение рабочей точки каскада и вводит в него последовательную ООС по току нагрузки, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада и стабилизирует его рабочую точку.

Полезный сигнал со стока  транзистора VT1 поступает через разделительный конденсатор на базу транзистора VT2. Транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ. Напряжение смещения на базу этого транзистора подается с помощью делителя напряжения (резисторы  R1, R2). Нагрузкой транзистора VT2 является параллельное соединение резистора (нагрузка по постоянному току) и входного сопротивления предоконечного каскада на транзисторе VT3 по переменному току. В эмиттерную цепь транзистора VT2 включен резистор и конденсатор , которые играют роль схемы эмиттерной стабилизации.

Полезный сигнал через конденсатор  поступает на базу транзистора VT3. Транзистор VT2 включен по схеме с ОЭ. Напряжение смещения на базу этого транзистора подается с помощью делителя напряжения (резисторы R1, R2). Нагрузкой транзистора VT3 является параллельное соединение резистора (нагрузка по постоянному току) и входного сопротивления оконечного каскада на транзисторе VT4 по переменному току. В эмиттерную цепь транзистора VT3 включен резистор и конденсатор , которые играют роль схемы эмиттерной стабилизации.

Полезный сигнал через конденсатор  поступает на базу транзистора VT4. Транзистор VT4 включен по схеме с ОК. Резисторы делителя R1, R2 задают напряжение смещения на базу этого транзистора. Резистор используется для создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы. Нагрузкой по переменному току является сопротивление . Конденсатор служит для отсечки постоянной составляющей выходного напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет линейного усилителя

3.1.1 Выбор транзистора  оконечного каскада (эмиттерный  повторитель) 

Граничная частота транзистора  оконечного каскада ЛУ определяется из соотношения:

; кГц;

Напряжение покоя между  коллектором и эмиттером выбирается следующим образом:

  =1+3=4 В;  =7 В;

В;

Зададимся В;

Максимальный ток эмиттера:

Примем, что  ,тогда

А;

Ток покоя коллектора:

мA;

Мощность, рассеиваемая коллектором:

Вт;

Исходя из этих условий выберем  транзистор. Указанным требованиям  удовлетворяет транзистор средних частот КТ815Б,  который имеет следующие параметры:

• максимальное напряжение коллектор-эмиттер 

      -    максимальный ток коллектора  ;

• коэффициент передачи тока  h_21Э =40;
• граничная частота МГц;

      -    емкость коллекторного перехода  пФ;

   -    емкость  эмиттерного перехода  пФ;

3.1.2    Расчет элементов, задающих рабочий  режим каскада

Начальный ток базы:

С помощью вольт –  амперных характеристик находим:

Начальное напряжение база – эмиттер:

 

Ток делителей:

Сопротивление, включаемое в цепь эмиттера:

Ом;

Рассчитаем сопротивления R1 и R2, которые образуют делитель напряжения:

Ом, выберем стандартное значение R2=1260 Ом;

Ом, выберем стандартное значение R1=634 Ом;

С помощью вольт - амперных характеристик  найдем сопротивление базы:

  Ом;

Найдем входное сопротивление  оконечного каскада:

 

Ом;

Ом;

Ом;

 

Найдем коэффициент усиления по напряжению оконечного каскада:

 

Будем считать, что  ;

 

3.2.1 Выбор транзистора  предоконечного каскада 

Максимальный ток коллектора:

;

Ом;

Ток покоя коллектора:

Мощность, рассеиваемая коллектором:

Вт;

Исходя из этих условий  выберем транзистор. Указанным требованиям  удовлетворяет транзистор средних частот КТ603А,  который имеет следующие параметры:

• максимальное напряжение коллектор-эмиттер 

      -    максимальный ток коллектора  ;

• коэффициент передачи тока  h_21Э =10…80;
• граничная частота МГц;

   -    емкость  коллекторного перехода  пФ;

   -    емкость  эмиттерного перехода  пФ.

 

 

 

 

3.2.2    Расчет элементов, задающих рабочий  режим каскада

Начальный ток базы:

С помощью вольт –  амперных характеристик находим:

Начальное напряжение база – эмиттер:

 

Ток делителей:

Сопротивление, включаемое в цепь коллектора:

Ом;

Сопротивление, включаемое в цепь эмиттера:

Ом;

Пусть

Ом, выберем стандартное значение Ом;

Рассчитаем сопротивления R1 и R2, которые образуют делитель напряжения:

Ом, выберем стандартное значение R2=374 Ом;

Ом, выберем стандартное значение R1=1820 Ом;

С помощью вольт - амперных характеристик  найдем сопротивление базы:

  Ом;

Найдем входное сопротивление  каскада:

Ом;

Ом;

Ом;

Найдем коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:

 

 

 

 

3.3 Расчет каскада предварительного усиления

Максимальный ток коллектора на транзисторе КТ603А:

 

;

Ом;

Ток покоя коллектора:

 

 

Сопротивление, включаемое в цепь коллектора:

 

кОм;

Сопротивление, включаемое в цепь эмиттера:

 

кОм;

Начальный ток базы:

 

С помощью вольт – амперных характеристик  находим:

Начальное напряжение база – эмиттер:

 

 

Ток делителей:

 

Рассчитаем сопротивления R1 и R2, которые образуют делитель напряжения:

 

кОм, выберем стандартное значение R2=26100 Ом;

 

кОм;

Найдем входное сопротивление каскада:

 

кОм;

 кОм;

Ом;

Найдем коэффициент  усиления по напряжению каскада:

 

 

 

 

 3.4 Расчет входного каскада (на полевом транзисторе)

Выберем транзистор  КП303Г,  который имеет следующие параметры:

       -крутизна стока-  затворной характеристики S=2.5мА/В

-напряжение отсечки  

-начальный ток стока  

Диапазон изменения  тока стока:

Найдем ток стока покоя:

Найдем сопротивление, включаемое в цепь истока:

Ом, зададимся стандартным значением  Ом;

Найдем сопротивление, включаемое в цепь стока:

Так как  ,то

, зададимся стандартным значением  кОм;

Найдем коэффициент  усиления по напряжению входного каскада:

 

 

 

Найдем суммарный  коэффициент усиления:

 

 

3.5 Расчёт разделительных  конденсаторов

Пусть

Рассчитаем разделительный конденсатор  оконечного каскада:

 

 

Ом;

Рассчитаем разделительный конденсатор  :

Ом;

Рассчитаем разделительный конденсатор  :

Рассчитаем разделительный конденсатор  :

кОм;

Рассчитаем разделительный конденсатор  :

 

3.6 Расчёт шунтирующих  конденсаторов

Расчёт шунтирующего конденсатора для предоконечного каскада:

 

 

 

 

Расчёт шунтирующего конденсатора для каскада предварительного усиления:

 

 

Расчёт шунтирующего конденсатора для входного каскада:

По  справочнику:

 

 

3.7 Моделирование  рассчитанной схемы усилителя  в

пакете MicroCap V

 

 

  При моделировании схемы усилителя мощности в пакете MCV коэффициент усиления по напряжению приблизительно равен рассчитанному коэффициенту усиления. Некоторое несоответствие объясняется несовершенством моделей транзисторов пакета МСV. Коэффициент гармоник рассчитывается согласно пакету МСV. АЧХ и ФЧХ усилителя представлена в приложении 3.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1 Аксёнов А.И., Нефедов  А.В., Юшин А.М.  Справочник. Элементы  схем бытовой радиоаппаратуры.  Диоды. Транзисторы. - М.: Радио и  связь, 1993.

2 Войшвилло Г.В. Усилительные  устройства - М.: Радио и связь, 1983.

3 Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Под редакцией Н.Н. Горюнова - М.: Энергоатомиздат, 1982 .

4 Домрачев Е.И., Медведева  Е.В. Одиночные усилительные каскады.  Киров: ВятГТУ, 2001.- 55с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе выполнения курсовой работы был изучен принцип построения линейного усилителя. При проектировании получен необходимый коэффициент усиления, коэффициент гармоник. Некоторые неточности полученных результатов объясняется неточностью снятия вольт – амперных характеристик транзисторов и некоторые округления, принимаемые при расчете каскадов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

                                                                 

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Структурная схема ЛУ

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

ТПЖА 63239

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

 

 

 

Киров  2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

Утверждён

ТПЖА. 63239                                                                  

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Структурная схема ЛУ

 

Листов 1

 

 

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

Киров  2002

 

 

 

Сокращения:

              ИП - источник питания; ВК –  входной каскад; КПУ – каскад  предварительного усиления; ПКПУ –предоконечный каскад предварительного усиления; H – нагрузка; ИС – источник сигнала;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

                                                                 

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Принципиальная электрическая  схема

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

        ТПЖА. 63239

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

 

 

 

Киров  2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

         Утверждён

           ТПЖА. 63239                                                                  

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Принципиальная электрическая  схема

Листов 1

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева Е.В./

 

 

 

 

 

 

Киров 2002

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

                                                                 

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Полученные осциллограммы 

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

        ТПЖА. 63239

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева Е.В./

 

 

 

 

 

 

 

 

Киров  2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

         Утверждён

           ТПЖА. 63239                                                                  

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Полученные осциллограммы

Листов 2

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

Киров  2002

 

Осциллограммы, полученные с помощью программы Micro Cap V

 

Рисунок 1-Входное напряжение

 

Рисунок 2-Входное напряжение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3-Амплитудо-частотная  характеристика

 

 

Рисунок 4-График спектрального  анализа напряжений усилителя

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

                                                                 

 

 

 

Допускаю к защите

Зав. кафедрой РЭС

__________ Е.П. Петров

"___"___________2002 г

 

                                                       

РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Спецификация на элементы схемы

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

        ТПЖА. 63239

 

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработал студент  гр. БРА-22       ______________________      / Горинов С.В./

     

 Руководитель ст. преподаватель    ______________________      / Медведева  Е.В./

 

 

 

 

 

 

 

Киров  2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и  вычислительной техники

Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

 

          

         Утверждён

           ТПЖА. 63239