Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию 

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет - УПИ»

Факультет ускоренного обучения

Кафедра микропроцессорной техники 

Оценка  проекта 

Члены комиссии 
 

УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ  НА ТРАНЗИСТОРЕ С  ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

Пояснительная записка

230101 000000 000 ПЗ 
 
 
 

Екатеринбург 2010

Задание на курсовой проект

     Исходные  данные для расчета усилителя  напряжения низкой частоты на транзисторе  с общим эмиттером.

Максимальное  напряжение на входе усилителя Е_с = 0,06 В

Сопротивление источника сигнала R_c = 2,0 кОм

Коэффициент усиления по напряжению K_u = 80

Сопротивление нагрузки R_н = 20 Ом

Нижняя граничная  частота f_н = 100 Гц

Верхняя граничная  частота f_в = 20 кГц

Коэффициент нестабильности S = 5

t_max = 50°C 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

      ВВЕДЕНИЕ          4

1. рАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ        5
1. Расчет эмиттерного повторителя        5
2. Расчет усилительного каскада по постоянному току     7
3. Расчет усилительного каскада по переменному току    10
4. Расчет емкости конденсаторов       11
5. Расчет амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик 12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ           15

Список  использованных источников       16

      ПРИЛОЖЕНИЕ  А Схема электрическая принципиальная

      ПРИЛОЖЕНИЕ  Б Сборочный чертеж 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

       Усилитель напряжения низкой частоты предназначен для усиления малого напряжения переменного тока в различных диапазонах частот. Входное напряжение усилителя может иметь величину от единиц микровольт до десятков милливольт, выходное - не превышает нескольких вольт. Коэффициент усиления таких усилителей обычно не более ста. На рисунке 1 приведена типовая схема усилителя.

       Рисунок 1 – Типовая схема усилителя 

       Делитель, образованный резисторами R1 и R2 задает напряжение базы транзистора U_б. Если ток делителя значительно больше тока базы, то напряжение базы U_б будет слабо изменяться при малых изменениях тока базы (будет почти постоянным).

         В этой схеме резистор R_э обеспечивает отрицательную обратную связь по току, необходимую для стабилизации режима работы усилителя по постоянному току. Емкость C_э шунтирует резистор R_э и исключает обратную связь на частоте усиливаемого сигнала.

       Источники входного сигнала могут иметь  внутреннее сопротивление R_c от десятков до сотен и тысяч Ом. Так как усилитель в схеме с общим эмиттером имеет сравнительно небольшое входное сопротивление, то при значительном сопротивлении источника сигнала на входе усилителя следует включать эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель, как известно, имеет высокое входное и малое выходное сопротивления.

       Нагрузка  такого усилителя является, как правило, активной и может иметь значение от десятков до сотен и более Ом. Так как усилитель в схеме с общим эмиттером имеет большое выходное сопротивление, а сопротивление нагрузки мало, то рекомендуется использовать на выходе усилителя эмиттерный повторитель. 
 

1. Расчетная часть

1.1 Расчет эмиттерного  повторителя по  постоянному току

     Т.к. нагрузка имеет низкое сопротивление, то во избежание шунтирования выходного  сопротивления усилительного каскада  применяем эмиттерный повторитель. Схема усилителя с эмиттерным повторителем на выходе приведена в приложении А

     Вначале произведем расчет эмиттерного повторителя. Для выбора транзистора определяем напряжение и ток нагрузки в соответствие с заданными параметрами. 

      ; (1.1.1)

     Где: Ес – источник сигнала, В.

             К_U – коэффициент усиления.

      ; (1.1.2)

     где R_H – сопротивление нагрузки, Ом. 

     Рассчитаем  требуемое напряжение источника  питания:

      ;       (1.1.3)

Из  рекомендованного ряда номинальных значений напряжения источника питания выбираем Е_П=16 В. 

     Рассчитаем  ток коллектора:

      ;  (1.1.4) 

     Выбираем  рабочую точку, руководствуясь полученными  значениями напряжения и тока на нагрузке, таким образом, чтобы работа каскада выполнялась на линейном участке нагрузочной прямой. Для этого выбираем и . 

     Рассчитаем  мощность, рассеиваемую на нагрузке Р_вых.

      ;                                                                           (1.1.5)  

     В соответствие с полученными значениями тока и напряжения выбираем транзистор VT2, параметры которого приведены в таблице 1.

     Рассчитаем  сопротивление базового резистора  R_Б2, включенного между базой транзистора VT2 и источника питания E_П:

       ; (1.1.6)

     Где; = ; (1.1.7)

               β – статический коэффициент усиления транзистора VT2 по току. 

     Найдем  входное сопротивление эмиттерного  повторителя:

      ; (1.1.8) 

     Далее рассчитаем входное сопротивление  R_ВХэкв, которое будет являться нагрузкой усилительного каскада:

      ; (1.1.9) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Расчет усилительного  каскада по постоянному  току

     Определив входное сопротивление второго  каскада, можем выполнить расчет каскада усиления, для которого это  сопротивление является нагрузочным. Вначале по закону Ома определим ток нагрузки , протекающий через входное сопротивление эмиттерного повторителя: 

      ; (1.2.1)

     где R_Н – входное сопротивление эмиттерного повторителя (R_ВХэкв), Ом.

      ; (1.2.2) 

     Рассчитаем выходную мощность, рассеиваемую на нагрузке, по формуле:

      ; (1.2.3)

     Ток рабочей точки усилительного  каскада  , также как и напряжение , следует выбрать таким образом, чтобы при работе она не заходила в область отсечки и насыщения транзистора. Выбираем , ;

     В соответствие с предложенными параметрами  необходимо выбрать транзистор с  достаточным статическим коэффициентом  усиления по току.

     Статический коэффициент усиления по току выбирается в пределах (1.2.4):

      ; (1.2.4) 

     Как наиболее подходящий для заданных условий  был выбран транзисторVT1, КТ503Б. Его параметры приведены в таблице 2. 

     По  закону Ома определим сопротивление  последовательного соединения резисторов R_K и R_Э1:

      ; (1.2.5) 

     где S – коэффициент температурной нестабильности.

     Сопротивление делителя R₁ и R₂ рассчитываются исходя из удовлетворения противоречивых требований. С одной стороны, для улучшения температурной стабильности каскада ток через делитель надо выбирать достаточно большим, т.е. делитель должен быть достаточно низкоомным. С другой стороны, в сопротивление делителя R_Б1=R₁||R₂ ответвляется часть тока источника сигнала, поэтому для уменьшения потерь сопротивление R_Б1 выбираем значительно больше, чем входное сопротивление транзистора. Рассчитаем сопротивление R_Б1 по формуле:

     R_Б1=5*[r_Б+r_Э(1+β)]=5[100+27,8(1+40)]=6,2кОм; (1.2.6)

     где r_Б – принимаем равным 100 Ом;

          ; (1.2.7)

     Поскольку величина коэффициента температурной  нестабильности S задана для расчёта, определим величину коэффициента :

      ;  (1.2.8)

      После определения коэффициента γ_Б и R_Б1, получаем формулу для расчета сопротивления R_Э1:

      ; (1.2.9)

     Рассчитаем  базовый делитель транзистора VT1 R₁ и R₂.

Сопротивление R₂ делителя определяем по закону Ома, учитывая, что напряжение на базе в РТ отличается от на величину порядка (0,3÷0,5) В: 

      ; (1.2.10) 

     Где: ток базы определяем по следующей формуле (1.2.5):

      ; (1.2.11)

     При известных значениях R₂ и R_Б1=R₁||R₂ сопротивление R₁ найдем по формуле:

      ; (1.2.12) 
 

     Чтобы обеспечить подобный ток базы и снизить  влияние температуры, выбираем ток  базового делителя в 5-10 раз больше тока базы : 

      ; (1.2.13)

     Далее проверяем, выполняется ли условие (1.2.14):

      ; (1.2.14)

      . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3 Расчет усилительного  каскада по переменному  току

     Из  схемы следует, что входное сопротивление  усилителя равно параллельному  соединению R_Б и входного сопротивления транзистора . Рассчитаем входное сопротивление транзистора VT1 по формуле:

      ; (1.3.1) 

     После расчета входного сопротивления  транзистора можно найти входное  сопротивление усилителя:

      ; (1.3.2)

     Выходное  сопротивление R_ВЫХ определяется как отношение приращения выходного напряжения к приращению выходного тока в режиме КЗ на выходе. Из схемы видно, что R_ВЫХ находится как параллельное соединение сопротивлений R_К и r_КЭ.

      ; (1.3.3)

     Вначале получим выражение для коэффициента усиления в режиме холостого хода, т.е. при отключенной нагрузке:

      ; (1.3.4) 

     где - коэффициент усиления при отключенной нагрузке, которой является эмиттерный повторитель, - коэффициент, учитывающий ответвление части тока генератора тока  в сопротивление . 

      ; (1.3.5) 

     Коэффициент усиления с нагрузкой К определяется по формуле (1.3.6): 

      ; (1.3.6)

1.4 Расчет емкости конденсаторов

     Рассмотрим  влияние емкостей С1, С2, С_Э на низких частотах. При снижении частоты сигнала сопротивление емкостей С1, С2, С_Э увеличивается, следовательно снижается коэффициент усиления каскада. При расчете усилителя используют нормированный коэффициент усиления, учитывающий влияние емкостей на коэффициент усиления каскадов. Общий нормированный коэффициент усиления G_H равен произведению частных (1.4.1): 

      ; (1.4.1) 

где , , - коэффициенты усиления под влиянием емкостей С1, С2, и С_Э соответственно.

     На  низких частотах коэффициент G_H принимают равным 0,707. Таким образом, выбираем значения коэффициентов =0,99, =0,99, =0,72. Далее по формулам (1.4.2), (1.4.3), (1.4.4) определяем значения емкостей С1, С2, С_Э: 

      ; (1.4.2)

      ; (1.4.3)

      ; (1.4.4) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.5 Расчет амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик усилителя

     Амплитудно-частотные  свойства усилителя описываются  уравнением (1.5.1): 

      ; (1.5.1)

     где - постоянная времени.

      ; (1.5.2)

      ; (1.5.3)

      ; (1.5.4) 

     где - верхняя граничная частота транзистора в схеме с ОЭ. 

     Для определения фазо-частотных характеристик усилителя используется формула (1.5.5): 

      ; (1.5.5) 

     Результаты  вычислений приведены в таблице 3. График амплитудно-частотной характеристики приведен на рисунке 2, а фазо-частотной характеристики – на рисунке 3. 
 

     Таблица 3 – Результаты вычислений АЧХ и  ФЧХ 
 

Рисунок 2 – Амплитудно-частотная  характеристика 

Рисунок 3 – Фазо-частотная  характеристика. 
 
 

Заключение 

    В результате выполнения курсового проекта  мы освоили методику расчета усилителя  напряжения низкой частоты на транзисторе с общим эмиттером. Получившаяся схема усилителя изображена в приложении А, сборочный чертеж платы – в приложении Б. Номиналы элементов схемы приведены в приложении В. Значения параметров усилителя при выбранных значениях элементов удовлетворяют заданию курсового проекта. Верхняя граничная частота усилителя получилась больше заданной, при желании понизить верхнюю граничную частоту требуется выбрать другой транзистор. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованных источников 

1. Полупроводниковые  приборы: транзисторы. Справочник/В. А. Аронов [и др.]; под общ. ред. Н. Н. Горюнова. – М.: Энергоиздат, 1982. – 904 с.

2. Транзисторный  усилительный каскад: методические  указания к курсовому проекту  по дисциплине «Электротехника и электроника» / сост. И. Е. Мясников. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007 – 32 с.

3. Оформление  курсовых и дипломных проектов: методические указания для студентов  технических специальностей / В. Н. Кичигин, И. Е. Мясников, С. И. Тимошенко. –Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – 80 с.