Электронные усилители

Задача № 1

1. Приведите структурную схему усилителя с заданными каскадами; на схеме укажите заданные напряжения.

2. Рассчитайте указанный коэффициент усиления.

3. Перечертите заданную характеристику, укажите её название. Поясните физический смысл заданных качественных показателей, и с помощью приведённой характеристики рассчитайте их.

Дано: состав структурной схемы - КПУ, ПОК, ОК.

Параметры для расчёта: U_{вх ус} =10мВ, U_{вых ус} = 0,5В, U_{вых кпу} = 100мВ.

Найти: К_кпу., ДРЧ М_f =100 Гц

Решение:

1) Структурная схема усилителя с заданными каскадами

U_{вх ПОК} U_{вх ОК}

U_{вых КПУ} U_{вых ПОК}

U_ИС U_{ВХ КПУ} U_{ВЫХ ОК} U_Н

2) Расчёт коэффициента усиления (К_кпу) по заданным величинам напряжений.

Коэффициент усиления, показывает во сколько раз КПУ, усиливает входное напряжение. За входное напряжение КПУ берем значение U_{вх ус} =10мВ, так как входное устройство является элементом согласования каскадов усилителя и усилительными свойствами не обладает.

3) Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

К

60

50 К ср

40

0,707К_СР

30

20

10

f кГц

0 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 12,9

АЧХ усилителя отображает зависимость К от частоты, на ней видно, что в диапазоне частот от 0,05 до 0,2 кГц коэффициент возрастает, затем в диапазоне от 0,2 до 3.2 кГц коэффициент не изменяется, а затем начинает уменьшаться.

ДРЧ (диапазон рабочих частот) - диапазон частот, в котором коэффициент усиления К уменьшается не более, чем на 1 дБ, то есть в 1.41 раза.

Поэтому на уровне , проводим вспомогательную линию, параллельную оси f . Точки пересечения этой линии с АХЧ проецируем на ось f. Получаем искомый ДРЧ от нижней частоты f_Н до f_В.

По примеру из методического пособия (рис.8), для решения задачи находим из графика среднее значение К_СР. К_СР =50

Затем находим 0,7К_СР = 0.7 50 = 35, на этом уровне проводим прямую параллельную оси f.

Из получившихся расчетов делаем вывод, что предложенная в задаче АЧХ усилителя находится в диапазоне рабочих частот и данный диапазон лежит в пределах от

f_Н =0,075 кГц и до f_В =11,6 кГц.

ДРЧ усилителя от f_Н =0,075 кГц и до f_В =11,6 кГц.

Рассчитаем значение

К_СР =50 = определили из графика, по графику также определяем значение К_f для частоты 100 Гц оно равно 40 (К_f =40).

Рассчитываем по формуле значение

Задача № 3

1. Укажите назначение операционного усилителя (ОУ) и его преимущества.

2. Приведите схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, поясните назначение элементов схемы.

3. Рассчитайте элементы схемы и постройте ее АЧХ.

Дано: Активный фильтр нижних частот. f_СР = 1 кГц, К_ФНЧ =100, R_ИС =1 кОм

Определить: 1) указать назначение операционного усилителя и его преимущества;

2) привести схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, пояснить назначение элементов схемы;

3) рассчитать элементы схемы и постройте ее АЧХ.

Решение:

1) Назначение и преимущества операционного усилителя.

Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций с входными сигналами: усиления, сложения, вычитания, умножения, интегрирования и т.д.

OУ выполняется в виде интегральных схем. В состав схем входят дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопротивление, малый шум; каскад предварительного усиления и усилитель мощности (эмиттерный повторитель).

Для ОУ характерны большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление, широкий диапазон рабочих частот, низкий уровень шума.

2) Активный фильтр нижних частот на ОУ:

С_СВ

R_СВ

R₁ DA

R₂

R_Н U_ВЫХ

U_ВХ

R₁ и R_СВ - задают коэффициент усиления схемы;

R₂ согласует неинвертирующий вход ОУ с источником сигнала;

R_СВ и С_СВ определяют частоту среза фильтра.

3) Расчет элементов схемы и построение АЧХ.

Чтобы согласовать инвертирующий вход ОУ с источником сигнала значение R₂ выберем равным R_ИС. R_ИС по условию задачи равно 1 кОм. Можно записать

R₂= R_ИС=1кОм

Коэффициент передачи фильтра рассчитаем по формуле

Величина сопротивления R₁ выбирается из расчета от 1 до 3 кОм. Пусть R₁ = 2 кОм.

Тогда ( К_ФНЧ =100 по условию задачи).

Для расчета емкости С_СВ сначала рассчитываем круговую частоту среза

вычисляем [ рад/с]

Частота среза определяется цепочкой R_СВ и С_СВ и равна

, отсюда

Рассчитаем частоту , на которой К_ФНЧ = 0

Строим график:

Для построения графика от значений щ был взят десятичный логарифм от полученных ранее значений.

lg щ_СР = lg 6280 = 3,8 ;lg щ₀ = lg 126•10⁴ = 6,1

 К

60

50

40

30

20

10

0 6280 126•10⁴ щ (рад/с)

щ_СР щ₀ lg щ, дек

1 2 3 4 5 6 7 8

Задача № 4

Рассчитать каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе КТ312А

n-p-n - типа, включенном с общим эмиттером, с последовательной отрицательной обратной связью по току.

Дано: Е_к = 15В, К_ООС = 10, F_H = 75Гц, R_H = 10кОм, I_{К max ДОП} = 30мА, h_{21э min} = 10,

h_{21э max} = 100, r_б = 100 Ом.

Рассчитать: элементы схемы и рабочий режим транзистора.

Решение:

Принципиальная схема резистивного усилителя напряжения:

 Е_К

+ ?

R_К

С_Р

R_Д1

С_Р VT

U_ВЫХ

R_Н

U_ВХ R_Д2

R_Э С_Э

1. Сопротивление нагрузки коллекторной цепи R_К

кОм (стандарт 620 Ом), где I_Kmax = К_З I_{К max ДОП} = = 0.75 I_{Kmax ДОП} =0,75• 30=22,5 (мА) где К_З коэффициент запаса по току I_К .

Обычно К_З = 0,7…0,8. приняли для задачи К_З=0,75

2. Сопротивление резистора в цепи эмиттера R_Э .

Требуемая стабилизация режима работы достигается, если R_э ? 0,1R_K

R_э ? 0,1• 610 = 61 Ом. Выберем стандарт R_э = 62 Ом.

3. Эквивалентное сопротивление делителя R_{д1 ,} R_д2 :

R_дел = R_Э • (Si - 1),

где Si - коэффициент нестабильности в реальных схемах Si=2…5. Примем среднее значение Si= 3,5.

R_дел = 61 • (3,5 - 1) = 61 2,5 = 152,5 Ом.

4. Определяем рабочий режим транзистора:

- минимальный коллекторный ток

I_Kmin = 0.1• I_Kmax = 0.1• 0.75• 30 = 2.25мА.

- максимальный коллекторный ток:

I_Kmax =0.75• I_{K max доп} = 0,75 • 30 = 22,5 мА.

- максимальное коллекторное напряжение ( U_{KЭ max})

- минимальное значение U_КЭ

,

где U_кэнас = 0,8В, так как для кремниевых транзисторов такое значение напряжения насыщения.

Параметры рабочего режима транзистора в рабочей точке:

- выходное напряжение U_КЭРТ - напряжение на коллекторе в рабочей точке:

Выходной ток - ток коллектора в рабочей точке:

Входной ток в рабочей точке - ток базы

 ,

где h_21э - средне- геометрическое значение коэффициента передачи тока., тогда входной ток

Входное напряжение - напряжение на базе транзистора в рабочей точке U_БЭРТ:

,

где U_БЭ0 - пороговое напряжение биполярного транзистора. Для кремниевых транзисторов U_БЭ0 = 0,7 В; r_Б =100 Ом из данных задачи

- расчёт делителя R_д1 и R_д2

Стандартное значение R_д2 =180 Ом 10%

Стандартное значение R_д1=1,6 кОм 5%

- значение емкости разделительного конденсатора определяется, исходя из нижней частоты диапазона усиливаемого сигнала

стандартное значение 0,2 мкФ

- Расчет емкости блокировочного конденсатора:

Стандартное значение : 330 мкФ10%

расчет коэффициента усиления каскада

коэффициент получился меньше заданного. Возьмем величину R_К из стандартного ряда сопротивлений равной 680 Ом и рассчитаем вновь:

что соответствует требованию задания.

Задание № 5

Привести схему автоколебательного мультивибратора, указать его назначение. Рассчитать длительность импульсов t_И1 и t_И2, период следования импульсов Т и частоту следования импульсов ѓ. Построить временные диаграммы U_к1= ѓ(t) и U_к2 = ѓ(t).

Дано: R_К1 = 100 Ом; R_К2 = 82 Ом; R₁= 2кОм; R₂ = 3кОм; C₁ = C₂ = 10нФ; E = 15В.

Рассчитать: t_И1, t_И2, Т, ѓ.

Решение:

Схема автоколебательного мультивибратора

+ Е ?

R_К1 R₂ R₁ R_К2

С₂ С₁

VT₁ VT₂

U_ВЫХ1 U_ВЫХ2

Мультивибратор - это релаксационный генератор. Мультивибратор формирует импульсы не синусоидальной формы - на выходе мультивибратора могут быть импульсы прямоугольной или пилообразной форм. Мультивибратор имеет накопитель энергии - конденсатор и электронный ключ - транзистор - переключение которого обусловлено запасом энергии в конденсаторе. Параметры выходных импульсов определяются параметрами элементов схемы. Мультивибраторы применяются в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники.

2. Расчёт длительности импульсов проводится по формуле t_И = 0,7 RC

расчет t_И1= 0,7 R₁C₁

расчет t_И2= 0,7 R₂C₂

Длительность фронтов импульсов зависит от времени заряда емкости и определяется по формулам:

Период следования импульсов:

Т = t_И1 + t_И2 = 14 + 21 = 35мкс

Частота следования импульсов:

Амплитуда импульсов: по среднему значению

Временные диаграммы выходных сигналов: U_к1= ѓ(t) и U_к2 = ѓ(t).

Для построения: t_И1= 14 мкс; t_И2= 21 мкс

t_Ф1= 2,5 мкс t_Ф2= 2,05 мкс

U_m=12В

 U_К1

t_И1

16

12

8

4

0

5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 60 t,мкс

t_Ф1

U_К2

16 t_И2

12

8

4

0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t, мкс

t_Ф2

Литература

1. Электронная техника. Программа, методические указания.. М, 2003

2. Электронные приборы и усилители. Программа, методические указания …М, 1995