Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе

Размещено на http://www.Allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Теоретическая часть

1.1 Усилители: понятие, классификация, параметры, характеристики

1.2 Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителя

1.3 Усилительные каскады на биполярных транзисторах

1.4 Операционные усилители: понятие, параметры и характеристики

2. Расчетная часть

2.1 Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе

2.2 Проектирование усилителя низкой частоты

2.3 Проектирование сумматора на основе операционного усилителя

2.4 Моделирование схем с помощью программы Electronics Workbench

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день наука и техника особо тесно связаны и это отчетливо можно проследить на примере проникновения электроники и автоматизации во все сферы жизнедеятельности современного общества. Научные достижения в существенной степени зависят от уровня развития и возможностей современных технологий.

Электронные приборы составляют основу важнейших средств современной связи, автоматики, измерительной техники. Электроника находит все более широкое применение почти во всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, точностью, быстродействием, универсальностью, малыми габаритными размерами устройств, постоянно возрастающей экономичностью.

Быстродействие электронных устройств определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с углублением тенденций к микроминиатюризации элементов и устройств в целом.

Автоматизация в производстве растет настолько высокими темпами, что потребность в совершенствовании технологий изготовления элементной базы, ускорении обмена данными внутри устройств изменяется с каждым днем.

На основе электроники реален переход к полностью автоматизированному производству. Широкое применение получили станки с числовым программным управлением и промышленные роботы, роботизация бытовых приборов, например: автоматическая настройка температуры, влажности, автоматические выключатели, сенсорные ключи, и другие устройства заменяющие труд человека. Автоматизация технологических процессов позволила облегчить и даже полностью заменить монотонный труд человека.

Перевод цифровой вычислительной техники на электронную, а затем и микроэлектронную базу открыл перспективы дальнейшей автоматизации процессов управления вплоть до создания автоматов, наделенных элементами интеллекта.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Усилители: понятие, классификация, параметры, характеристики

В технике часто встречается задача, когда сравнительно маломощный источник сигнала оказывается неспособным управлять работой исполнительного устройства. Для решения этой задачи между источником сигнала и исполнительным устройством (нагрузкой) помещают усилитель. Под усилителем понимают устройство, в котором сравнительно маломощныйвходной сигнал управляет передачей гораздо большей мощности от источника питания в нагрузку.

Рисунок 1.1 - Схема усилителя

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема усилителя

Усилитель - это активный четырехполюсник, поэтому его можно представить так (рисунок 1.3).



Рисунок 1.3 - Эквивалентная схема усилителя

1. В зависимости от соотношения R_г и R_вх различают следующие усилители:

Если R_г > R_вх входным сигналом усилителя является ток I₁ - усилитель управляемый током.

Если R_вх > R_г усилитель управляется напряжением U₁ - усилитель управляемый напряжением.

Если R_вх R_г на вход усилителя поступает наибольшая мощность от источника сигнала. Это режим согласования. Выполняется в усилителях мощности.

2. В зависимости от соотношения R_вых и R_н различают:

Если R_вых << R_н то выходной сигнал - U₂, усилитель с потенциальным выходом.

Если R_вых >> R_н то выходной сигнал I₂, усилитель с токовым выходом.

Если R_вых R_н усилитель мощности.

Основные параметры и характеристики усилителя.

1. R_вх = U₁/I_1. - входное сопротивление.

На низких частотах - активное. Зависит от частоты.

На высоких частотах - комплексное.

2. R_вых = U₂xx/I₂кз_. (хх-холостой ход, кз-короткое замыкание).

3. К - коэффициент усиления, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

а) К_u = U_2m/U_1m - по напряжению.

б) K_I = I_2m/I_1m - по току.

в) K_p = P₂/P₁ - по мощности.

Коэффициент усиления - величина безразмерная, иногда его выражают в относительных логарифмических единицах, которые называют децибелами.

При воздействии на усилитель гармонического сигнала, его коэффициент усиления оказывается частотно-зависимым и аналитически выражается комплексной функцией коэффициента передачи, которая называется частотной характеристикой.

U₁->

U₂->

- комплексный коэффициент передачи.

4. Зависимость коэффициента передачи от частоты - частотная характеристика.

АЧХ: K_(j) = (0<<) = *e^j(₂^-₁⁾ = K_(j)*e^j(₂^-₁⁾

ФЧХ: _(j) = ₂-₁(0<<)

Рисунок 1.4 -АЧХ и ФЧХ усилителя

Графики усилителя:

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент усиления К₀ на всем диапазоне частот, в реальном же усилителе коэффициент меняется.

ФЧХ говорит о том, что на низких частотах фазовый сдвиг положителен, а на высоких частотах происходит запаздывание (т.е. отрицателен).

5. Амплитудная характеристика усилителя

U_вых = f(U_вх.м);

Рисунок 1.5 - Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика.

1. Отличия в области малых амплитуд входного сигнала состоят в том, что при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторый сигнал. Он возникает из-за наличия электромагнитных наводок и собственных шумов на вход усилителя

2. В области больших амплитуд отличия связаны с нелинейностью ВАХ активных элементов.

Из ВАХ вытекают основные параметры, определяемые по амплитудной характеристике:

А) - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем он качественнее.

Б) Чувствительность. Различают две чувствительности:

1) Номинальная - величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2) Пороговая - минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда:

6. Искажения сигналов в усилителях.

Для идеального линейного усилителя форма входного и выходного сигналов должны совпадать. В реальных усилителях этого не происходит. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы его на входе есть искажение создаваемое усилителем.

Искажения бывают:

1. Линейное;

2. Нелинейное.

Рисунок 1.6 - Искажения усилителя

Нелинейное искажение - это изменения формы сигнала на выходе, которые возникают за счет нелинейности ВАХ активных металлов. Количественно нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).

Линейное искажение бывает двух видов:

а. Частотное;

б. Фазовое;

Частотное искажение связано с наличием в схеме усилителя реактивных элементов и возникающих за счет неодинакового усиления различных гармонических составляющих.

Фазовое искажение возникает за счет неодинакового фазового сдвига различных гармонических составляющих. Причина этого - наличие реактивных элементов в схеме усилителя.

КПД усилителя.

КПД играет существенную роль в усилителях мощности.

;

Классификация усилителей

Классификация усилителей может быть произведена по различным признакам:

1. По полосе пропускания и абсолютному значению усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Усилители переменного тока в свою очередь делятся на усилители низких частот, широкополосные усилители и на избирательные усилители.

а. Усилители постоянного тока - способны усиливать как переменные, так и постоянные составляющие сигнала. У них f_н = 0;

б. Усилители переменного тока - способны усиливать только переменные составляющие сигнала. F_н>0.

в. Усилители низких частот - усилители звуковой частоты - f_н50 Гц,f_в20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них:

2. По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3. По виду используемых активных элементов:

а. Ламповые;

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

а. Однокаскадные;

б. Многокаскадные.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

в. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Обеспечивает гальваническую развязку между каскадами и в то же время обеспечивает полную передачу сигнала от одного каскада к другому по переменной и постоянной составляющей.

Многокаскадные усилители.

Одиночный усилительный каскад имеет небольшой коэффициент усиления (10-100).

Для получения больших значений коэффициента усиления применяют многокаскадные усилители:

Многокаскадные усилители представляют собой каскадное соединение усиленных каскадов.

- комплексный коэффициент передачи i-го каскада.

Подсчитаем общий комплексный коэффициент передачи i-го каскада:

Полоса пропускания многокаскадного усилителя составленного из N одинаковых каскадов, всегда меньше однокаскадного, и определяется выражением:

1.2 Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителя

Обратная связь в усилителях. Обратной связью (ОС) называется передача части энергии выходного (усиленного) сигнала «обратно» на вход каскада или усилителя. Обратной связью могут быть охвачены отдельные каскады, группы каскадов или весь усилитель, что осуществляется с помощью цепей, называемых цепями ОС. Цепи ОС оказывают сильное влияние на все показатели усилителя, поэтому их вводят в схему усилителя специально для изменения параметров и характеристик, а иногда и для получения совершенно новых качественных свойств усилителей. Цепи ОС могут также возникать помимо желания конструктора из-за несовершенства электронных приборов, ошибок при конструировании, небрежном выполнении монтажа и оказывать вредное (нежелательное) воздействие на работу усилителя; такие ОС называют паразитными.

Рисунок 1.7 - Варианты обратных связей: а - параллельная по напряжению, б - последовательная по току, в - последовательная по напряжению, г - параллельная по току

Различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи. При ПОС сигнал обратной связи совпадает по фазе со входным сигналом (такие сигналы называются синфазными), при их сложении суммарный входной сигнал увеличивается. При ООС сигнал обратной связи отличается по фазе от входного на 180° (такие сигналы называются противофазными), при их сложении суммарный входной сигнал уменьшается

Способы осуществления ОС в усилительных устройствах показаны на рисунке 1.7. К одно- или многокаскадному усилителю 1 подключена цепь ОС 2, которая в явном (или в неявном) виде имеет два входных зажима, соединяемых с выходной цепью, и два выходных зажима, соединяемых со входной цепью усилительного устройства. Возможны четыре варианта обратной связи: последовательная по напряжению (рисунок 1.7, а), последовательная по току (рисунок 1.7, б), параллельная по напряжению (рисунок 1.7, в) и параллельная по току (рисунок 1.7, г). Проведем анализ цепи последовательной ОС по напряжению, показанной на рисунке 1.7, а, с помощью напряжений, определяющих эту связь.

При отсутствии обратной связи выходное напряжение U_вых может совпадать по фазе со входным (быть синфазным) или не совпадать (быть противофазным), что отражено направлением стрелок.

В первом случае U_вых = K_uU₁ (сплошные стрелки при U₁ и U_вых направлены в одну сторону), во втором случае U_вых' = -U_вых (пунктирные стрелки направлены противоположно сплошным); при этом знак коэффициента усиления К_u меняется на противоположный, т.е.

К_u` = -U_вых/U₁ = -K_u

Напряжение в цепи обратной связи определяется формулой U_oc = вU_вых из которой следует, что коэффициент передачи цепи ОС в = U_ос/U_вых для синфазной цепи и в' = -U_ос/U_вых = в для противофазной цепи. Если напряжение источника входного сигнала U_вх совпадает но фазе с напряжением U_ос (обе стрелки направлены в одну сторону), обратная связь положительна (ПОС);

если U_вх н U_ос противофазны (пунктирная и сплошная стрелки направлены в разные стороны), обратная связь отрицательна (ООС). В общем случае U_вх = U₁±U_ос (знак - для ПОС и знак + для ООС). Общий коэффициент усиления напряжения с цепью ОС

(1.1)

Знаменатель выражения (1.1) определяет характер влияния цепи ОС на работу усилителя и по степени этого влияния, называемой глубиной ОС, можно судить о возможности использования ОС на практике. Рассмотрим два типичных варианта такого влияния: а) усилитель с цепью ПОС и б) усилитель с цепью ООС.

В усилителе с цепью ПОС, знаменатель (1.1) удовлетворяет неравенству: (1- вK_U)<1. При этом K_Uос>K_U и, если вK_U >l, то знаменатель обращается в нуль, а K_Uос >?, т.е. усилитель самовозбуждается и начинает работать как генератор электрических колебаний. Поэтому ПОС как специальная мера применяется не в усилителях, а в автогенераторах и других формирующих устройствах.

В усилителе с цепью ООС имеет место неравенство (l + вK_U)>l. При этом согласно формуле (1.1) K_Uос>K_U, т.е. коэффициент усиления напряжения усилителя с ООС уменьшается. Несмотря на это, ООС широко применяется во всех усилителях, так как она повышает стабильность режима работы усилителя и его параметров, уменьшает нелинейные и частотные искажения (обеспечивает равномерное усиление сигналов в более широком диапазоне частот), увеличивает входное сопротивление и т. д. Заменить один вид ОС на другой, например ПОС на ООС, можно, поменяв местами провода цепи ОС.

1.3 Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_Э, R_Б, E_К и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими системами уравнений:

Т.к. I_Э = I_К+I_Б, а I_Б<<I_К, то уравнение (1.2) можно записать в виде:.

Как и для схемы с ОЭ (см. рисунок 1.9) построим нагрузочную линию (1) соответствующую 1^Й системе.

Рисунок 1.9 - а) определение режима работы по постоянному току на выходных характеристиках транзистора, б) на входных характеристиках транзистора.

По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений R_Э и R_Б (см. рисунок 1.9).

, . (1.6)

Расчет по переменному току.

Представим схему замещения усилителя с ОК для расчета каскада по переменному току (см. рисунок 1.10), при этом примем следующие допущения:

- зажимы "+" и "-" источника питания по переменному току считаем однопотенциальными, за счет низкого внутреннего сопротивления источника питания;

- при определении основных характеристик усилителя считаем, что усилитель работает в области средних звуковых частот, следовательно сопротивлениями разделительных конденсаторов С_Р1 и С_Р2 можно пренебречь, как и влиянием емкости С_Н.

Рисунок 1.10 - Схема замещения усилителя с ОК

Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Схему замещения (рисунок 1.10) можно описать уравнением

, (1.7)

где

;

отсюда следует

(1.8)

Следовательно, получим

,

Из последнего выражения получим коэффициент усиления

(1.9)

Поскольку знаменатель k_U больше числителя, то k_U<1. при правильно спроектированном каскаде k_U0.9 0.99.

Т.к. k_U1 то U_ВхU_Вых, поэтому усилитель по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем, поскольку выходной сигнал повторяет входной по фазе и амплитуде.

Определение входного сопротивления усилителя.

Входной ток транзистора можно описать следующим выражением

(1.10)

Следовательно, входное сопротивление транзистора можно определить как

(1.11)

Исходя из этого, входное сопротивление усилителя определяется выражением

(1.12)

Т.к. k_U(0.90.99), то R_Вх.Тр = (10100)^.h_11Э, следовательно R_Вх.Ус(10100кОм).

Следовательно, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо если используется источник сигнала с высоким внутренним сопротивлением.

Определение коэффициента усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления по току можно определить как отношение выходного тока ко входному

, (1.13)

где - ток нагрузки;

- входной ток эмиттерного повторителя.

Подставив значения I_Н и I_Вх в формулу для k_i, получим

(1.14)

Поскольку допустимые значения R_Н порядка единиц кОм - сотен Ом, то k_i>>1 и составляет порядка десятков - сотен.

Определение выходного сопротивления усилителя.

Для определения выходного сопротивления повторителя, воспользуемся методикой.

Модель каскада приведена на рисунке 1.11. С учетом того, что R_Вн<<R_Вх, замыкание активного источника ЭДС произведем вместе с его внутренним сопротивлением.



Рисунок 1.11 - Модель эмиттерного повторителя для определения Rвых

Для согласования модели с реальной схемой, предположим, что напряжение получило приращение как показано на рисунке 1.11 ("+" - к эмиттеру, "-" - к общей шине). Под действием этого напряжения и источника ЭДС будут протекать токи и в направлениях, показанных на рисунке 1.11. Установим фактическое направление тока I_К. Ток - течет с эмиттера в базу, тем самым открывает транзистор (транзистор p-n-p), следовательно, ток коллектора получает положительное приращение. Таким образом, направление тока коллектора в модели соответствует направлению реального тока, значит, знак перед величиной источника I_Бh_21Э/h_22Э будет положительным.

Для тока коллектора можно записать следующее выражение

(1.15)

,

но т.к. получим, что , следовательно, выходное сопротивление транзистора можно определить как

, (1.16)

так как , то получим . Для типовых значений этих параметров маломощных транзисторов получим R_Вых.Тр порядка десятков Ом.

Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно

, т.к. R_Э обычно много больше R_Вых.Тр.

Выводы:

Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из 3^х схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким R_Вн и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току , однако не усиливает напряжение (k_U1), поэтому ее называют эмиттерным повторителем, т.к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе так и по амплитуде.

Схема с общим коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ - ОБ или ОБ - ОЭ.

1.4 Операционные усилители: понятие, параметры и характеристики

Операционный усилитель - усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и высоким R_ВХ.

Благодаря использованию симметричных ДК имеем слабый дрейф нуля. Несимметричный ДК даёт общую точку между U_ВХ и U_ВЫХ. Каскад с ОК даёт уменьшение R_ВЫХ. Из-за использования ДК напряжение питания ОУ двухполярно. Обозначение: ДА3.2 или А3.2, где 3 - номер в схеме, 2 - номер ОУ в корпусе, если их в корпусе несколько.

Рисунок 1.12 - УГО операционного усилителя

Говорят, что ОУ имеет дифференциальный вход, т.е. усиливает разность входных сигналов.

U_ВЫХ = K_U (U_ВХ1 - U_ВХ2) (1.17)

Основные параметры ОУ

1) K_UXX ? 50000

2) R_ВХ = 300 кОМ (биполярный транзистор) = 10 МОМ (полевые транзисторы)

3) R_НАГ.MIN ? 3 кОМ (основная масса)

мА,

В мощных ОУ I_ВЫХ ? 300 мА

4) Напряжение смещения нуля U_СМ = 5 мВ

5) Напряжение питания

E_П = 15 В (есть12,6;6,3; 5 ч 15)

U_{ВЫХ.ОУ.MAX} = (0.9 ч 0.95) E_П = (0.9 ч 0.95) 15 = 13.5 ч 14.25 В

Приблизительно можно считать, что выходное напряжение равно напряжению питания. ОУ усиливает (U_ВХ - U_ВХ2) = E_ДИФ (дифференциальный ЭДС)

K_U.ОУ ? 50000 (в среднем)

Пусть U_ВХ2 = 0 (т.е заземлено), следовательно

U_ВХ1.MAX = E_ДИФ.MAX = = 300 мкВ ? 0 В

Свойства идеального ОУ

1) Потенциал прямого входа = потенциал инвертирующего выхода

ц_{ПРЯМ.ВХ} = ц_ИНВ.ВХ или U_ВХ - U_ВХ2 = 0

2) R_ВЫХ.ОУ = ? ( ? 300 кОМ ), поэтому I_ВХ = 0

3) K_U = 50000, поэтому можно считать K_U = ?

В практических расчётов можно реальный ОУ считать как идеальный. Несмотря на это ОУ как усилитель используется очень редко.

Нарисуем передаточную характеристику U_ВЫХ(U_ВХ).

Рисунок 1.13 - Передаточная характеристика ОУ (U_ВЫХ = 0 при U_ВХ = U_CM)

Недостатки:

1)Линейный усилительный диапазон ОУ очень мал.

2)Зависимость К_U от температуры.

3)Неодинаковость K_U от корпуса к корпусу.

Поэтому ОУ применяется в качестве схемы с обратными связями.

Неинвертирующий усилитель на базе ОУ

Рисунок 1.14 - Неинвертирующий усилитель на ОУ

Отрицательная обратная связь (ООС)

U_ВЫХ = (U_ВХ - U_OC) K_U = U_ВХ - U_OC = (1.18)

При K_U > ?, U_ВХ - U_OC = 0, U_ВХ = U_OC.

(1.19)

Коэффициент передачи (П) схемы с обратной связями

(1.20)

П схемы с ОС не зависит от K_U, исключается зависимость от температуры и разброс K_U.

Инвертирующий усилитель на базе ОУ

Рисунок 1.15 - Схема инвертирующего усилителя на ОУ

U₂ = 0 т.к заземлено.

А = 1 нА ? 0

U₁ = 300 мкВ

i₁ + i₂ = i_ВХ = 0, значит i₁ = -i₂

;

;

(1.21)

Связь параллельная, т.к. складываются не напряжения, а токи. Это лишь теоретическая схема в ней отсутствуют цепи коррекции.

сумматор усилитель биполярный транзистор

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Исходные данные

Напряжение источника питания Е_к = 24 В.

Выходное напряжение U_{вых m} = 6 В.

Мощность нагрузки Р_н = 20 мВт.

Тип транзистора - p-n-p.

Рассчитываемая электрическая схема приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Порядок расчета

- Определение параметров нагрузки.

Сопротивление нагрузки определяется по формуле

(2.1)

кОм

Амплитуда тока нагрузки определяется по формуле

(2.2)

мА

- Выбор точки покоя.

Чтобы избежать нелинейных искажений выходного сигнала, параметры точки покоя выбираются из следующих условий

(2.3)

(2.4)

где U - напряжение на транзисторе в режиме насыщения, принимается 1-1,5 В.

Чем больше выбран I_кп, тем больше мощность, потребляемая от источника питания и, следовательно, ниже КПД каскада. При малом I_кп могут возникнуть нелинейные искажения выходного сигнала.

Принимаем I_кп = 12 мА, U_кэп = 7 В.

- Выбор транзистора.

Если не указаны дополнительные условия, то транзистор выбирается по предельным параметрам

U_{кэ доп} Е_к = 24 В;

I_{к доп} I_кп + I_{вых m} = 12+6,7 = 18,7 мА;

Р_{к доп} I_кп·U_кэп = 12·10^-3·7 = 84 мВт.

Выбираем транзистор КТ361А, у которого/4/

U_{кэ доп} = 30 В; I_{к доп} = 50 мА; Р_{к доп} = 150 мВт.

Данный транзистор имеет следующие h-параметры

h₁₁ = 0,1 кОм; h₂₁ = 50; h₂₂ = 3 мкСм.

Параметром h₁₂ пренебрегаем, а рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя U_бэп = 0,5 В.

- Статический режим.

В статическом режиме источник сигнала отключен и каскад работает только под действием источника питания Е_к. Поэтому сопротивление конденсаторов равно бесконечности и расчетная схема имеет следующий вид (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2- Усилительный каскад на биполярном транзисторе в статическом режиме

Уравнение статической линии нагрузки имеет вид

(2.5)

Так как I_э = I_к + I_б и I_к >> I_б , то I_э I_к .

Следовательно

Е_к = I_к ·(R_к + R_э) + U_кэ. (2.6)

Рекомендуется принимать R_э = (0,1-0,2) R_к.

Тогда

Е_к = 1,1 I_к R_к + U_кэ. (2.7)

В режиме покоя I_к = I_кn , U_кэ = U_кэп.

Определяем сопротивления в цепи коллектора и эмиттера

(2.8)

кОм;

R_э = 0,13 кОм.

По ряду Е48 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора Ом.

Для контура R_э - эмиттер - база - R₂ можно написать уравнение по второму закону Кирхгофа

; (2.9)

(2.10)

Чтобы в динамическом режиме не менялись существенно условия работы конденсатора, ток делителя рекомендуется выбирать в 5…10 раз больше I_бп. Примем I₁ = 5I_бп.

Определяем ток базы в режиме покоя по формуле

(2.11)

мА.

I₁ = 5·I_бп = 5·0,24 = 1,2 мА.

Тогда

кОм.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Аналогично для контура R₂ - R₁ - E_к

; (2.12)

(2.13)

кОм.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

- Динамический режим.

В динамическом режиме источник питания E_к закорочен, а токи протекают только за счет

Емкость конденсаторов выбирается так, чтобы на минимальной рабочей частоте их сопротивление было значительно меньше активных сопротивлений схемы и конденсаторы можно считать закороченными. Тогда, заменив транзистор эквивалентной схемой с h-параметрами, получим схему замещения усилителя (рисунок 2.3).



Рисунок 2.3 - Схема замещения каскада с учетом h-параметров

Сопротивление R_б, Ом определяется по формуле

(2.14)

кОм.

Так как , то им можно пренебречь.

Входное сопротивление каскада определяется по формуле

(2.15)

кОм.

Выходное сопротивление каскада определяется по формуле

(2.16)

Уравнение динамической линии нагрузки имеет вид

(2.17)

Максимальная амплитуда выходного напряжения при I_кm = I_кп.

По заданию U_{вых m} = 6 В. Поэтому сигнал искажаться не будет.

Коэффициенты усиления определяются по формулам

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется по формуле

(2.21)

Для каскадов, работающих в классе А, это достаточно высокий КПД, близкий к максимально возможному 0,35./6/

- Амплитудная характеристика U_{вых m} = f (U_{вх m}).

U_{вых m} = K_u ·U_{вх m} = 265 U_{вх m}. (2.22)

Это линейное уравнение справедливо до U_{вых max} = 6,4 В. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику (рисунок 2.4) можно построить по двум точкам:

первая точка - начало координат U_{вх m} = 0, U_{вых m} = 0;

вторая точка - U_{вых m} = 6,4 В, U_{вх m} = U_{вых m}/K_u = 6,4/265 = 24 мВ.

Рисунок 2.4 - Амплитудная характеристика усилителя

2.2 Проектирование усилителя низкой частоты

На основе операционного усилителя (ОУ) спроектировать усилитель низкой частоты с заданным коэффициентом усиления напряжения.

Исходные данные

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя 40.

Минимальное входное напряжение U_{вх min} = 1 мВ.

Тип ОУ - К544УД1, который имеет следующие основные параметры:

- напряжение источников питания E_п = ±15 В;

- входной ток I_вх = 0,1 нА;

- разность входных токов ДI_вх = 0,05 нА;

- коэффициент усиления K`_u = 100000;

- максимальное выходное напряжение U_{вых mах} = ±10 В;

- входное сопротивление R`_вх = 10 Мом;

- выходное сопротивление R`_вых = 2 кОм./4/

Рассчитываемая электрическая схема приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Порядок расчета

Для инвертирующего усилителя на ОУ входное сопротивление R_вх = R₁. Чтобы не загружать источники сигнала, величину R₁ желательно иметь большой. Но падение напряжения на R₁ от разностного тока ДI_вх воспринимается усилителем как сигнал. Чтобы отстроить эту помеху от полезного сигнала, надо иметь ДI_вх·R₁ значительно меньше, чем U_{вх min}.

Принимаем R₁ = 1 кОм, тогда ДI_вх·R₁ = 0,05·10^-9·1·10³ = 0,05 мкВ << U_{вх min} = 1 мВ.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Сопротивление обратной связи определяется по формуле

(2.23)

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь неинвертирующего входа включают резистор R₃.

Сопротивление резистора R₃ определяется по формуле

(2.24)

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью

Выходное сопротивление определяется по формуле

(2.25)

Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения (для данного типа ОУ - 10 В). Поэтому максимальная амплитуда входного синусоидального сигнала составит

(2.26)

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Амплитудная характеристика инвертирующего усилителя на ОУ

2.3 Проектирование сумматора на основе операционного усилителя

Спроектировать на основе операционного усилителя (ОУ) сумматор.

Исходные данные

Выполняемая операция сумматором - (5U1-3U2-4U3+2U4-6U5).

Сопротивление обратной связи 120 кОм.

Исходя из исходных данных, требуется построить схему сложения-вычитания.

В качестве схемы сложения-вычитания используем схему дифференциального включения ОУ (рисунок 2.7), которая использует инвертирующий и неинвертирующий входы. Дифферециальный усилитель (ДУ) усиливает дифференциальные входные сигналы Uвх.диф. = (Uc2-Uс1), действующие между инвертирующими и неинвертирующими входами усилителя. ДУ ослабляет синфазные входные сигналы

Uвх.синф. = Uc2 = Uс1, действующие между входами усилителя и общей точкой («землей»). Ослабление Uвх.синф. происходит только в том случае, если модули коэффициентов усиления по инвертирующему (вход 1) и неинвертирующему (вход 2) входами равны.

Рисунок 2.7 - Схема дифференциального включения ОУ

В качестве входных сигналов имеем два слагаемых сигнала U1 и U4, и три вычитаемых сигнала U2, U3 и U5. Слагаемые сигналы U1 и U4 подключаем через резисторы R1 и R4 к неинвертирующему входу ОУ DA1, а вычитаемые сигналы U2, U3 и U5 - к инвертирующему входу ОУ через резисторы R2, R3 и R5.

Рассчитываемая электрическая схема приведена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема сложения-вычитания на ОУ

Порядок расчета

Рассчитываемая схема сложения-вычитания показана на рисунке 2.8. Эта схема представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного напряжения схемы сложения-вычитания очень громоздкое, поэтому мы рассмотрим только условия, выполнение которых необходимо для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся, в сущности, к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее конвертирующей части. Другими словами, инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Целесообразно положить что

(2.27)

поэтому

кОм.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Для выходного напряжения схемы сложения-вычитания (рисунок 2.8) можно записать

(2.28)

Коэффициент при U₁ равен , поэтому кОм.

По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм.

Аналогично

По ряду Е24 принимаем стандартные номиналы резисторов кОм, кОм, кОм, кОм.

Проверяем наличие баланса

Т.о. сумма инвертирующих коэффициентов усиления на 6 больше суммы неинвертирующих коэффициентов. Необходимо изменить схему таким образом, чтобы напряжение на ее выходе стало равным

(2.29)

и задать U_x = 0, тогда полученное выходное напряжение окажется равным желаемому.

Т.о. необходимо подключить такое сопротивление между неинвертирующим входом и землей, чтобы отношение было равно 6, и тогда баланс схемы будет обеспечен. Величина равна кОм. По ряду Е24 принимаем стандартный номинал резистора кОм. Тогда схема рисунок 2.8 примет вид рисунок 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема сложения-вычитания на ОУ

В полученной схеме

так что схема будет действовать нормально.

2.4 Моделирование схем с помощью программы Electronics Workbench

Для моделирования воспользуемся программой Electronics Workbench версии 5.12. Electronics Workbench - это интерактивная система для моделирования и анализа широкого класса электрических схем. Эта программа предоставляет пользователю графический интерфейс для конструирования моделей из стандартных блоков при помощи технологии «drag-and-drop». Обширная библиотека блоков позволяет моделировать системы с высокой скоростью.

На рисунке 2.10 представлена модель схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, согласно произведенным расчетам в п. 2.1.

В результате проектирования рассчитан усилительный каскад по следующим исходным данным:

- напряжение источника питания Е_к = 24 В;

- выходное напряжение U_{вых m} = 6 В;

- мощность нагрузки Р_н = 20 мВт.

В результате проектирования построена амплитудная характеристика усилителя по двум точкам:

первая точка - начало координат U_{вх m} = 0, U_{вых m} = 0;

вторая точка - U_{вых m} = 6,4 В, U_{вх m} = U_{вых m}/K_u = 6,4/265 = 24 мВ.

Осциллограмма входных и выходных сигналов усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рисунке 2.11.



Рисунок 2.10 - Модель усилительного каскада на биполярном усилителе

Рисунок 2.11 - Осциллограмма входных и выходных сигналов усилительного каскада на биполярном транзисторе

На рисунке 2.12 представлена модель схемы инвертирующего усилителя на ОУ, согласно произведенным расчетам в п. 2.2.

В результате проектирования рассчитан инвертирующей усилитель на ОУ по следующим исходным данным:

- коэффициент усиления инвертирующего усилителя 40;

- минимальное входное напряжение U_{вх min} = 1 мВ;

- тип ОУ - К544УД1.

Рисунок 2.12 - Модель схемы инвертирующего усилителя на ОУ

В результате проектирования построена амплитудная характеристика инвертирующего усилителя на ОУ (рисунок 2.6). Т.к. амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения (для данного типа ОУ - 10 В), то согласно формулы (2.26) максимальная амплитуда входного синусоидального сигнала составляет

Произведем проверку работоспособности схемы инвертирующего усилителя. На вход схемы подадим постоянное напряжение с амплитудой равной 0,25 В (рисунок 2.12). В результате на выходе схемы получаем напряжение с амплитудой 10,03В (рисунок 2.12). Т.о. полученные результаты удовлетворяют требованиям на проектирование.

Осциллограмма входных и выходных сигналов инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Осциллограмма входных и выходных сигналов инвертирующего усилителя на ОУ

На рисунке 2.14 представлена модель сумматора на ОУ, согласно произведенным расчетам в п. 2.3.

Рисунок 2.14 - Модель схемы сумматора на ОУ

В результате проектирования рассчитан сумматор на ОУ по следующим исходным данным:

- выполняемая операция сумматором - (5U1-3U2-4U3+2U4-6U5).

Произведем проверку работоспособности схемы сумматора. Согласно формулы (2.29), выходное напряжение сумматора определяется выражением

На каждый вход схемы подадим постоянное напряжение с амплитудой равной 1 В (рисунок 2.14). Т.о. приняв U1 = U2 = U3 = U4 = U5 = 1В, в результате на выходе схемы получаем напряжение с амплитудой -6,0710В (рисунок 2.14). Т.о. полученные результаты удовлетворяют требованиям на проектирование.

Осциллограмма входных и выходных сигналов схемы сумматора на ОУ приведена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Осциллограмма входных и выходных сигналов сумматора на ОУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В теоретической части курсового проекта описана теория по усилителям, как на биполярном, так и на операционном усилителях.

В расчетной части курсового проекта произведен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе. В качестве усилительного элемента выбран транзистор КТ361А. КПД усилительного каскада составил 24%. На основе операционного усилителя К544УД1 спроектирован и рассчитан инвертирующий усилитель, имеющий коэффициент усиления по напряжению 40. Также в работе разработан сумматор на основе операционного усилителя реализующий функцию сложения-вычитания -(5U1-3U2-4U3+2U4-6U5). Выполнено моделирование рассчитанных электрических схем в программе Electronics Workbench.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Харченко В.М. Основы электроники.- М.: Энергоиздат, 1982.-352 с. ил.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.: Мир, 1984.-598 с. ил.

3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.Л., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника.- М., 2000.- 768 с.

4. Полупроводниковые приборы. Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 744 с.

5. Аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / А.Л. Булычев, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко и др. - Мн.: Беларусь, 1993.

6. Бладыко Ю.В. Электроника: Метод. пособие к выполнению расчетно-графической работы по дисц. «Электроника», «Электротехника и электроника», «Электроника и микропроцессорная техника», «Электроника и информационно-измерительная техника» / Ю.В. Бладыко, Г.С. Климович, Л.С. Пекарчик. Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. - Мн.: БНТУ, 2005. - 71 с.

Размещено на Allbest.ru