Разработка гибридной интегральной схемы усилителя электрических сигналов низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Введение

1. Разработка структурной схемы

2. Разработка принципиальной схемы

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

3.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики

Список литературы

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать принципиальную схему и выполнить расчет двухкаскадной схемы усилителя низкой частоты с использованием полевого и биполярного транзисторов.

1. Напряжение источника питания .

2. Коэффициент усиления по напряжению .

3. Входное сопротивление .

4. Сопротивление нагрузки .

5. Номинальное выходное напряжение .

6. Нижняя рабочая частота .

7. Верхняя рабочая частота .

8. Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте .

9. Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте .

10. Тип входа - несимметричный.

11. Тип выхода - несимметричный.

Исходные данные для варианта 10 сведены в таблицу 1.

Таблица 1

ВВЕДЕНИЕ

усилитель частота транзистор пленочный

Курсовое проектирование является важным этапом в освоении изучаемого предмета, позволяющим применить на практике знания, полученные в процессе проработки лекционного курса.

Проектирование заключается в разработке и полном расчете электрической схемы гибридной интегральной схемы (ГИС) - усилителя электрических сигналов низкой частоты (УНЧ).

Особенностью проектирования ГИС-УНЧ является то, что невозможно получить единственное однозначное решение, необходимо достичь определенного компромисса между выдвигаемыми требованиями, зачастую достаточно противоречивыми.

Сферы использования ГИС очень разнообразны, широко применяются подобные микросхемы в системах автоматического управления, в вычислительной технике, измерительных приборах, устройствах голосовой связи. Применение ГИС позволяет снизить массо-габаритные показатели аппаратуры, повысить энергоэффективность, надежность, снизить эксплуатационные расходы.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Рис.1. Структурная схема разрабатываемого устройства

В общем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов.

Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих блоков:

- Входной узел. Служит для согласования между источником сигнала и первым каскадом усилителя.

- Первый каскад. Служит для основного усиления и должен обладать большим входным сопротивлением. Напряжение источника питания, в соответствии с заданием . Следовательно, выбираем транзистор с каналом типа. Коэффициент передачи рассчитывается исходя из коэффициентов передачи всех остальных каскадов.

- Второй каскад. Должен обеспечить малое выходное сопротивление разрабатываемого устройства и достаточную амплитуду выходного сигнала. Исходя из напряжения питания, биполярный транзистор должен быть структуры .

- Выходной узел. Служит для согласования второго каскада с нагрузкой. В разрабатываемом устройстве для этого служат разделительные конденсаторы, которые не дают пройти постоянной составляющей в нагрузку. Т.к. это разделительные конденсаторы, то они определяют АЧХ в области нижних частот.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

(1)

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах

(2)

Согласно заданию коэффициент частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах усилителя и в данном случае определяется выражением. Распределим искажения поровну между двумя каскадами: .

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и несимметричным выходом

С учетом комплекса требований ТЗ к разрабатываемому устройству выберем двухкаскадную схему с непосредственной связью между каскадами. Это позволит уменьшить количество элементов и расширить полосу пропускания в области нижних частот.

Первый каскад предлагается выполнить на полевом транзисторе включенном в схему с общим истоком (ОИ), такое включение позволит выполнить требования ТЗ по входному сопротивлению, получить в первом каскаде достаточное усиление и низкий коэффициент шума всего усилителя.

Второй каскад выполняется на биполярном транзисторе по схеме эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором) (ОК).

В нашем случае коэффициент усиления устройства равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

 (3)

где - коэффициент передачи входного узла;

- коэффициент передачи первого каскада;

- коэффициент передачи второго каскада;

- коэффициент передачи выходного узла.

Так как выходной каскад имеет коэффициент усиления достаточно близкий к единице, но все же меньше, а входной и выходной узлы не являются активными каскадами, зададим ориентировочно произведение :

Ориентировочно определим коэффициент усиления первого каскада:

(4)

После распределения частотных искажений и усиления между каскадами произведем расчет транзисторных каскадов. Будем использовать графоаналитический метод.

Расчет первого каскада:

На рис. 3 приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П201А с переходом и каналом типа.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ 2П201А

Определим минимальное напряжение сток -исток в точке покоя:

(5)

где =1,5 В - напряжение отсечки выбранного транзистора ;

=2 В - номинальное выходное напряжение;

- 0,5 В - напряжение запаса, обеспечивающее роботу транзистора в рабочей области стоковых характеристик.

В

Выбираем рабочую точку при нулевом смещении на затворе.. Такой выбор упрощает принципиальную схему и топологию, так как нет необходимости в сопротивлении в цепи стока , и конденсаторе большей емкости , шунтирующего это сопротивление для устранения отрицательной обратной связи.

Определим динамическое внутреннее сопротивление в рабочей точке:

 (6)

Определяем сопротивление резистора в цепи стока R2:

, (7)

где ток стока в рабочей точке

В нашем случае , коэффициент усиления каскада в большей степени определяется величиной и для расчета коэффициента усиления воспользуемся формулой:

, (8)

где - крутизна в рабочей точке.

(9)

Подставив значения в формулу (8) получим коэффициент усиления напряжения первого каскада:

Расчет второго каскада: Основная задача второго каскада - согласование сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением предшествующего каскада и обеспечение необходимой мощности.