Xreferat.com » Рефераты по физике » Усилитель с обратной связью

Усилитель с обратной связью

Дисциплина: Электротехника и электроника

Курсовая работа на тему:

Усилитель с обратной связью


Содержание


Задание

Введение

Основная часть

1. Расчет усилителя

1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количества каскадов

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада

1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада

1.4 Переход от выходного каскада к входному

1.5 Статический режим работы входного каскада

1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора

1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада

1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада

1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициента усиления

1.9 Расчет элементов цепи ООС

1.10 Построение характеристики Мос(ω)

2. Моделирование усилителя на ЭВМ

Перечень элементов

Заключение

Библиографический список


Задание


Усилитель с обратной связью


Введение


Цели курсовой работы.

Целями курсовой работы являются:

Изучение методов проектирования и разработка электронных устройств в соответствии с данными технического задания;

Расчет статических и динамических параметров электронных устройств;

Практическое применение ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств.

Тематика курсовых работ.

В качестве объектов проектирования студентам предлагаются различные структуры многокаскадных усилительных устройств переменного тока с обратными связями.

Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для усиления сигнала по мощности.

В общем случае усилитель может содержать несколько каскадов, соединенных между собой последовательно через цепи связи.


Усилитель с обратной связью


Основными параметрами и характеристиками усилителя являются:

Коэффициент усиления:

а) Коэффициент усиления по напряжению;


Ku=Uвых(p)/Uвх(p)

P=σ+jω – оператор Лапласа


б) Коэффициент усиления по току;


Ki=Iвых(p)/Iвх(p)

Ki(p)=Iвых(p)/Iвх(p)

Ki(jω)=Iвых(jω)/Iвх(jω)


в) Коэффициент усиления по мощности;


Kp=Pвых/Pвх


Входное и выходное сопротивление усилителя;

Частотные характеристики усилителей:

а) АЧХ – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала;

б) ФЧХ – зависимость фазы комплексного коэффициента передачи от частоты или зависимость разности фаз выходного и входного сигнала от частоты;

Нелинейные искажения;

Нелинейные искажения – отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Нелинейное искажение приводит к тому, что в выходном сигнале появляется дополнительная составляющая с частотой не равной основному частотному сигналу.

Динамический диапазон сигнала;

Искажение импульсных сигналов;


Основная часть


1. Расчет усилителя


1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количества каскадов


Расчет количества каскадов усилителя начнем с нахождения параметров нагрузки: Pн, Iн, Uн, Rн. Как видно из задания, необходимо по значениям тока и мощности найти напряжение и сопротивление на нагрузке:


Uн = Pн/Iн = 0,019/0,01=1,9 B

Rн = Uн/Iн = 1,9/0,01 = 190 Ом


Найдем амплитуды напряжения и тока:


Uнм = (2) 1/2* Uн = (2)1/2* 1,9 В=2,69 В

Iнм = (2) 1/2* Iн = (2)1/2* 10 мА = 14,14 мА


Теперь можно определить значение коэффициента усиления замкнутого усилителя Кос:


Кос = Uнм / Uвхм


В нашем случае:


Кос = 2,69B/0,15B = 17,9


Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи усилителя

Усилитель с обратной связью


Определим число каскадов усилителя. Для этого воспользуемся таблицей, где Mос(Усилитель с обратной связью) - коэффициент частоты каскадов:


Усилитель с обратной связью


Пусть число каскадов n = 1, тогда


Усилитель с обратной связью


из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kβ.


Усилитель с обратной связью


тогда 2,14 = (1- Kβ)2 получим корни Kβ = 1±1,46, выбираем отрицательный корень Kβ= - 0,46, и подставляем в уравнение K=Koc(1- Kβ)=17,9*(1+0,46)=26,2. Т. к. K>10, необходимо увеличить число каскадов.

Пусть n = 2:


Усилитель с обратной связью


Решая данное уравнение относительно Kβ и выбирая отрицательное решение, получаем Kβ=-0,5. Тогда K=Koc(1- Kβ)=17,9*(1+0,5)=8,95. Так как K<100, то достаточно двух каскадов. Таким образом, для проектирования каскадного усилителя будем использовать два n-p-n транзистора:


Усилитель с обратной связью

Рис.1 Каскадный усилитель


1.2 Статический режим работы выходного каскада


1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:


Усилитель с обратной связью

Определим параметры рабочей точки транзистора. Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА и напряжения UкэA в схеме, в первоначальном предположении Rэ= 0.

Должны выполняться следующие соотношения:

|UкэА| і Uнm + |Uкэmin|, где Uкэmin - напряжение на коллекторе соответствующее началу квазигоризонтального участка выходных ВАХ;


1. |Uкэmin| = 1В; UкэА = 2,9 В

IкАіIнm/Kз, где KЗ = 0,7-0,95.

Если Кз = 0,7 то Iка = 20,23 мА

Iкдоп.расч. = 2* Iка = 40,46 мА; Uкдоп.расч. = 2* UкэА = 5,8 B;

Pкдоп. = Iкдоп.расч. * Uкдоп.расч.= 234,67 мВт


По величине мощности определим вид транзистора.

Выберем удобный для нас транзистор – КТ342A. Основные характеристики транзистора:


Iкбо, мкА Uкэ, В Iк, мА Pк, мВт Uкб, В
0.05 30 50 250 ------

1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада.

Сначала предположим, что Rэ отсутствует, тогда уравнение линии нагрузки будет иметь вид:


Усилитель с обратной связью

Усилитель с обратной связью

Rэ2=(0,1ё0,3) Rk2 , Rэ2 =60 Ом.

Теперь уравнение линии нагрузки будет Eп=Ik*Rk2+Uкэ+ Iэ*Rэ2 ; Ik»Iэ.

Нагрузочная прямая и линия динамической нагрузки имеют вид:


Усилитель с обратной связью


Па графику ВАХ определяем Iба = 0.53 мА.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом φ.


Усилитель с обратной связью


тогда


Усилитель с обратной связью


Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R3 , R4 .

Величина R4 определяется из соотношения:

N = 1 + R4/ Rэ2 , N – коэффициент температурной нестабильности.

С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Рассчитаем величину Iк0 по следующему эмпирическому соотношению:

∆T/10 (45-25)/10

Iк0(45)=| Iк0(T0)*(A - 1)|=|1*10-6*(2,5 -1)|=6,25*10-6 [A]

∆T/10 (27-25)/10

Iк0(27)=| Iк0(T0)*(A - 1)|=|1*10-6*(2,5 -1)|=1,2*10-6 [A] ,


где Iк0(T0) - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре T0 ; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.

∆Iк0 вычислим как


∆Iк0 = Iк0(45) - Iк0(27) = 6,25*10-6 - 1,2*10-6 = 5,05*10-6 [A].


Температурные изменения тока целесообразно ограничить диапазоном ∆Iк=(0,001ё0,01)*Iкm, выберем


∆Iк=7,07*10-6 [A].


Рекомендуемое значение N вычисленное как


N=∆Iк/∆Iк0=7,07*10-6 / 5,05*10-6 =3.

R4/Rэ2 = 1, R4 = 45 Ом.


Найдем R3 из:


R3 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ2))/(Uбэа+Iэа*Rэ2+Iба*R4)*R4 (Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R3 = 230 Ом.


Проверим правильность выбора Rэ2:

Iд = (Е - Uба)/R3, Uба = Iэа*Rэ2+Uбэа*Iба = 0.479 В, Iд = 37 мА.


Должно выполняться неравенство:


Iд>=(5-10)*Iба; 37>=(5-10)0.53 – верно.


Из графика входной характеристики определим UБЭ по полученному из графика выходных характеристик IБА.


Усилитель с обратной связью


При таком значении IБА UБЭ=0,98 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:


Усилитель с обратной связью


1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада


В первом приближении коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:


K2 = -h21э*(Rк2||Rн)/(Rк2 + Rвх2)

Rвх2 = R3||R4||h11Э = 36,1 Ом;

Rк2||Rн = 235 Ом;

K2 = -20*235/(435 + 36) = 9,98


1.4 Переход от выходного каскада к входному


При переходе к входному каскаду справедливы следующие формулы:


Uвх2 = Uмн/К2 = Uмн1; Iвх2 = Uвх2/Rвх2 = Iмн1

Uмн1 = 3,6/10 = 0,36 В; Iмн1 = 0,36/36,1 = 10 мА


Таким образом, после расчета вышеописанных величин процедура нахождения элементов входного каскада повторяет расчет выходного каскада, поэтому приведем ниже лишь сокращенные расчеты без комментариев.


1.5 Статический режим работы входного каскада


1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:

Усилитель с обратной связью


|UкэА| і Uнm + |Uкэmin|;

|Uкэmin| = 1В; UкэА = 1,36 В

IкАіIнm/Kз, где KЗ = 0,7-0,95. Примем Iка = 10,5 мА


1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада.


Усилитель с обратной связью


Теперь уравнение линии нагрузки будет Eп=Ik*Rk1+Uкэ+ Iэ*Rэ1 ; Ik»Iэ.

Нагрузочная прямая имеет вид:

Усилитель с обратной связью

Па графику ВАХ определяем Iба = 0.6 мА.


N = 1 + R2/ Rэ1 , N – коэффициент температурной нестабильности.


С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Ранее: ∆Iк0 = 5,05*10-6 [A].


∆Iк=(0,001ё0,01)*Iкm,


выберем ∆Iк=15*10-6 [A].

Рекомендуемое значение N вычисленное как


N=∆Iк/∆Iк0=15*10-6 / 5,05*10-6 =3.

R2/Rэ1 = 2, R2 = 300 Ом.


Найдем R1 из:


R1 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ1))/(Uбэа+Iэа*Rэ1+Iба*R2)*R2


(Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R1 = 695 Ом.

Проверим правильность выбора Rэ1:


Iд = (Е - Uба)/R1, Uба = Iэа*Rэ1+Uбэа*Iба = 1,66 В, Iд = 10,5 мА.


Должно выполняться неравенство: Iд>=(5-10)*Iба; 10,5>=(5-10)*0,6 – верно.

Из графика входной характеристики определим UБЭ по полученному из графика выходных характеристик IБА.

Усилитель с обратной связью


При таком значении IБА UБЭ=0,95 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:


Усилитель с обратной связью


1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада


Коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:


K1 = -h21э*(Rк1||Rвх2)/(Rг + Rвх1)

Rвх1 = R1||R2||h11Э = 163,8 Ом;

Rк1||Rвх2 = 34,4 Ом;

K2 = -20*34,4/(70 + 163,8) = 2,94

Уточним значение коэффициента усиления выходного каскада с известным Rк1:


К2 = - h21Э *(Rк2||Rн)/(Rк1 + Rвх2) = 6,1


1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов


Для каскадов на биполярном транзисторе значение емкостей конденсаторов С C1,C2, C3, CЭ1 , CЭ2 рассчитаем по следующим формулам:


Усилитель с обратной связью


1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициента усиления


В области средних частот реально развиваемый усилителем коэффициент усиления напряжения KРЕАЛ равен:


Усилитель с обратной связью


Где Ki – коэффициент усиления i-го каскада.


KРЕАЛ = K1 * K2 = 6,1 * 2,94 = 17,94


Так как KРЕАЛ > K (коэффициент, расчитанный при определении числа каскадов K = 17,4), то расчет каскадного усилителя можно считать законченным.


1.9 Расчет элементов цепи ООС


По вычисленным в п. 1.1 значениям kβ и K рассчитаем величину


Усилитель с обратной связью


Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:


Усилитель с обратной связью


Назначим Rэ1’’ =10 Ом

RОС = 375 [Ом].


1.10 Построение характеристики Мос(ω)


Построим частотную зависимость Moc(ω). В данном случае этой зависимостью будет


Усилитель с обратной связью

Выражения для Mосв(Усилитель с обратной связью) и Mосн(Усилитель с обратной связью) одинаковы по виду, но для различных частотных диапазонов предполагают подстановку разных значений X, а именно: Усилитель с обратной связью, для области средних и верхних частот и Усилитель с обратной связью для области нижних и средних частот.

Масштаб оси частот выбираем в десятичных логарифмах круговой частоты. На оси ч астот отметим точки ωн и ωв:


Усилитель с обратной связью


2. Моделирование усилителя на ЭВМ


Моделирование будем выполнять с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания.

Для получения результатов, определяемых исходными данными, произведем корректировку значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов усилителя. Полученные после корректировки значения приведены в спецификации.

По графикам АЧХ и ФЧХ, полученным в результате моделирования определим значения K, а также значение нижней частоты

Реально достигнутый коэффициент K находим из графика переходной характеристики: K=12;

Значение нижней частоты fн=90 Гц.


Усилитель с обратной связью

Рис. 2 Анализ входного каскада по Transient

Усилитель с обратной связью

Рис.3 Анализ выходного каскада по Transient


Усилитель с обратной связью

Рис.4 Схема каскадного усилителя на транзисторах


Усилитель с обратной связью

Рис. 5 Анализ усилителя по АС


Усилитель с обратной связью

Рис. 6 Анализ усилителя по Transient


Перечень элементов


Поз. обозначение Наименование Кол. Примечание

Усилитель с обратной связью
Рис.1
SINE50 Генератор исходного сигнала 1
Q0 Биполярный транзистор КТ209Е 2

Резисторы

R1 695 Ом 1
R2 300 Ом 1
R3 230 Ом 1
R4 45 Ом 1
Rк1 30 Ом 1
Rк2 16 Ом 1
Rэ1 3 Ом 1
Rэ2 2 Ом 1
Rос 200 Ом 1
510 Ом 1

Конденсаторы

С1 7,56 мФ 1
С2 12 мкФ 1
С3 1,87 мФ 1
Сэ1 14,15 мФ 1
Сэ2 12,13 мФ 1

Заключение


Дадим описание всем основным ошибкам, погрешностям, допущениям, а также, проанализировав ход решения курсовой работы, попытаемся сделать выводы, позволяющие увеличить точность расчетов и минимизировать объем трудовой деятельности.

Произведем анализ решения. Первым значительным недостатком являются исходные данные, заранее не проверенные на соответствие друг другу, а так же расчетным величинам.

Второй "критический" момент курсовой работы - выбор рабочей точки. Это обусловлено тем, что проектировщику усилителя предоставляется слишком большая свобода выбора рабочей точки.

Кроме того, если в схеме необходимо установить эмиттерный повторитель, свобода выбора рабочей точки значительно увеличивается из-за возможности выбрать практически любую точку, ограниченную лишь параболой мощности и значениями тока и напряжения, характеризующими местоположение этой точки.

Продолжая тему ручного просчета, необходимо заметить, что также большая неточность может иметь место при перестройке ВАХ из справочника на "миллиметровку", подлежащей последующим преобразованиям. Даже при относительно точном построении участка ветви, на котором величина тока становится постоянной, участок ветви, на котором идет возрастание тока строится крайне не точно, за счет построения на глаз. Ведь точно на глаз не определишь степень выпуклости функции, а величина, которая учитывает такого рода ошибки, входит в формулу нахождения расчетного коэффициента усиления, что делает этот коэффициент непригодным для использования.

При моделировании усилителя на ЭВМ появилась необходимость значительно (в десятки раз) уменьшать сопротивления коллекторного и эмиттерного переходов. Это произошло потому, что выбранный при моделировании транзистор слабо приближен по характеристикам к реально выбранному транзистору, на котором основывались все теоретические расчеты. Изменение этих величин никак не влияет на входное сопротивление каскадов и, значит, не влияет на связь между каскадами усилителя. В этом случае можно опираться на теоретические расчеты лишь как на начальное задание величин элементов каскадов и всего усилителя в целом.

Изменение величин емкостных элементов и сопротивления обратной связи каскадов является приемлемым при проектировании усилителя.

В заключение необходимо отметить, что разработанный усилитель все же выполняет свою главную функцию – усиливает сигнал по мощности в необходимое число раз.


Библиографический список


1. Баскакова И.В.,Перепёлкин А.И. Усилительные устройства:Методические указания к курсовой работе.-Рязань,РГРТА,1997.36с.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. К.М.Брежнева,Е.И.Гантман,Т.И Давыдова и др. Под ред. Б.Л.Перельмана.-М.:Радио и связь,1982.656с.

3. Транзисторы.Справочник.Издание 3-е. Под редакцией И.Ф.Николаевского.-М.:Связь,1969.624 с.

4. Анализ электронных схем. Методические указания к лабораторным и практическим занятиям. Баскакова И.В.,Перепёлкин А.И. Р.:2000,32 с.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: