Xreferat.com » Рефераты по радиоэлектронике » Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе

Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе

Министерство образования Российской Федерации


Институт переподготовки кадров

Уральского государственного технического университета


Кафедра микропроцессорной техники


Оценка проекта


Члены комиссии


Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе


Курсовой проект


Пояснительная записка


Руководитель доц., к.т. н. И.Е. Мясников


Слушатель гр. СП-923 А.Б. Любимов


2000


Реферат


Курсовая работа оформлена на 35 страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков, 16 источников использованной литературы и 5 приложений.

Курсовая работа рассчитана по следующим данным:


Задача 1

Рассчитать резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером и должен иметь эмиттерную стабилизацию точки покоя. Развязывающий фильтр (Cф, Rф) отсутствует. Питание цепей смещения и коллекторных цепей осуществляется от общего источника.

Uвх=0,1 В

Uн=2 В

Ri=5 кОм

Rн=3 кОм

Cн=50 пФ

fн=20 Гц

fв=2 Мгц

Мн=1,2 дБ

Мв=1,5 дБ


Необходимо выполнить следующее:


Начертить принципиальную электрическую схему каскада;

Выбрать тип транзистора;

Выбрать режим работы транзистора по постоянному току (Uок, Iок, Iоб, Uобэ);

Рассчитать номиналы резисторов R1, R2, Rк, Rэ и выбрать их тип;

Рассчитать номиналы конденсаторов C1, C2, Cэ и выбрать их тип;

Определить коэффициент усиления каскада по напряжению KU на средней частоте рабочего диапазона;

Составить эквивалентные схемы каскада и рассчитать частотную характеристику каскада в диапазоне от 0,1fн до 3fв, построить ее.


Задача 2

Используя данные, полученные при решении задачи 1, рассчитать частотную характеристику каскада для заданных ниже изменений. Начертить полученную характеристику на одном графике с частотной характеристикой задачи 1 и сделать вывод о влиянии заданного изменения на вид частотной характеристики.

Ввести в схему элемент ВЧ коррекции дросселем L=0,01 мГн, начертить принципиальную схему получившегося каскада.


Задача 3

Зная напряжение питания усилителя, рассчитать транзисторный стабилизированный источник напряжения компенсационного типа.

Uвых=12 В

Iвых=10 мА

aвых= bвых=0.1 %

aвх= bвх=15 %


Ключевые слова:

Усилитель, транзистор, конденсатор, резистор, частота, диод, обратная связь, напряжение, ток, емкость, сопротивление, входная характеристика, выходная характеристика, коэффициент усиления, эквивалентная схема, частотная характеристика, частотная коррекция, амплитудные значения.


Содержание


Введение

1. Литературный обзор

1.1. Общие понятия...…………...................................................................5

1.2. Типы усилителей.............……..............................................................5

2. Основная часть

2.1. Расчет каскада предварительного усиления.............................……...6

2.1.1. Принципиальная схема каскада...................................…......…........6

2.1.2. Выбор транзистора..........................................................…..............6

2.1.3. Выбор режима работы транзистора по постоянному току и

расчет номиналов элементов усилителя...........................................…......7

2.2. Расчет амплитудно-частотной характеристики.........................….....10

2.3. Расчет частотной характеристики

каскада с элементом ВЧ коррекции............................................................14

2.4. Расчет стабилизированного источника напряжения

компенсационного типа..............................................................................15

2.5 Расчет выпрямителя..............................................................................18


Заключение

Литература

Приложения


Введение


Общие понятия


В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.


Типы усилителей


Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.

– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

– усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.

– усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.

– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилителей звуковых частот и превышающим 105 для некоторых типов видео усилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в очень узкой полосе частот.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.


Расчет каскада предварительного усиления


Принципиальная схема каскада


­­Принципиальная схема каскада предварительного усиления представлена на рис.1 приложения 1.


Выбор транзистора


Для резисторного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f, величине тока покоя коллектора IK0, и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп.

Граничная частота передачи тока базы f должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя fв:

f5 fв = 107 Гц.

Ток покоя коллектора выбирается из условия

IК доп > IК0 > 1.5 Iн,

где

Iн = Uн / Rн = 667 мкА.

Напряжение питания усилителя Ек должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения коллектора, т.е. меньше 0.8 UКЭ доп.

Поставленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ315Б. Его параметры:

– f = 250 Мгц

– IК доп = 100 мА >> 1.5 Iн = 1 мА

– UКЭ доп = 25 В. Зададимся ЕК = 12 В < 0.8UКЭ доп = 20 В.


Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет номиналов элементов усилителя


Сначала по семейству выходных характеристик транзистора (рис.2 приложения 1) выберем рабочую точку. Для этого построим нагрузочную прямую по переменному току: выберем значение максимального тока коллектора IК макс таким образом, чтобы точка, соответствующая выбранной величине, располагалась по меньшей мере над пятью - шестью кривыми iK = f (UK) при iБ = const, приведенными в справочнике. Из этих соображений выбираем значение

IK макс =15 мА.

Значение максимального напряжения на коллекторе UK макс = ЕК. Ток IК0 можно взять равным половине IК макс:

IK0 = 0.5 IK макс = 8 мА.

Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера RЭ. Для этого прежде всего зададимся падением напряжения на нем:

U = 0.2 EК = 2.4 В,

Отсюда

RЭ = U/ IЭ0 U/ IK0 = 300 Ом.

Теперь с помощью выбранной рабочей точки определяем напряжение покоя между коллектором и эмиттером:

UКЭ0 = 5.5 В.

По входной характеристике (рис.3 приложения 1) находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером, и входное сопротивление каскада (по переменному току):

IБ0 = 0.1 В,

UБЭ0 = 0.47 В,

RВХ ОЭ RВХ ~ = 860 Ом.

Сопротивление в цепи коллектора RK рассчитываем аналогично RЭ, задавшись напряжением на нем:

U= EK – U– UКЭ0 = 4.1 В,

RK = U/ IK0 = 510 Ом.

Расчет делителя произведем, задавшись значением R2:

R2 = 10 Rвх ОЭ = 8.6 кОм,

Затем рассчитываем R1 с помощью следующего выражения:

(EК – (U – UБЭ0)) R2 Rвх

R1 = –––––––––––––––––––––– = 20 кОм,

(U – UБЭ0) (R2 + Rвх)

где

U + UБЭ0

Rвх = –––––––––– = 28.7 кОм.

IБ0

Сопротивление нагрузки цепи коллектора переменному току RK0 образовано параллельным соединением RН и RК и равно

1

RК~ = –––––––––– = 436 Ом.

1 1

–– + ––

RК RН

Максимальный ток нагрузки равен

UН

IНМ = –––– = 4.6 мА,

RК

масимальный входной ток каскада

IНМ 4.6

Iвх м = ––– = ––– = 0.09 мА,

мин 50

отсюда коэффициент усиления каскада по току


UН

КI = –––––– = 7.4.

RН Iвх м

Максимальное входное напряжение

Uвх м = Iвх м Rвх ОЭ = 0.077 В,

откуда получаем коэффициент усиления по напряжению

UН

KU = –––– = 26.

Uвх м

Для расчета разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2 необходимо задаться коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте МНР, вносимых этим конденсатором, распределяя заданные допустимые искажения MН = 1.2 дБ между разделительным Ср и блокировочным СЭ конденсаторами. Пусть

МНР = МНЭ ­­= 0.6 дБ = 1.07 раза,

тогда

0.159

Ср1,2 –––––––––––––––––––– = 6 мкФ,

fн (RК + RН) МНР2 – 1

a ­­__________________

0.16 (1+SЭС RЭ)2 – МНЭ2

СЭ ––––––––––––––––––––––––– = 6000 мкФ,

fн RЭ МНЭ2 – 1

где

1 + макс

SЭС = ––––––––––– = 0.1 См,

Rист + Rвх ОЭ

где

Ri Rдел

Rист = –––––––– = 2.7 кОм,

Ri + Rдел

где, в свою очередь,

R1 R2

Rдел = –––––––– = 6 кОм.

R1 + R2

Теперь рассчитаем коэффициент частотных искажений на верхней рабчей частоте MВ

­­ _____________

MВ = 1 + ( 2 fВ В ) ;

здесь

В = С0 Rэкв ,

где

0.16

С0 Свх дин = ––––––– + СК (1 + КU) = 1.9 · 10–10 Ф,

f Rвх ОЭ

где СК для выбранного транзистора СК = 7 пФ. Далее

Rвх ОЭ Rист

Rэкв = –––––––––– = 0.65 кОм.

Rвх ОЭ + Rист

Отсюда значение В = 0.012мкс и MВ = 1.18, или в децибелах МВ =1.5 дБ, что соответствует поставленной задаче.


Расчет амплитудно-частотной характеристики каскада


Нашей задачей является выяснение поведения АЧХ каскада в его полосе пропускания и в прилегающих к ней областях. Диапазон охваченных расчетом частот простирается от 0.1 fВ до 3 fВ, т.е. от 2 Гц до 6 Мгц.

Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на низких ( = 10 ... 10000 рад/с) частотах представлена на рис.4 приложения 1.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

UН

KU = –––– ,

UВХ

где

UН = IН RН,

где

U

IН = ––––––––– ,

1

RН + ––––

jC2

где

U = iК RК = (SU1 – iн) RК.

Подставим это выражение в предыдущее и после несложных преобразований получим

jC2 S RК

Iн = ––––––––––––––––– U1.

jC2 (RК + RН) + 1

Теперь серией последовательных шагов найдем UВХ в зависимости от U1:

напрэжение на RЭ

IЭ S U1 + gвх U1

U = ––– = ––––––––––––,

gЭ 1

jCЭ + –––

RЭ

напряжение на Rдел

S + gвх

URдел = U1 + U= U1 + –––––––––––– U1,

1

jCЭ + –––

RЭ

ток делителя

iдел = URдел / Rдел

входной ток каскада

iвх = U1 gвх + iдел

теперь

iвх

Uвх = ––––– + URдел ;

jC2

откуда после подстановок iвх, URдел и серии преобразований получаем

[1 + jRЭСЭ + (S + gвх) RЭ] (1 + jC1 Rдел)

gвх + ––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Rдел (1 + jRЭСЭ)

Uвх = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– U1.

jC1

Наконец, подставляем найденные Uвх и IН RН в формулу для КU, а затем, перейдя к численным значениям номиналов элементов и упростив полученное выражение, найдем модуль К в следующем виде:

­­ ­_______________

КU = (a2 + b2) / (c2 + d2) .

здесь

a = –0.11 2,

b = –0.19 3,

c = 137.3 – 1.56 2,

d = 73.9 – 0.0014 3.

График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис.7,8,9 приложения 1.


Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на средних ( = 10000 ... 100000 рад/с) частотах представлена на рис.5 приложения 1.


Коэффициент усиления каскада по напряжению

UН

KU = –––– ,

UВХ

где

UН = S UВХ (RК || RН).

Подставляя последнее выражение в формулу для КU, получим

S RК RН

KU = –––––––– = 140.

RК + RН

Таким образом, мы видим, что на средних частотах заданного диапазона коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты и равен 140.

График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис.10 приложения 1.


Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на высоких ( = 105 ... 4·107 рад/с) частотах представлена на рис.6 приложения 1.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

UН

KU = –––– .

UВХ

Ток в цепи коллектора

h21Э I1 = iCвых + i+ i+ i,

или

h21Э I1 = UН (gCвых + g+ g+ g),

откуда

h21Э I1

UН = ––––––––––––––––––– .

gCвых + g+ g+ g


Здесь ток I1 можно представить в виде

I1 = UВХ gвх ,

а, следоваательно,


h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––– .

gCвых + g+ g+ g

Здесь

gCвых + g = j (Cвых + Сн),

где Cвых = СК = 7 пф, а Сн = 50 пф,

1

gн = –– ,

RН

следовательно


h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––––––– .

1 1

j (Cвых + Сн) + –– + ––

RН RК


Подставляя численные значения номиналов и находя модуль коэффициента усиления, имеем

­­ ­________

КU = a / (b2 + c2) ,

где

а = 320,

b = 2.29,

c = 0.57 · 107 .

Из полученного выражения легко видеть, что при увеличении частоты коэффициент усиления падает, что и изображено на рис 11,12 приложения 1 (АЧХ каскада на высоких частотах).


Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции


Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L. В нашем случае необходимо ввести L = 0.01 мГн.

Схема такого каскада представлена на рис.1 приложения 2.

Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см. п. 2.2), за исключением того, что в выражение для проводимости коллекторной ветви схемы будет входить кроме RК также еще и сопротивление дросселя, зависящее от частоты: jL.

Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис.2 приложения 2.

Итак, коэффициент усиления каскада по напряжению

h21Э gвх

КU = ––––––––––––––––––– .

gCвых + g+ g+ g


Здесь

gCвых + g = j (Cвых + Сн),

где Cвых = СК = 7 пф, а Сн = 50 пф,

1

gн = –– ,

RН

а

1

gк = –––––––––,

RК + jL

Подставляя выражения для проводимостей в выражение дла КU, а затем приведя получившееся выражение к стандартному виду, имеем:

h21Э gвх

KU = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––.

j [ (Cвых + Сн) – L / (RК2 + 2 L2)] + 1 / RН + RК / (RК2 + 2 L2)

Отсюда, подставив значения констант и упростив полученне выражение, найдем модуль коэффициента усиления каскада по напряжению в виде

­­ ­________

КU = a / (b2 + c2) ,

где

а = 320 · 10–3,

1

b = 3.33 · 10–4 + ––––––––––––––––––––,

510 + 1.96 · 10–132

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: