Проектирование резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В современной науке и технике использование усилителей принимает обыденный характер, т.к. это наилегчайший способ получения достаточно высоких коэффициентов отдачи, при малых затратах энергии.

Наибольшее распространение получили электронные усилители, которые являются разновидностью электрических усилителей, управление электрической энергии которых происходит с помощью усилительных элементов, например биполярных и полевых транзисторов. Такие усилители применяются в устройствах радиосвязи, радиовещания, телевидения, измерительной техники, автоматики, вычислительной и бытовой техники [1].

Вследствие их широкого применения необходимо учитывать их параметры и частотные характеристики. Разное включение транзистора в цепь позволяет получить совершенно разный коэффициент усиления, т.е. усилительный каскад с общим эмиттером, по сравнению с усилителями с общим коллектором или базой, имеет наибольший коэффициент усиления, вследствие чего пользуется наибольшее применением. Причем помимо самостоятельного применения усилительный каскад с ОЭ является основой для построения дифференциальных усилителей, получивших распространение в интегральных схемах [2].

Поэтому основной целью курсового проектирования является изучение частотных характеристик резисторного каскада усиления, с использованием САПР Multisim 12.0, а так же разработка усилителя на биполярном транзисторе с заданными характеристиками согласно техническому заданию.

резисторный биполярный транзистор усилитель



1. Анализ технического задания

Темой курсового проектирования - проектирование резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе.

Номер варианта (N) задается с учетом двух последних цифр (М) номера зачетной книжки студента. При значение N определяется по формуле

Тип усилительного элемента выбирается согласно номеру варианта из приложения А. Для 18 варианта усилительным элементом является биполярный транзистор n-p-n - типа PEMZ1.

Рассчитываем нижнюю граничную частоту по формуле

Верхняя граничная частота рассчитывается по формуле

Диапазон рабочих температур от до .

В ходе курсового проектирования необходимо:

- задать режим питания усилительного элемента;

- обеспечить работу биполярного транзистора в режиме усиления;

- снять АЧХ каскада усиления;

- исследовать влияние температуры на АЧХ каскада усиления;

- исследовать влияние нагрузки на АЧХ каскада усиления;

- исследовать влияние разделительного конденсатора на АЧХ каскада усиления;

- Исследовать влияние отрицательной обратной связи на АЧХ каскада усиления;

- Разработать усилитель, амплитудно частотная характеристика которого соответствует ТЗ;

- Оценить величину сдвига фаз между сигналами на входе и выходе каскада усиления при активном характере нагрузки [3].

2. Принципиальная схема и построение резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе

Принципиальная схема резисторного каскада усиления на биполярном транзисторе приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Резисторный каскад усиления на биполярном транзисторе

Питание всех цепей усилительного каскада осуществляется от общего источника постоянного тока V1. Для устранения паразитных междукаскадных связей, через источник питания используется развязывающий фильтр C2R7.

Резисторы R4, R5, R6 задают требуемый ток коллектора транзистора. Для установления требуемого режима работы на базу транзистора Q1 подается напряжение смещения, получаемое на делителе напряжения R2, R3. Это уменьшает зависимость напряжения смещения от параметров транзистора. Температурная стабилизация режима осуществляется за счет использования отрицательной обратной связи по постоянному току. Напряжение отрицательной обратной связи создаётся на резисторах R5, R6.

Разделительный конденсатор С1 пропускает во входную цепь каскада только переменную составляющую напряжения источника сигнала. Разделительный конденсатор С4 выполняет аналогичную функцию по отношению к нагрузке, образуемой резистором R8. Источником входного сигнала является генератор V2 с внутренним сопротивлением R1.

Для построения схемы воспользуемся САПР Multisim V12.0.

1. Для построения схемы усилителя, надо на рабочее окно программы вынести элементы, необходимые для ее построения. Для этого в левом верхнем углу программы выбираем вкладку «Пассивные компоненты» и выбираем нужные нам резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Рядом на вкладке «Источники» выбираем «Ground» - землю и источник переменного напряжения.

2. Биполярный транзистор, в соответствии с номером варианта, выбираем на вкладке «Транзисторы» => «BJT_COMP».

3. В соответствии со схемой указанной в учебном пособии [1], соединяем элементы цепи и задаем их параметры. Для этого кликая на нужный элемент, во вкладке параметры задаем необходимое значение (Рисунок 2).



Рисунок 2 - Задание параметров элементов

4. На участке цепи, соединяющей разделительный конденсатор С4 и резистор R8, необходимо установить «Пробник», для дальнейшего моделирования АЧХ резисторного каскада усиления. Для этого выбираем вкладку «Моделирование» => «Приборы» => «Измерительный пробник». Устанавливаем его на нужный участок цепи. Затем нажимаем на него и в строке «Обозначение» называем его «Сигнал_Л2» (Рисунок 3) [4].

Рисунок 3 - Установка пробника в схему и его обозначение

3. Снятие АЧХ каскада усиления

Для построения АЧХ усилителя, необходимо открыть вкладку «Моделирование» > «Вид анализа» > «Режим АС». В открывшемся окне заполняем значениями, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Данные диапазона расчета АЧХ

Во вкладке «Переменные» выбираем в столбец «Переменные для анализа» переменную V«Сигнал_Л2» (Рисунок 5), нажимаем клавишу «Моделировать».

Рисунок 5 - Выбор переменной

В открывшемся окне «Просмотр графиков» верхний график есть АЧХ каскада усиления. На графике определили максимальное значение выходного напряжения и границы полосы пропускания на уровне (Рисунок 6).



Рисунок 6 - АЧХ каскада усиления

Определили нижнюю граничную частоту - и верхнюю граничную частоту - .

4. Влияние температуры на АЧХ каскада усиления

Для исследования влияния температуры на резисторный каскад усиления, необходимо задать интервал температур в соответствии с ТЗ. Для этого во вкладке «Моделирование» => «Вид анализа» выбирается пункт «Анализ изменения температуры». В открывшемся окне, заносим диапазон рабочих температур от до , в разделе «дополнительно» => «вид анализа» => «анализ АС» (Рисунок 7).



Рисунок 7 - Задание температурного диапазона

Во вкладке «Переменные» выбираем в столбец «Переменные для анализа» переменную V«Сигнал_Л2» нажимаем клавишу «Моделировать». Результат моделирования представлен на рисунке 8.



Рисунок 8 - Влияние температуры на АЧХ каскада усиления

Из анализа влияния температуры следует, что снижение температуры ведет к незначительному увеличению амплитуды, но сужает полосу пропускания как в области верхних частот, так и в области нижних частот. Повышение температуры, напротив, расширяет полосу пропускания в области верхних и нижних частот.

5. Влияние нагрузки на АЧХ каскада усиления

Находим АЧХ схемы усилителя с верхней граничной частотой равной , согласно ТЗ. Для этого воспользовавшись эквивалентной схемой резисторного каскада усиления на верхних частотах (Рисунок 9), добавили на вход каскада нагрузку, в виде конденсатора С5 (Рисунок 10).

Определили что конденсатор, удовлетворяющий нашим условиям, имеет номинальную емкость .

Рисунок 9 - Преобразованная эквивалентная схема резисторного каскада усиления на верхних частотах

Рисунок 10 - Схема резисторного каскада усиления с увеличенной нагрузкой в виде конденсатора С5

Получившаяся АЧХ представлена на рисунке 11.



Рисунок 11 - АЧХ резисторного каскада усиления с нагрузкой

C увеличением нагрузки на выходе цепи, добавлением конденсатора , график АЧХ смещается влево, следовательно, при уменьшении нагрузки на выходе, график сместится вправо.

6. Влияние разделительного конденсатора на АЧХ каскада усиления

Пользуясь эквивалентной схемой резисторного каскада усиления на нижних частотах (Рисунок 12), выяснили, что для получения нашей частоты необходимо увеличить значение емкости нашего разделительного конденсатора (Рисунок 13).



Рисунок 12 - Преобразованная эквивалентная схема резисторного каскада усиления на нижних частотах

Рисунок 13 - Схема резисторного каскада усиления с увеличенной емкостью разделительного конденсатора

Однако в ходе эксперимента ее уровень при различных номинальных значениях емкости разделительного конденсатора не изменялся, придерживался уровня (Рисунок 14), что почти в 25 раз выше необходимого. Поэтому для получения нижней граничной частоты, равной , необходимо ввести отрицательную обратную связь.



Рисунок 14 - АЧХ резисторного каскада усиления при

Таким образом, с помощью эквивалентной схемой резисторного каскада усиления на нижних частотах можно определить смещение графика АЧХ, причем при увеличении емкости разделительного конденсатора, смещение происходит влево, а при увеличение емкости - вправо.

7. Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ усилительного каскада

Для исследования влияния отрицательной обратной связи на АЧХ резисторного каскада усиления следует ввести обратную связь по переменному току, изменив схему в соответствие с рисунком 15.



Рисунок 15 - Схема для исследования ООС на АЧХ резисторного каскада усиления

При этом на резисторе R5 создается напряжение последовательное ООС по переменному току.

АЧХ каскада усиления после введения отрицательной обратной связи представлена на рисунке 16.



Рисунок 16 - АЧХ каскада усиления после введения ООС

После введения отрицательной обратной связи, коэффициента усиления снизился, но расширилась полоса пропускания, т.е. , .

8. Разработка усилителя

В соответствие с техническим заданием, необходимо разработать усилитель, АЧХ которого будет иметь нижнею граничную частоту равною , а верхнюю - . Т.к. в пункте 6 получить не удалось, то необходимо ввести отрицательную обратную связь, причем эмиттерный конденсатор С3 берем равный 12 мкФ. Это делается для того, что бы в области нижних частот они имели незначительные сопротивления [2] (Рисунок 17).



Рисунок 17 - Схема резисторного каскада усиления с введенной ООС

Пользуясь выше перечисленными свойствами, подберем соответствующие значения разделительного конденсатора С4 и нагрузки С5, что бы получить АЧХ усилителя удовлетворяющую ТЗ.

Рисунок 18 - Схема разработанного усилителя

Рисунок 19 - АЧХ разработанного усилителя

Примечание: номинальной емкости нагрузки равной не существует, поэтому воспользовались комбинированием емкостей.

9. Оценка величины сдвига фаз на входе и на выходе каскада усиления при активном характере нагрузки

Для определения сдвига фаз, воспользуемся двухканальным осциллографом, один из входов которого подключим к источнику переменного напряжения, а другой на выход каскада (Рисунок 20).



Рисунок 20 - Схема для исследования сдвига фаз

После тестирования схемы получаем следующее соотношение (Рисунок 21).

Рисунок 21 - Фазовое соотношение сигналов на входе и выходе каскада усиления

Данные снятые с осциллографа, показывают, что сигнал на выходе сдвинут по фазе относительно входного сигнала практически на 180є, что обусловлено инвертированием сигнала транзистором.



Заключение

В ходе курсового проектирования был рассмотрен принцип работы усилителя электрических сигналов, сделаны выводы, что:

- влияние емкостей С4 и С5 + С6 в диапазоне нижних и верхних частот нарушают постоянство выходного напряжения при изменении частоты, т.е. с понижением частоты влияние реактивного сопротивления конденсатора С4 возрастает, что ведет к уменьшению выходного напряжения, а следовательно и к уменьшению коэффициента усиления. С повышением же частоты уменьшается сопротивление конденсаторов С5, С6, подключенных параллельно выходу, а шунтирующее действие увеличивается, что ведет к уменьшению напряжения на выходе и коэффициента усиления;

- снижение температуры ведет к незначительному увеличению амплитуды напряжения, но сужает полосу пропускания, как в области верхних частот, так и в области нижних частот. Повышение температуры, напротив, расширяет полосу пропускания в области верхних и нижних частот;

- увеличение реактивной компоненты нагрузки на выходе цепи ведет к смещению АЧХ влево, а при уменьшении нагрузки на выходе - вправо;

- увеличение емкости разделительного конденсатора приводит к смещению АЧХ влево, а при увеличении емкости - вправо;

- влияние ООС ведет к снижению коэффициента усиления, однако увеличивает полосу пропусканию.

В результате полученных знаний был разработан резисторный каскад усиления на биполярном транзисторе, частотная характеристика которого на нижних и верхних частотах соответствует , .



Список литературы

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб: пособие для вузов. - М. : Радио и связь, 1989. - 400 с. : ил.

2. Электротехника и электроника : учебник / О.П. Новожилов. - М. : Гардарики, 2008. - 653 с. : ил.

3. Мушта А.И. Информационные технологии анализа аналоговых электронных устройств в САПР OrCAD: учеб. Пособие / А.И. Мушта. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 215 с.

4. Информационные технологии ввода и моделирования электрических схем аналоговых электронных устройств в САПР NI Multisim V13.0

Размещено на Allbest.ru

...