Расчет статических и динамических параметров многокаскадного усилительного устройства переменного тока с обратной связью

2. Расчёт выходного каскада

Схема выходного каскада:

2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А в транзисторе в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА2 и напряжения UкА2. Найдём значения IкА2, UкА2 и PкА2, считая, что сопротивление эмиттера Rэ2 = 0:

Iн = = = 0,0258 ,А

Iнm2 = v2 * Iн = v2*0,0258 = 0,037 ,А

UH т2 = v2 * Uн = v2*7,75 = 10,96 ,В

Umin = 1 В ; Кзап = 0,9

UкА2 = UH т2 + Umin = 10,96+1 = 11,96 ,В

С целью отсутствия обрезания сигнала на выходе примем UкА2=12 ,В.

Из схемы выходного каскада следует, что потенциал UкА2 отрицательный, т.е. UкА2=-12 ,В.

IкА2 = = = 0,041 ,А

PкА2 = IкА2 * /UкА2/ = 0,041*12 = 0,49 ,Вт

Определим напряжение питания усилителя Е:

Е = 2 * /UкA2/ = 2 * 12 = 24 ,В

Таким образом, условия выбора транзистора выходного каскада следующие:

1. Тип проводимости: p-n-p

2. Iкдоп ? 2 * IкА2 = 82 ,мА

3. Uкдоп ? Е = 24 ,В

4. Pкдоп ? PкА2 = 490 ,мВт

Транзистором, удовлетворяющим всем требованиям, является КТ3107Д.

Основные характеристики транзистора представлены в следующей таблице:

Найдем линию статической нагрузки:

Iк2 = f(Uкэ2)

Uк2 = -Е + Iк2 * Rк2

Uэ2 = -Iэ2 * Rэ2 ? -Iк2 * Rэ2

Uкэ2 = Uк2 - Uэ2 = -E + Iк2*(Rк2 + Rэ2)

Iк2 = +

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статистической нагрузки:

Rк2+Rэ2===293 ,Ом

Rэ2=(0,1…0,3)Rк2

Возьмем Rэ2=0,1Rк2, тогда:

Rк2===266 ,Ом

Rэ2=0,1Rк2=0,1*266=27 ,Ом

Построим статистическую линию нагрузки.

При IкА2=0 Uкэ2 = -Е = -24 ,В

При UкА2=0 Iк2===0,082 ,А

Построим динамическую линию нагрузки Uк'2 и рабочую точку.

Uк'2 = - = - =-17,78 , В

Отметим значения токов IкА2 + Iнm2 и IкА2 - Iнm2, спроецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и найдем Uнm2.Найденное значение

Uнm2 = -5 В меньше рассчитанного ранее , поэтому включаем в схему эмиттерный повторитель.

2.2 Расчёт эмиттерного повторителя

Схема выходного каскада с эмиттерным повторителем:

Дифференциальный коэффициент передачи тока базы находится по формуле:

в===200

Тогда сопротивление выхода в схеме с эмиттерным повторителем:

Rвых2 = (1+в)=(1+200) =4979 ,Ом

Uк''2 = - = - =-22,35 ,В

Снова отмечаем токи IкА2 + Iнm2 и IкА2 - Iнm2, проецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и находим Uнm2. Найденное значение

Uнm2 = -11В больше рассчитанного ранее Uнm2 =10,96В.

2.3 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки для каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R12 и R22.

По входным характеристикам транзистора определим величины IбА2, UбэА2

IбА2 = 0,22 ,мА

UбэА2 = 0,7 ,В

Найдем температурные изменения токов:

=(0,001…0,01)Iнm2=0,001*0,037=37 ,мкА

Iк0 (t0)= Iк0 (t0спр)*==2,6 ,мкА

Iк0 (t0лаб)= Iк0 (t0спр)*==0,1 ,мкА

= |Iк0 (t0) - Iк0 (t0лаб )| = |2,6*10-6 -0,1*10-6 | = 2,5 ,мкА

Тогда коэффициент нестабильности N2 определяется следующим образом:

N2===15

N2 должен находиться в диапазоне (2…15). Это условие выполняется.

Найдем сопротивление R22:

=409 ,Ом

Найдём ток делителя IД2:

IЭА2= IбА2+ IкА2=0,22+41=41 ,мА

IД2= IбА2+=0,22*10-3+=4,6 ,мА

Ток делителя должен быть IД2 ? (3…10)IбА2:

Условие выполняется.

Найдём сопротивление R12:

R12=4785 ,Ом

2.4 Расчёт коэффициента усиления выходного каскада

По входным характеристикам биполярного транзистора найдем его входное сопротивление:

h11э2==100

Rвх2=80 ,Ом

В качестве сопротивления генератора на выходном каскаде принимается сопротивление коллектора входного каскада.

К2= --=-18,74

K2=-18,74

2.5 Расчёт ёмкостных элементов

Для каскадов на биполярном транзисторе значения емкостей конденсаторов C2 , C3 и Сэ2 рассчитываются следующим образом:

2*3,1416 *20 = 126

С2=2,94*10-6=2,94 ,мкФ

С3=1,51*10-6=1,51 ,мкФ

Сэ2===0,0476=47,6 ,мФ

3. Расчёт входного каскада

Схема входного каскада:

3.1 Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А в транзисторе в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора IкА1 и напряжения UкА1. Найдём значения IкА1, UкА1 и PкА1, считая, что сопротивление эмиттера Rэ1 = 0:

UH т1 = ==0,57 ,В

Сопротивление нагрузки для входного каскада Rн1=Rвх2=80 , Ом

Iнm1 = ==0,0072 ,А

Umin = 1 В ; Кзап = 0,9

 UкА1 = UH т + Umin = 0,57+1 = 1,57 ,В

Из схемы выходного каскада следует, что потенциал UкА1 отрицательный, т.е. UкА1=-1,57 ,В. каскад коллектор эмиттер ток

IкА1= = = 0,0078 ,А

PкА1 = IкА1 *|UкА1| = 0,0078*1,57 =0,013 ,Вт

Таким образом, условия выбора транзистора выходного каскада следующие:

5. Тип проводимости: p-n-p

6. Iкдоп ? 2 * IкА1 = 16 ,мА

7. Uкдоп ? Е = 24 ,В

8. Pкдоп ? PкА1 = 13 ,мВт

Транзистором, удовлетворяющим всем требованиям, является КТ3107Д.

Основные характеристики транзистора представлены в следующей таблице:

Построим линию статической нагрузки:

Iк1 = f(Uкэ1)

Uк1 = -Е + Iк1 * Rк1

Uэ1 = -Iэ1 * Rэ1 ? -Iк1 * Rэ1

Uкэ1 = Uк1 - Uэ1= -Е + Iк1 *(Rк1+Rэ1)

Iк1 = +

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статистической нагрузки:

Rк1+Rэ1===1446 ,Ом

Rэ1=(0,1…0,3)Rк1

Возьмем Rэ1=0,1Rк1, тогда:

Rк1===1315 ,Ом

Rэ1=0,1Rк1=0,1*1315=131 ,Ом

Построим статистическую линию нагрузки.

При IкА1=0 Uкэ1 = -Е = -24 ,В

При UкА1=0 Iк1===0,0083 ,А

Построим динамическую линию нагрузки Uк'1 и рабочую точку.

Uк'1 = - = - =-2,18 , В

Отметим значения токов IкА1 + Iнm1 и IкА1 - Iнm1, спроецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и найдем Uнm1.Найденное значение

Uнm1 = 0,6 В больше рассчитанного ранее Uнm1 = 0,57 В.

в===180

3.2 Расчёт элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки для каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R11 и R21.

По входным характеристикам транзистора определим величины IбА1, UбэА1

IбА1 = 0,14 ,мА

UбэА1 = 0,4 ,В

Найдем температурные изменения токов:

=(0,001…0,01)Iнm1=0,005*0,007=35 ,мкА

Iк0 (t0)= Iк0 (t0спр)*==2,6 ,мкА

Iк0 (t0лаб)= Iк0 (t0спр)*==0,1 ,мкА

= |Iк0 (t0) - Iк0 (t0лаб )| = |2,6*10-6 -0,1*10-6 | = 2,5 ,мкА

Тогда коэффициент нестабильности N1 определяется следующим образом:

N1===14

N1 должен находиться в диапазоне (2…15). Это условие выполняется.

Найдем сопротивление R21:

=3692 ,Ом

Найдём ток делителя IД1:

IЭА1= IбА1+ IкА1=0,14+7,8=7,9 ,мА

IД1= IбА1+=0,14*10-3+=2,5 ,мА

Ток делителя должен быть IД1 ? (3…10)IбА1:

Условие выполняется.

Найдём сопротивление R11:

R11=26615 ,Ом

3.3 Расчёт коэффициента усиления входного каскада

По входным характеристикам биполярного транзистора найдем его входное сопротивление:

h11э1==400

Rвх1=356 ,Ом

Тогда коэффициент усиления выходного каскада определятся так:

К1= --=-34,42

K1=-34,42

3.4 Расчёт ёмкостных элементов

Для каскадов на биполярном транзисторе значения емкостей конденсаторов C1 и Сэ1 рассчитываются следующим образом:

С1=19,55*10-6=19,55 ,мкФ

Сэ1===0,0119=11,9 ,мФ

4. Расчёт реально достигнутого коэффициента усиления

Реально достигнутый в схеме коэффициент усиления разомкнутого усилителя в области средних частот определяется следующими формулами:

К1= --=-34,42

К2= --=-18,74

Креал==K1*К2=645

Реально достигнутый коэффициент усиления должен быть больше рассчитанного в пункте 1 коэффициента усиления К.

Креал=645 ? К=57,2

Условие выполняется.

5. Расчёт элементов цепи ООС

Так как проектируемый усилитель содержит два каскада, используем последовательную обратную отрицательную связь по напряжению. Найдём сопротивление обратной связи:

==-1,2*10-3

=8323 ,Ом

Тогда коэффициент усиления усилителя с обратной связью можно найти так:

==362

6. Построение характеристики Мос(щ)

Характеристика Мос(щ) для двухкаскадного усилителя строится по следующим формулам в масштабе десятичных логарифмов круговой частоты:

Мосв(щв)= Мосн(щн)=

Х=для Мосв(щв)

Х=для Мосн(щн)

2*3,1416 *20 = 126 рад/с

7. Моделирование

Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 9. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.

В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики входного и выходного каскадов усилителя, усилителя без ООС и с ООС.

7.1 Выходной каскад

Схема выходного каскада:

Переходная характеристика выходного каскада:

Частотные характеристики выходного каскада:

7.2 Входной каскад

Схема входного каскада:

Переходная характеристика входного каскада:

Выходной сигнал искажен из-за слишком большой входной амплитуды. Поэтому в этой и последующей схемах амплитуда уменьшена с 340 мВ до 1 мВ.

Теперь переходная характеристика выглядит так:

Частотные характеристики входного каскада:

7.3 Усилитель без ООС

Схема усилителя:

Переходная характеристика усилителя

Частотные характеристики усилителя:

7.4 Усилитель с ООС

Схема усилителя:

Переходная характеристика усилителя:

Частотные характеристики усилителя:

7.5 Результаты моделирования

7.6 Спецификация

Выходной каскад

Входной каскад

Усилитель без ООС

Усилитель с ООС

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были приобретены навыки расчетов статических и динамических параметров электронных устройств, изучены методы проектирования и разработки электронных устройств, получены навыки практического применения ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

В результате выполнения курсовой работы спроектирован двухкаскадный усилитель с отрицательной обратной связью. Работа усилителя проверена в среде Micro-Cap 9.

Список литературы

1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань. : РГРТА, 1997. 36 с.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с., ил.

Размещено на Allbest.ru