Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра РЭС

Курсовая работа

по дисциплине «Схемотехника аналоговых устройств»

Тема: Схемотехническое проектирование усилителя импульсных сигналов

Варламова А.А.,

Студентка гр. 0183

Санкт-Петербург

2022

Задание на курсовую работу

Исходные данные

Структура усилителя										Форма импульса на выходе
ОЭ-ОК-ОЭ	9	-9	200	5	200	30	2,5	50	-20		3

Дополнительные данные:

? сопротивление базовой области ;

? статистический коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ ;

? напряжение Эрли ;

? максимальный ток коллектора ;

? паразитная ёмкость перехода база-коллектор ;

? модуль коэффициента передачи тока базы в схеме ОЭ на частоте 250 МГц ;

? технологический разброс номинального напряжения база-эмиттер ;

? разброс коэффициента передачи тока базы в схеме ОЭ .



Аннотация

В курсовой работе в результате синтеза на основе исходных данных получена принципиальная схема трехкаскадного усилителя импульсных сигналов и рассчитаны его основные характеристики.



Abstract

In the course work, as a result of synthesis based on the initial data, a schematic diagram of a three-stage pulse signal amplifier is obtained and its main characteristics are calculated.



Содержание

транзистор напряжение ток схема

Введение

1. Выбор типа проводимости транзисторов

2. Синтез конфигурации схемы питания усилительных каскадов постоянными напряжениями и токами

3. Выбор значения начального тока в каскадах

4. Расчет элементов схемы на постоянном токе

5. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов

6. Мероприятия по снижению влияния дестабилизирующих факторов

7. Оценка предельно допустимого сопротивления нагрузки

8. Организация конфигурации схемы для обеспечения работы усилителя на переменном токе

9. Определение значений емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов

10. Оценка значения коэффициента усиления тракта в целом

Заключение

Список использованных источников



Введение

Целью курсовой работы является создание принципиальной схемы трехкаскадного усилителя импульсных сигналов с использованием в каждом каскаде биполярного транзистора с типом проводимости p-n-p и n-p-n.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что большинство приёмных устройств на входе имеют низкий уровень сигнала, усилить который позволяет устройство, схему которое необходимо построить.

Выполнение усилителя с непосредственными межкаскадными связями упрощает структуру усилительного тракта и позволяет повысить стабильность и определенность режимов работы каскадов на постоянном токе за счет охвата схемы в целом петлей отрицательной обратной связи (ООС), действующей на постоянном токе.

Для получения необходимого результата будут проведены следующие этапы:

1. Синтез структурной схемы и определение типов проводимости транзисторов

2. Определение конфигурации схемы на постоянном токе

3. Расчет элементов схемы на постоянном токе

4. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов

5. Мероприятия по снижению влияния дестабилизирующих факторов

6. Организация конфигурации схемы для обеспечения работы усилителя на переменном токе

7. Обеспечение требований к параметрам переходных процессо



1. Синтез структурной схемы и определение типов проводимости транзисторов

Структура усилителя - ОЭ-ОК-ОЭ. Каскады типа ОЭ являются инвертирующими. В структуре присутствует два каскада типа ОЭ, следовательно, для получения отрицательного выходного сигнала следует взять отрицательный сигнал на входе.

На входе усилителя полярность отрицательна, поэтому первый транзистор ОЭ будет иметь тип проводимости p-n-p. Так как этот транзистор инвертирующим, то сигнал на его выходе имеет положительную полярность. Второй транзистор включен как ОК и на его входе сигнал положительный, то он имеет тип проводимости n-p-n. На выходе второго транзистора так же останется положительный сигнал, следовательно на входе третьего сигнал имеет положительную полярность. Так как третий транзистор включен как ОЭ, имеющий на входе положительный сигнал, то он имеет тип проводимости n-p-n.

Выбор типа проводимости транзисторов осуществлялся на основе Таблицы 2:

Тип каскада	Направление импульса на входе	Рекомендуемый тип проводимости
ОЭ или ОК	Положительное	n-p-n
ОЭ или ОК	Отрицательное	p-n-p



Структурная схема усилителя представлена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема усилителя

Вывод:

В данной схеме первый и третий каскад обеспечивают инвертирующее усиление по току, а второй - не инвертирующее.

Усиление достигается каскадом с общим эмиттером, который обладает высоким усилением по напряжению и току. Отличительная особенность - изменение фазы входного сигнала на 180 градусов (инвертирование). Благодаря высокому коэффициенту усиления схема с ОЭ имеет преимущественное применение по сравнению с ОБ и ОК.

2. Определение конфигурации схемы на постоянном токе

Изобразим принципиальную схему на постоянном токе. Для стабилизации положения исходной рабочей точки (ИРТ) всех каскадов используем схему с фиксированным током эмиттера.

1) Между двумя горизонтальными линиями, где верхняя линия - шина положительного питания , а нижняя - шина отрицательного питания наносим графическое изображение транзисторов. Ориентация транзисторов должна соответствовать типу их проводимости (стрелки на эмиттерных выводах транзисторов направлены сверху вниз).

2) В соответствии со схемами питания входных каскадов схемы введём между шинами питания базовый делитель напряжения. Этот делитель определит потенциал ??_бо1 базового вывода во входном каскаде усилительного тракта. Потенциал базы второго каскада определяется потенциалом коллектора первого каскада, потенциал базы третьего каскада определяется потенциалом эмиттера второго каскада.

3) Осуществим межкаскадные соединения с учётом того, что входным электродом в схемах с ОЭ и ОК является базовый вывод транзистора. Выходным электродом в схемах ОЭ является коллекторный выход, а в схемах ОК - эмиттерный.

Принципиальная схема усилителя изображена на рис. 2.

Рис. 2. Усилитель ОЭ-ОК-ОЭ

Вывод:

В этой схеме потенциал первого каскада создается с помощью низкоомного резистивного делителя напряжения и , который практически не зависит от тока базы (при условии, что значительно больше тока базы ), т.е. от свойств данного транзистора, следовательно обеспечивается стабильность положения ИРТ и, соответственно высокую стабильность параметров транзистора.



3. Расчет элементов схемы на постоянном токе

Большие токи и желательны с точки зрения уменьшения влияния факторов, дестабилизирующих работу каскада на постоянном токе. Обычно для транзисторов малой и средней мощности этому условию соответствуют значения токов, лежащих в пределах 1-5 мА. В то же время следует иметь в виду, что при малых значениях токов и транзистор обладает худшими усилительными свойствами, а в каскадах возможно возникновение заметных нелинейных искажений. С учётом этих обстоятельств во входных каскадах тракта, где усиливаемые сигналы имеют относительно невысокую интенсивность, значение токов и следует выбирать в пределах 1-2 мА.

Зададим

Для создания в оконечном (третьем) каскаде напряжения при токе необходимо в эмиттерную цепь его транзистора включить резистор:

Выбирая , максимально допустимое значение сопротивления коллектора 3-го каскада найдём из условия:

Падение напряжения на коллекторном резисторе :



Падение напряжения на эмиттерном резисторе :

Сопротивление резистора по закону Ома:

Падение напряжения на коллекторном резисторе :

Сопротивление резистора по закону Ома:

Принимаем напряжение на эмиттерном резисторе транзистора 1-го каскада , тогда:

Находим ток резистивного делителя напряжения в цепи базы 1-го каскада:



Находим падение напряжений на резисторах делителя:

Находим сопротивления резисторов:

Схема усилителя с рассчитанными напряжениями и сопротивлениями изображена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема усилителя со значениями сопротивлений и напряжений



Вывод:

Используя предварительно заданные начальные коллекторные токи и напряжения на эмиттере, были рассчитаны сопротивления и напряжения остальных элементов схемы. Активный режим работы транзисторов каскадов усиления обеспечивается обратным смещением перехода коллектор-база и прямым смещением перехода эмиттер-база. В схеме целесообразно использовать двухполярное питание, так как потенциалы, которые даны отличны от нуля.

4. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов

Найдём отклонения температуры относительно номинальной

Расчёт значений нестабильностей и :



Расчёт малосигнальных параметров транзисторов каждого каскада:

Для первого каскада:

Для второго каскада:



Для третьего каскада:

Найдём малосигнальные параметры всех каскадов (Таблица 3):

Для первого каскада:



Для второго каскада:

Для третьего каскада:

Схема/каскад

Определим эквивалентные сопротивления цепей, внешних по отношению к выводам базы и эмиттера каждого каскада и :

Для первого каскада:

Для второго каскада:

Для третьего каскада:



Расчёт собственных сопротивлений нестабильности для каждого каскада:

Расчёт полной нестабильности тока коллектора третьего каскада:

Общее отклонение в оконечном каскаде:



Изменение тока в рассматриваемом третьем каскаде возникает в следствие нестабильности второго и первого каскадов; - полные сопротивления нагрузки в 1, 2 и 3 каскадах соответственно

Вывод:

В ходе расчётов было получено значение нестабильности ; оно оказалось достаточно большим из-за наличия двух каскадов ОЭ. Стабилизировать режим работы тракта можно путем введения ООС.

5. Мероприятия по снижению влияния дестабилизирующих факторов

1. Для снижения влияния дестабилизирующих факторов осуществим изменение конфигурации схемы, обеспечивающее в ней петли ООС, охватывающей усилительный тракт в целом.

Введение такой ООС для сохранения расчетной ИРТ требует изменения сопротивлений и

Определим напряжения в точках а и б (рис. 4.)

Рис. 4

Видно, что , из чего следует, что обратную связь необходимо вводить так, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Схема усилителя с ООС



Также необходимо пересчитать резисторы и (рис. 6):

Рис. 6. Схема усилителя с ООС, пересчитаны резисторы

Разорвём обратную связь и установим в точках разрыва нагрузки и , а также условно подключим тестовый источник ЭДС:

Рис. 7. Схема с разорванной обратной связью (ОС)

Произведём перерасчёт коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления первого каскада остаётся прежним:

По отношению к сигналу обратной связи последний каскад включён не по схеме ОЭ, а по схеме ОК:



Вычислим значения петлевой передачи по формулам:

, Полученные значения примерно равны

Уменьшим найденное при вычислениях в ходе предыдущего этапа значение нестабильности в раз:

Вывод:

После введения ООС значение нестабильности уменьшилось .

6. Организация конфигурации схемы для обеспечения работы усилителя на переменном токе

Введём в нашу схему разделительные и блокировочные конденсаторы так, как показано на рис. 8.



Рис. 8. Схема с разделительными и блокировочными конденсаторами

Распределим общий доступный спад переходной характеристики для тракта в целом между всеми 3 звеньями усилительного тракта, существенно влияющими на появление спада вершины импульса. При этом будем считать, что наибольший спад (в 10 раз больший, чем разделительные цепи) создаёт блокировочный конденсатор в цепи эмиттера:



Расчёт граничных частот для всех звеньев:

Расчёт емкостей конденсатора:

Разделительные конденсаторы:

где и - эквивалентные сопротивления внешних цепеё слева и справа от разделительного конденсатора,

Расчёты для :

- параллельное соединение резисторов

Расчёты для :

- параллельное соединение резисторов

Так как по отношению к сигналу обратной связи последний каскад включён не по схеме ОЭ, а по схеме ОК:

Блокировочные конденсаторы:

Расчёт для :

Вывод:

Для обеспечения работы усилителя на переменном токе были включены в схему блокировочные и разделительные конденсаторы, а также рассчитаны их значения, , , .

7. Обеспечение требований к параметрам переходных процессов

1. Расчёт граничной частоты

2. Расчёт граничных частот для каждого каскада

Первый каскад:



Второй каскад:

Третий каскад:

3. Расчёт спадов, возникающих в каскадах ОЭ:

4. Определение общего спада

5. Определение значений паразитных ёмкостей

Так как при включении транзистора по схеме ОК активная составляющая настолько большая, что паразитная емкость не может оказать на сигнальные цепи какого-либо заметного шунтирующего влияния, то принимаем:

Следовательно, только в первом и третьем каскадах усилительного тракта паразитные емкости оказывают заметное шунтирующее влияние.

Вычислим значение паразитных емкостей в этом каскаде:

должно осуществляться в условиях соответствующих короткозамкнутых входных зажимах () рассматриваемого каскада:

Расчёты для ёмкости :

Расчёты для ёмкости :

6. Оценка спада НАЧХ входной цепи

Значение спада НАЧХ:

7. Расчёт допустимого спада:

8. Распределение общего допустимого искажения между звеньями, влияющего на ход НАЧХ:

В данном случае имеется две составляющих, вносящих вклад в спад АЧХ из-за паразитной емкости. Поэтому распределим следующим образом:

9. Расчет предельно допустимого значения проводимости коллекторных цепей в звеньях:

10. Предельно допустимые значения сопротивлений

Оценка нижней граничной частоты тракта в целом

Рис. 9. График НАЧХ



Оценка значения коэффициента усиления тракта в целом

сопротивление источника крайне мало

Пересчитаем и в виду введённых в каскады блокировочных конденсаторов:

Полный коэффициент усиления, выраженный в дБ:



Рис. 10. Полная схема трехкаскадного усилителя

транзистор напряжение ток схема



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была разработана принципиальная схема трехкаскадного усилителя со структурой ОЭ-ОК-ОЭ с коэффициентом усиления 60 дБ

В результате синтеза схемы и расчетов необходимых параметров для ее работы были получены следующие данные:

? При анализе дестабилизирующих факторов было получено: нестабильность напряжения база-эмиттер, нестабильность коэффициента передачи тока базы , нестабильность тока коллектора третьего каскада.

? Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов была введена ООС. После её введения значение отклонения коллекторного тока в оконечном каскаде составило .

Далее были получены номиналы разделительных и блокировочных конденсаторов, паразитных ёмкостей и найдены значения нижней и верхней граничных частот. В конце работы был рассчитан коэффициент каскадного усилителя



Список использованных источников

1. Боровиков С.Г., Приходько В.Ю. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019.

2. Павлов В.Н.; «Схемотехника аналоговых электронных устройств»: учебное пособие для студентов высших учебных заведений; издательский центр «Академия», 2008. - 288 с.

3. СПбГЭТУ. Документы для учебы. Шаблоны оформления студенческих работ.

Размещено на Allbest.ru

...