Проектирование многокаскадного усилителя с общими обратными связями

Федеральное агентство  образования РФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

С ОБЩИМИ ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ

 

Курсовой проект по дисциплине

«Проектирование аналоговых систем автоматизации»

Вариант 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2004

Реферат

Курсовой проект содержит 17 стр.

Объектом исследования является многокаскадный усилитель с общей отрицательной  обратной связью.

Цель работы: разработать усилитель в соответствии с заданными требованиями.

В результате работы была разработана  схема усилителя, был произведен расчет этой схемы и данная схема была промоделирована в пакете схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью данной курсовой работы является построение, расчет и моделирование многокаскадного усилителя с ООС, а также объединение пройденного материала.

Устройство, обладающее способностью увеличивать (усиливать) мощность источника  сигнала, называется усилителем.

Усилители относят к более распространенным устройствам, используемым в радиоэлектронной аппаратуре. Усилители являются одним из самых широко применяемых в аппаратуре звеном, без которого не обходится ни одно современное устройство. Каскады усилителя могут выполнять массу полезных и необходимых функций, таких как согласование различных параметров узлов устройства, таких как сигнал, сопротивление, частотное согласование и многое другое. Они составляют важнейшую часть в аппаратуре передачи данных и систем связи, причем благодаря своей универсальности используются как в цифровых, так и в аналоговых системах.

Обратной связью называют связь между электрическими цепями, посредством которой энергия сигнала передаётся в направлении, обратном нормальному, т.е. из цепей с более высоким уровнем сигнала в цепи с более низким его уровнем. Обратная связь сильно влияет на свойства и характеристики усилителя, а поэтому нередко вводится для изменения его свойств в нужном направлении.

Цепь обратной связи вместе с  частью схемы усилителя, к которой  она подключена, образуют замкнутый  контур, называемый петлёй обратной связи. Если энергию сигнала снимают с выхода схемы параллельно нагрузке, связь называется обратной связью по напряжению, т.к. при этом напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному напряжению усилителя. Если же энергию сигнала снимают с выхода последовательно с нагрузкой, связь называют обратной по току, т.к. при этом напряжение обратной связи прямо пропорционально выходному току. Возможна комбинация этих способов снятия энергии сигнала, такую связь называют мостовой или смешанной.

Если сигнал обратной связи вводят во входную цепь последовательно  с источником сигнала, связь называют последовательной обратной связью. Если его вводят параллельно источнику  сигнала, связь называют параллельной обратной связью. Существует и комбинированный способ введения обратной связи во входную цепь, называемый смешанный или мостовой по входу обратной связи.

Если напряжение обратной связи  совпадает по фазе с напряжением  сигнала в цепи, куда вводится обратная связь, а поэтому складывается с напряжением сигнала, - обратную связь называют положительной обратной связью (ПОС). Если же напряжение обратной связи противоположно по фазе напряжению сигнала в той цепи, куда связь подаётся, а поэтому вычитается из напряжения сигнала, - обратную связь называют отрицательной обратной связью (ООС).

При рассмотрении влияния обратной связи на свойства усилителя можно  сказать, что ПОС увеличивает  коэффициент усиления усилителя, но при этом увеличивает помехи  и искажения, возникающие в части  усилителя, охваченной обратной связью и уменьшает стабильность коэффициента усиления. ООС напротив уменьшает коэффициент усиления усилителя, но при этом уменьшает помехи  и искажения и увеличивает стабильность коэффициента усиления. Исходя из вышесказанного ООС улучшает многие свойства усилителя, и поэтому, несмотря на уменьшение усиления, её широко используют в современных усилителях, ПОС находит применение в генераторах электрических колебаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Исходные данные

 

Исходные данные для проектирования:

• диапазон рабочих частот: f_н=100*10^-3 кГц, f_в=25*10³ кГц;
• уровень выходного сигнала U_mн=2 В при К_г<0,5 %;
• коэффициент усиления в области средних частот К_U(K_E)>300;
• параметры нагрузки усилителя: R_H=100 Ом, C_H=10 пФ;
• нестабильность коэффициента усиления δK_U<0,4 %;
• сопротивление источника сигнала (входное сопротивление) R_Г(R_ВХ)=50 Ом;
• диапазон рабочих температур: T_min=0^oС и T_max=+40^oС;
• дополнительные ограничения: согласование с источником питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Обоснование  выбора структуры схемы

Исходя из условия видно, что  нужно спроектировать усилитель, у  котрого согласование согласование с источником питания. При заданной амплитуде на нагрузке и сопротивления  нагрузки ясно, что выходной каскад будет работать при относительно больших токах. Так как внутреннее сопротивление источника сигнала мало и необходимо получить широкую полосу пропускания при достаточно большом коэффициенте усиления, поэтому будем использовать каскады с общим эмиттером.

Так как требуемые характеристики качества довольно жесткие, потребуется ввести отрицательную обратную связь, поэтому вероятно потребуется большое усиление. Исходя из этого выбираем трехкаскадную схему.

Рисунок 3.1 – Структурная схема  усилителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет  каскадов усилителя

4.1 Расчет выходного каскада усилителя

Рассчитаем величину переменного  тока I_mн через нагрузку R_н:

I_mн3=U_mн/R_н=2/100=0,02 А

Возьмем R_к3 равным R_н=100 Ом, тогда:

R_экв3=R_к3*R_н/(R_к3+R_н)=100*100/(100+100)=50 Ом

I_mк3=U_mн/R_экв3=2/50=0,04 А

Также возьмем εi₃=0,8, тогда:

I_ок3=I_mк3/εi₃=0,04/0,8=0,05 А

U_mк3=I_mк3*R_к3=0,04*100=4 В

U_oRк3=I_oк3*R_к3=0,05*100=5 В

Напряжение питания Ек возьмем равным 12В

U_oк3=Е_к-U_oRк3=12-5=7 В

При токе I_ок3=0,05 А   β₃ будет равен 125.

I_об3=I_ок3/β₃=0,05/125=0,4 mА

Примем U_оэ3 равным 3 В, тогда

U_об3=U_оэ3+0,6=3+0,6=3,6 В

I_д3=5*I_об3=5*0,4m=2 mА

R₁₃=(E_к-U_об3)/(I_д3+I_об3)=(12-3,6)/(2m+0,4m)=3,5 кОм

R₂₃=U_об3/I_д3=3,6/2m=1,8 кОм

Возьмем К_u3=34,2 (φ_t=0,025):

R_тр3=120+ φ_t/I_об3=120+0,025/0,4m=182,5 Ом 

R_э13=(β₃*R_экв3-K_u3*R_тр3)/(K_u3*(β₃+1))

R_э13=(125*50-34,2*182,5)/(34,2*(125+1))=1,973 mВ

R_вх13=R_тр3+(β₃+1)*R_э13=182,5+(125+1)*1,973m=182,749

А₃=R_вх13/R_тр3=182,749/182,5=1,001

R_д3=R₁₃*R₂₃/(R₁₃+R₂₃)=3,5к*1,8к/(3,5к+1,8к)=1,189 кОм

R_вх23=R_д3*R_вх13/(R_д3+R_вх13)=1,189к*182,749/(1,189к+182,749)=158,397 Ом

I_mб3=I_об3* ε_i3=0,4m*0,8=0,32 mА

U_mбэ3=I_mб3*R_тр3=0,32m*182,5=58,4 mВ

I_оэ3=I_ок3+I_об3=0,05+0,4m=0,05 А

I_mэ3=I_оэ3*ε_i3=0,05*0,8=0,04 А

U_mэ3=I_mэ3*R_э13=0,04*1,973m=0,079 mВ

U_mб3=U_mбэ3+U_mэ3=58,4m+0,079m=58,479 mВ

R_э3=U_оэ3/I_оэ3=3/0,05=60 В

R_э23=R_э3-R_э13=60-1,973m=59,998 В

Определим стабильность рабочей точки каскада при изменении температуры окружающей среды от 0 до +40 С. Главными факторами, влияющими на изменение режима, являются нестабильность коэффициента передачи по току транзистора β₃ и напряжения перехода база-эмиттер U_бэ3.

ΔI_ок3=ΔI_окβ3+ΔI_окUбэ3, где

ΔI_окβ3=I_ок3*δβ₃*(R_д3+R_тр3+R_э3)/(R_д3+R_тр3+(β₃+1)R_э3)

ΔI_окUбэ3=0,0022*ΔТ*β₃/(R_д3+R_тр3+(β₃+1)R_э3),

где δβ₃=0,5*ΔТ=0,5*40=0,2%

Определим составляющие погрешности:

ΔI_окβ3=0,05*0,2*(1,189к+182,5+60)/(1,189к+182,5+60(125+1))=1,603 mА

ΔI_окUбэ3=0,0022*40*125/(1,189к+182,5+60(125+1))=1,232 mА

Тогда абсолютная погрешность

ΔI_ок3=1,603m+1,232m=2,835 mА

Определим относительную  погрешность по постоянному току:

δI_ок3=ΔI_ок3/I_ок3=2,835m/0,05=0,0567=5,67%

Рассчитаем нестабильность

δК_u3=δβ₃(R_тр3+R_э3)/(R_тр3+(β₃+1)R_э3)

δК_u3=0,2(182,5+60)/(182,5+(125+1)60)=0,0063=0,63%

 

 

 

 

4.2 Расчет второго каскада усилителя

Для второго каскада сопротивление  на нагрузке R_н2 будет равно R_вх23=158,397 Ом выходного каскада, а U_mн2=U_mб3=58,4 mВ. Тогда

I_mн2=U_mн2/R_н2=58,4m/158,397=0,369 mА

Возьмем R_к2=2R_н2=316,794 Ом. Тогда

R_экв2=R_к2*R_н2/(R_к2+R_н2)=316,794*158,397/(316,794+158,397)=105,598 Ом

I_mк2=U_mн2/R_экв2=58,4m/105,598=0,553 mА

Возьмем εi₂=0,2.

I_ок2=I_mк2/εi₂=0,553m/0,2=2,765 mА

U_mк2=I_mк2*R_к2=0,553m*316,794=0,175 В

U_oRк2=I_oк2*R_к2=2,765m*316,794=0,876 В

Напряжение питания Ек возьмем равным 12В

U_oк2=Е_к-U_oRк2=12-0,876=11,124 В

При токе I_ок2=2,765 mА   β₂ будет равен 140.

I_об2=I_ок2/β₂=2,765m/140=19,75 мкА

Примем U_оэ2 равным 3 В, тогда

U_об2=U_оэ2+0,7=3+0,7=3,7 В

I_д2=5*I_об2=5*19,75мк=0,099 mА

R₁₂=(E_к-U_об2)/(I_д2+I_об2)=(12-3,7)/(0,099m+19,75мк)=69,74 кОм

R₂₂=U_об2/I_д2=3,7/0,099m=37,37 кОм

Возьмем К_u2=15.

R_тр2=φ_t/I_об2=0,025/19,75мк=1265,8 Ом

Так как R_э12=0 Ом, то R_вх12=R_тр2

А₂=R_вх12/R_тр2=1265,8/1265,8=1

R_д2=R₁₂*R₂₂/(R₁₂+R₂₂)=69,74к*37,37к/(69,74к+37,37к)=24,33 кОм

R_вх22=R_д2*R_вх12/(R_д2+R_вх12)=24,33к*1265,8/(24,33к+1265,8)=1203,2 Ом

I_mб2=I_об2*ε_i2=19,75мк*0,2=3,95 мкА

U_mбэ2=I_mб2*R_тр2=3,95мк*1265,8=5 mВ

I_оэ2=I_ок2+I_об2=2,765m+19,75мк=2,785 mА

I_mэ2=I_оэ2*ε_i2=2,785m*0,2=0,557 mА

U_mэ2=I_mэ2*R_э12=0,557m*0=0 В

U_mб2=U_mбэ2+U_mэ2=U_mбэ2=5 mВ

R_э2=U_оэ2/I_оэ2=3/2,785m=1077 Ом

Определим стабильность каскада по постоянному току

ΔI_окβ2=I_ок2*δβ₂*(R_д2+R_тр2+R_э2)/(R_д2+R_тр2+(β₂+1)R_э2)

ΔI_окβ2=2,765m*0,2(24,33к+1265,8+1077)/(24,33к+1265,8+(140+1)1077)=83,121 мкА

ΔI_окUбэ2=0,0022*ΔТ*β₂/(R_д2+R_тр2+(β₂+1)R_э2)

ΔI_окUбэ2=0,0022*40*140/(24,33к+1265,8+(140+1)1077)=69,427 мкА

Тогда абсолютная погрешность

ΔI_ок2=ΔI_окβ2+ΔI_окUбэ2=83,121мк+69,427мк=0,153 mА

Рассчитаем относительную погрешность

δI_ок2=ΔI_ок2/I_ок2=0,153m/2,769m=0,055=5,5%

Рассчитаем нестабильность

δК_u2=δβ₂(R_тр2+R_э2)/(R_тр2+(β₂+1)R_э2)

δК_u2=0,2(1265,8+1077)/(1265,8+1077(140+1))=0,003=0,3%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Расчет входного каскада усилителя

Для входного каскада сопротивление  на нагрузке R_н1 будет равно R_вх22=1203,2 Ом второго каскада, а U_mн1=U_mб2=5 mВ. Тогда

I_mн1=U_mн1/R_н1=5m/1203,2=4,16 мкА

Возьмем R_к1=R_н1/2=601,6 Ом. Тогда

R_экв1=R_к1*R_н1/(R_к1+R_н1)=601,6*1203,2/(601,6+1203,2)=401,067 Ом

I_mк1=U_mн1/R_экв1=5m/401,067=12,47 мкА

Возьмем εi₁=0,017.

I_ок1=I_mк1/εi₁=12,47мк/0,017=0,734 mА

U_mк1=I_mк1*R_к1=12,47мк*601,6=7,5 mВ

U_oRк1=I_oк1*R_к1=0,734m*601,6=0,442 В

Напряжение питания Ек возьмем равным 12В

U_oк1=Е_к-U_oRк1=12-0,442=11,558 В

При токе I_ок1=0,734 mА   β₁ будет равен 142.