Исследование усилителя напряжения низкой частоты с RC-связями

Факультет Вычислительной техники

Кафедра Автоматизации и управления

 

 

 

 

 

Исследование  усилителя напряжения

  низкой частоты с RC-связями

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Электроника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Разработка  УНЧ…………………………………………………………..6

1.1. Анализ исходных данных и  выбор транзистора…………………….6

1.2. Анализ характеристик и параметров  транзистора, выбор режима его  работы и расчет УНЧ с ОЭ  по постоянному току…………………...9

1.3. Расчет схемы УНЧ  по переменному току…………………………...12

1.4. Расширение частотного диапазона  УНЧ (коррекция АЧХ)……...14

1.5. Проектирование УНЧ  с ОБ…………………………………………...16

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ  НА ПЭВМ………………………………….18

2.1. Общая характеристика задания  на моделирование………………18

2.2. Подготовка схемы и входного  файла………………………………..18

2.3. Результаты моделирования…………………………………………...21

2.3.1. Схема  УНЧ с общим эмиттером…………………………………..21

2.3.2. Схема  УНЧ с ОЭ с корректирующим R_ФC_Ф-фильтром………….23

2.3.3. Схема УНЧ с общей базой………………………………………...24

2.4. Описание распечаток и выводы……………………………………..26

Приложение 1……………………………………………………………..26

Приложение 2……….…………………………………………………….27

Приложение 3……………………...……………………………………...28

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на  курсовую работу

 

 

Фамилия студента  

 Вариант №  22

 

Рассчитать  и исследовать усилитель напряжения низкой частоты с RC-связями. Исходные данные: сопротивление нагрузки R_Н; действующие значения входного и выходного напряжений U_вх и U_вых; полоса частот F_Н – F_В; температура окружающей среды Т_ОКР и напряжение источника питания схемы Е_К.

 

Исходные данные:

 

R_Н = 50 Ом;

U_вхm = 30 мВ;

U_выхm = 140 мВ;

F_Н = 100 Гц;

F_В = 50000 Гц;

Т_ОКР = 283 К;

Е_К = 15 В.

 

Введение

 

Электронные усилители низкой частоты (УНЧ)  предназначены  для усиления сигналов переменного  тока, частоты которых лежат в  интервале от низкой частоты F_Н до какой-то частоты F_В. Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.

Особенности УНЧ, требования к их показателям  во многом определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем большинстве случаев  носит комплексный характер, являясь  электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УНЧ  определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.

Круг  требований к УНЧ с довольно широкой  полосой рабочих частот  связан, в основном, с интервалом рабочих  частот, в пределах которого полезный сигнал должен усиливаться с допустимыми  частотными и нелинейными искажениями. УНЧ с узкой или фиксированной  рабочей частотой  предназначены, в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазо-частотной характеристикой. Однако отмеченные особенности УНЧ не исключают общего подхода к проектированию.

Рассмотренные усилители характеризуются различными конструктивными и энергетическими  показателями. К первым можно отнести  вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока. Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току, мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких показателях УНЧ можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены специальные меры стабилизации, то его коэффициент усиления может измениться в широких пределах из-за большого технического разброса параметров транзистора.

Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую  верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном каскаде использован  мощный транзистор. Вместе  комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных  характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений  на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного  элемента определяют низкое входное  и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

Для оценки возможности использования таких  транзисторных усилителей сопоставим основные параметры с требованиями, которые к ним часто предъявляются. Усилитель связан входной цепью  с источником сигнала, не допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по току. Это заставляет искать пути увеличения входного сопротивления  транзистора в десятки, сотни  и тысячи раз. Входная цепь усилителя  передает усиленный сигнал в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку либо от источника  тока (внутреннее сопротивление усилителя  стремиться к бесконечности), либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление  усилителя близко к нулю). Иначе  говоря, одной из практических задач  при проектировании усилителя является изменения его входного сопротивления. Требования повышения точности работы системы в различных климатических  устройствах вынуждают стабилизировать  коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования предъявляются  к частотным искажениям, а в  усилителях системы автоматики, управляющих  двигателями переменного тока, к  уменьшению фазового сдвига. Обычно, без  специальных мер, транзисторные  усилители не удовлетворяют этим требованиям.

Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных  электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении  свойств УНЧ. Эти задачи усложняются  требованиями сохранения работоспособности  Усилителя в широком температурном  диапазоне окружающей среды и  значительным техническим разбросам  параметров транзисторов.

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов – сначала  ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

В последние  годы быстрыми темпами развивается  оптоэлектроника, представляющая радел  науки и техники, объединяющей как  оптические, так и электронные  явления, с созданием на этой основе различных приборов, схем и систем. В частности, все шире используется волоконно-оптические системы связи, в состав которых входят и усилительные устройства. Заметную роль в развитии технического прогресса вообще и  усилительной техники в частности  сыграло создание ЭВМ. Машинное проектирование электронных схем, в том числе  и электронных усилителей, представляет собой сравнительно новую область  науки и техники – схемотехническое проектирование.

Первоначально ЭВМ использовали для нахождения оптимальных результатов работы усилительных элементов, основных параметров и характеристик, в частности  амплитудо-частотных характеристик и фазо-частотных характеристик. Впоследствии с помощью ЭВМ стали решаться задачи синтеза, в том числе и корректирующих LCR-элементов в цепях межкаскадных связей, в цепях обратной связи, а также в частотно формирующих цепях на входе и выходе усилителя.

С широким применением  интегральных схем машинное проектирование микроэлектронных устройств приняло форму системы автоматизированного проектирования.

Классификация усилителей

 

Деление на типы осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых  частот, виду используемых активных элементов.

1) По  своему назначению усилители  условно делятся на усилители  напряжения, усилители тока и  усилители мощности. Если основное  требование – усиление входного  напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относится  к усилителям напряжения. Если  основное требование – усиление  входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят  к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения  и усилителях тока одновременно  происходит усиление мощности  сигнала (иначе вместо усилителя  достаточно было бы применить  трансформатор). В усилителях мощности  в отличие от усилителей напряжения  и тока требуется обеспечить  в нагрузке заданный или максимально  возможный уровень сигнала. 

2) В зависимости  от характера входного сигнала  различают усилители гармонических  (непрерывных) сигналов и усилители  импульсных сигналов. К первой  группе относятся устройства  для усиления непрерывных гармонических  сигналов или квазигармонических  сигналов, гармонические составляющие  которых изменяются много медленнее  всех нестационарных процессов  в цепях усилителя. Ко второй  группе усилителей относятся  устройства для усиления импульсов  различной формы и амплитуды  с допустимыми искажениями их  форм. В этих усилителях входной  сигнал изменяется настолько  быстро, что процесс установления  колебаний является определяющим  при нахождении формы сигнала.

3) Полоса  и абсолютные значения усиливаемых  частот позволяют разделить усилители  на следующие типы:

Усилители постоянного тока предназначены  для усиления электрических колебаний  в пределах от нижней частоты, равной нулю, до верхней рабочей частоты  усилителя. Главным является то, что  они усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.

Усилители переменного тока предназначены  для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости  от граничных значений рабочего диапазона  частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты. По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные усилители.

4) По роду применяемых  активных элементов усилители  делятся на транзисторные, магнитные,  диодные, ламповые, параметрические  и др.

В качестве активных элементов  в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы. Значительно реже применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные  типы полупроводниковых диодов.

 

1. Разработка УНЧ

 

1.1. Анализ исходных  данных и выбор

транзистора

 

Выбор транзистора осуществляется на основании оценки его коэффициента передачи тока базы , предельной частоты и значения (э.д.с. источника питания коллекторной цепи транзистора). Методика оценки (приближенного определения) h_21Э заключается в следующем. Известно, что коэффициент усиления УНЧ с ОЭ по напряжению равен:

где  – входное сопротивление транзистора по схеме с ОЭ, причем , а значение находится в границах от 100 до 1000 Ом.

670

 

Рис.1 –  Электрические принципиальные схемы  УНЧ с ОЭ а) и с ОБ б)

Рис.2 –  Определение режима покоя транзистора  по его входной а) и выходной б) характеристикам. На рисунках в) и г) приведены эпюры коллекторного  тока и напряжения при гармоническом  входном сигнале

 

С другой стороны, коэффициент усиления равен отношению и , отсюда находим:

Подставив в выражение (1) значения , , , взятые из технического задания, и примерное значение , находят оценку параметра .

62,5

Требуемая предельная частота коэффициента передачи тока транзисторов рассчитывается по формуле:

77688,7 , где

 – верхняя граница рабочего  диапазона УНЧ;

 – коэффициент частотных  искажений на верхних частотах (ВЧ).

Используя полученные значения и значение в задании, выбирают в справочнике на ППП подходящий транзистор, у которого определяют и , причем должно быть больше . Кроме того, также должно быть больше . Данным транзистором является транзистор КТ312Б.