Файл: Расчёт трёхкаскадного усилителя.rtf

Минобр науки России

Юго-Западный государственный университет
Кафедра электроснабжения

КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Электроника»

на тему: «Расчёт трёхкаскадного усилителя»
Направление подготоовки(специальность) Электроснабжение
Автор работы(проекта) Анненков А.В. Гр-Эс-14з
Руководитель работы Филонович А.В. ___________________
Работа защищена _______________________

Оценка____________
Члены комиссии ____________________________________________
___________________________________________________________

Курск 2023

1. 
   
   
2. 
   Аннотация
   

В данной курсовой работе производится расчет напряжения питания, параметров элементов, коэффициент передач усилителя электрических сигналов, выбор марки транзисторов, моделирование устройства в системе схемотехнического моделирования Electronics Workbench, при этом исследовав амплитудно-частотную характеристику, коэффициенты усиления, форму выходного сигнала. Ввод и расчет частотозадающих цепей для получения заданного частотного диапазона.

Анализ был проведен для средних частот, лежащих в полосе пропускания усилителя. В этом случае мы можем пренебречь паразитными параметрами элементов.

Содержание
Введение

1. Описание и анализ схемы

2. Расчет усилителя по постоянному току

3. Расчет усилителя по переменному току

3.1 Расчет коэффициентов усилителя

3.2 Расчет разделительных и блокировочных конденсаторов

4. Моделирование усилителя в системе Electronics Workbench

4.1 Измерение коэффициента усиления

4.2 АЧХ и ФЧХ усилителя

Заключение

Список литературы

Введение

В промышленной электронике очень часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов, например, при измерениях неэлектрических величин электрическими методами, контроле и автоматизации технических процессов. Для решения этих задач используют электронные усилители - устройства, которые служат для усиления напряжения, тока или мощности слабых электрических сигналов.

В настоящее время в усилителях широко применяют транзисторы, которые заменили электронные лампы.

---

Усилители могут быть классифицированы по ряду признаков: по роду усилительных элементов (ламповые, транзисторные); по роду усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности); по числу каскадов (одно-, двух - и многокаскадные). Один из наиболее важных признаков является диапазон частот усиливаемых сигналов, в котором усилитель обеспечивает нормальную работу. По данному признаку различают следующие типы усилителей:

) Усилители низкой частоты (УНЧ), которые служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

2) Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

) Избирательные усилители, характеризующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

) Импульсные, или широкополосные, усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и используют в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

Обратной связью в усилителях называется такая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии полезного усиленного сигнала с его выхода подается на вход.

Обратную связь можно применить специально для повышения стабильности в работе усилителя, и тогда она является полезной. Однако когда обратная связь возникает в результате взаимного влияния различных цепей, она может оказаться паразитной.

Различают положительную и отрицательную обратные связи. Положительную обратную связь, как правило, применяют в генераторных каскадах. В усилителях положительная обратная связь обычно является паразитной, а отрицательная применяется довольно часто.

Каскады усилителя бывают с Общим Эмиттером, Общим Коллектором, Общей Базой.
Таблица 1

Сравним характеристики усилительных каскадов:

Показатели	Общим Эмиттером	Общим Коллектором	Общей Базой
Rвх	среднее	большое	малое
Rвых	среднее	малое	большое
KU	среднее	≤1	большое
KI	среднее	большое	≤1
∆φ	1800	0	0

---

Наиболее распространенной является схема с Общим Эмиттером, она обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению, среднее значение входного и выходного сопротивлений позволяют создавать многокаскадные усилители, т.к. при этом обеспечивается согласование выходного сопротивления предшествующего каскада, с входным сопротивлением последующего каскада.

Каскад с Общим Коллектором обладает главным достоинством большим входным сопротивлением, и малым выходным. И по этому он используется на входе усилителей.

Каскад с Общей Базой используется весьма редко, когда нагрузка имеет очень большое сопротивление, у схемы с Общей Базой наилучшее частотные свойства.

Для того чтобы не потерять напряжение сигнала при передаче сигнала от предшествующего сигнала к последующему между входным и выходным сопротивлением должно выполняться следующее соотношение R_вых1<< R_вх2 это можно подтвердить (рис. 1):


Рис. 1. Эквивалентная схема
Входное сопротивление источника сигнала часто бывает большим, поэтому входной каскад строится по схеме с Общим Коллектором, Промежуточные каскады обычно строится по схеме Общим Эмиттером, это обеспечивает усиление по напряжению, току и облегчает согласование сопротивлений. Сопротивление нагрузки усилителя обычно не велико, и поэтому на выходе также ставится каскад с общим коллектором (рис. 2).
усилитель транзистор передача сигнал



Рис. 2. Каскад с общим коллектором на выходе
Для того чтобы понять, как работают усилители, следует рассмотреть работу усилителей на конкретном примере.

1. Описание и анализ схемы

Усилитель (рис. 3) с апериодическими резистивными каскадами по схеме с общим эмиттером. В каскадах с общим эмиттером входные и выходные сигналы противофазные.


Рис. 3. Схема усилителя.
В приведенной схеме элементы выполняют следующие функции:

R_{н -} полезная нагрузка усилителя.

R₃, R₅, R₉ - нагрузки транзисторов.

R₁, R_6,

---

R_{7 -} являются резистивными делителями, стабилизирующими напряжение смещения на базах транзисторов, т.е. эти резисторы задают режим работы транзистора.

R_{1 -} создает также отрицательную обратную связь, обеспечивая дополнительную стабилизацию.

R₂, R₄, R_{8 -} элементы эмиттерной стабилизации, они обеспечивают стабилизацию режима работы по постоянному току, создают отрицательную обратную связь.

С₁, С₂, С₃ - разделительные конденсаторы. Они разделяют постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая тока источника сигнала проходит через С₁ и попадает на базу транзистора VT1. Постоянное напряжение смещения на базе транзистора не может пройти через этот конденсатор, поэтому при подключении источника сигнала на вход усилителя режим работы транзистора по постоянному току не нарушается. Выходной сигнал с коллектора VT3 через конденсатор С₃ поступает в нагрузку, но постоянное напряжение с коллектора в нагрузку не поступает т.к. этому препятствует С₃. Благодаря этому также не нарушается режим работы транзистора. Выходной сигнал с коллектора VT2 проходит через конденсатор С₂ и поступает на базу транзистора VT3. Постоянное напряжение смещения на базе транзисторов не может пройти через конденсатор.

С_{4 -} блокировочный конденсатор. Он нейтрализует действие отрицательной обратной связи, создаваемыми резисторами R₉. Переменная составляющая тока эмиттера протекает через С₄. Если С₄ имеет большую емкость, то переменная составляющая замыкается через него на общую шину и по переменному току отрицательная обратная связь отсутствует.

2. Расчет усилителя по постоянному току

Исходные данные:

Сопротивление нагрузки: R_н=10 кОм

Напряжение выходного сигнала (эффективное значение): U_вых= 1В

Диапазон рабочих частот: ∆f= 100…10000Гц.

Коэффициент усиления по напряжению: K_U = 1000.

С учетом напряжения насыщения и запаса по напряжению, напряжение питания равно:
U_n >=2√2U_{вых эф}+ U_кэнас+ U_зап= 2.82В+1В+4.18В=8В
U_кэнас находим по (граф. 1):

---

Граф. 1.
В режиме класса А постоянное напряжение на выходе транзистора равно половине U_n
Uк₃= Uп/2=4 В
Рассчитываем ток
R₉= Rн/4=2500 Ом

Iк₃= Uк₃/ R₉=4/2500=0,0016м А
Выбираем транзистор VT3:

Условия:
U_КЭmax>U_n

I_Кmax >0,0016А
По справочнику выбираем KT 201Б

Коэффициент передачи по току равен h_21Э=30-150

В дальнейших расчетах будем использовать значение h_21Э=100

R₈ предназначен для эмиттерной стабилизации, он создает отрицательную обратную связь по постоянному току.
R₈=R₉/10=2500/10=250 Ом
Рассчитываем ток базы транзистора VT3:
I_Б3= I_Э3/h_21Э=0,0016/100=0,016мА

U_Б3=U_БЭ3+U_K3=U_БЭ3+I_Э3*R₈=U_БЭ3+I_K3+R₈=0,4+0,0016*250=0,8В
U_БЭ3 находим по (граф.2):


Граф. 2.
Резисторы R₆ и R₇ задают начальное смещение на базе транзистора VT3. Ток, протекающий через R₆, существенно больше тока базы VT3.
I_R6>> I_Б3 или I_R6= 10*I_Б3=10*0,000016=0,16м А

R₆= U_R6/I_R6= (U_n-U_БЭ3) /I_R6= (8-0,8) /0,00016= 45кОм₇=R₆/10 =4,5кОм_VT3=h_21Э* (R₉*R_H) /R₉+R_H=25000*10000*100/ (2500+10000) =714286Oм_ВХ3=R₆ || R₇ || R_VT3=45*4,5*714,3/ (45+4,5+714,3) =189кОм

Переходим к расчету каскада на втором транзисторе:

U_K2=U_n/2=8/2=4В

R₅=R_ВХ3/10=189000/10=18900 Ом

R₄=R₅/10=18900/10=18900 Ом
Определяем режимы работы транзистора VT2.
I_К2= (U_n-U_k2) /R₅= (8-4) /18900=0,2мА
Выбор транзистора VT2.

Условия:
U_КЭmax>U_n, I_Кmax >0,2мА
По справочнику выбираем KT 201Б

Коэффициент передачи по току равен h_21Э=30-150

В дальнейших расчетах будем использовать значение h_21Э=100

R_n предназначен для эмиттерной стабилизации, он создает отрицательную обратную связь по постоянному току
I_Б2=I_K2/h_21Э=0,0002/100=0,002мА

U_Б2=U_БЭ2+U_Э2=U_БЭ2+I_Э2*R₄=U_БЭ2+I_K2*R₄=0,4+0,0002*1890=0,78В
U_БЭ2 находим по графику 2.
R_VT2=h_21Э*R_5*R_VT3/ (R₅+R_VT3) =100*18900*714300/ (18900+714300) =1841,3кОм
Переходим к расчету каскада на первом транзисторе:
U_К1=U_Б2

I_К2>>I_Б2

I_К2=10*I_Б2=10*0.002=0,02мА

R_ВХ2=1841,3кОм

R₃= (U_n-U_К1) / (I_К1

---