Введение

Усилительные устройства находят применение в самых различных областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов и систем. Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов. Появление новых полупроводниковых приборов и технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов, резисторов в одно устройство – интегральную микросхему.

Курсовой проект посвящен разработке и расчету RC-усилителей систем передачи информации.

В первом разделе выполнен предварительный расчет по постоянному току, а в частности, расчет цепей питания фотодиода, расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе первого каска, предварительный расчет по постоянному току второго и третьего каскадов на биполярных транзисторах, сделана проверка расчета на компьютере.

Во втором разделе выполнен расчет усилителя на переменном токе: составлены эквивалентные схемы RC-усилителей систем передачи информации в программе Fastmean, построены амплитудно-частотные характеристики, сделан расчет сопротивлений передачи и определены величины емкостей для обеспечения требуемой полосы рабочих частот по техническому заданию.

В графической части выполнен чертеж схемы электрической принципиальной для спроектированного усилителя на листе формата А3 с перечнем элементом на листах формата А4, выполненные по требованиям ЕСКД и ГОСТов.
1 Исходные данные для проектирования
Проектное задание представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать многокаскадный усилитель на транзисторах.

1. Данные для проектирования:

Параметры транзистора предварительного каскада заданы в таблице 1, параметры транзисторов последующих каскадов заданы в таблице 2, параметры источника сигнала заданы в таблице 3.

Таблица 1

№ п/п	Параметр	Описание параметра	КП307Б
	Iс нач	Начальный ток стока	10 мА
	Smax	Крутизна характеристики полевого транзистора максимальная	15 мА/В
	Uотс	Напряжение отсечки	-2,5 В
	Сзи	Входная емкость полевого транзистора	5 пФ
	Cзс	Проходная емкость полевого транзистора	1,5 пФ

---

Таблица 2

№ п/п	Параметр	Описание параметра	КТ316В
	Iк max	Максимально допустимый постоянный ток коллектора	30 мА
	Uкэ max	Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер при сопротивлении в цепи база-эмиттер	15 В
	Pк max	Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора	150 мВт
	h21э	Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером	40…120
	fгр	Граничная частота коэффициента передачи тока	800 МГц
	Ск	Емкость коллекторного перехода	3 пФ
	τк	Постоянная времени цепи коллектора	150 пс

Таблица 3

№ п/п	Параметр	Описание параметра	ФДК-227
	Uраб	Рабочее напряжение	10В
	Iтем	Темновой ток	0,1мкА
	I1	Фототок	1мкА

Таблица 4

Тип ОУ	Частота единичного усиления f1	Коэффициент усиления ОУ
ОРА655	400 МГц	55 дБ

- выходное напряжение U_2Н=2,2 В;

- напряжение источника питания Е₀=10 В;

- рабочий диапазон частот f_н√2=20 кГц, f_в√2=2 МГц;

- конденсаторы С1-С8=1 мкФ;

- ток источника сигнала I₁=1 мкА;

- сопротивление внешней нагрузки R_2Н=3 кОм.
2. Описание принципиальной схемы многокаскадного усилителя.

---

Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 1. Усилитель состоит из предварительных каскадов и основного усилителя. Источником сигнала является ток фотодиода – V1. Даже когда свет падает на фотодиод V1, его внутреннее сопротивление при фототоке I_m1=1мкА остаётся большим. Вследствие этого источник сигнала является генератором тока. Элементы С1,R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е₀).



Рисунок 1 – Принципиальная схема усилителя
3. Расчет элементов схемы по постоянному току.

3.1. Предварительный расчет резисторов фотодиода V1.

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рисунке 2.



Рисунок 2 – Принципиальная схема цепей питания фотодиода и его ВАХ
Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения U_ак уменьшает проходную емкость фотодиода.

Выберем напряжение анод-катод фотодиода U_ак = 5 В, |U_ак|0раб. Тогда на резисторах (R1+R2) должно быть падение напряжения, равное E₀-U_ак =5 В. Задав напряжение на аноде:

(1.1)

определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде:

(1.2)

Теперь, зная фототок I₁, вычислим сопротивление резисторов R1 и R2 по формулам:

(1.3)

(1.4)









Сопротивление фотодиода постоянному току в точке А (рисунок 2) определим по формуле:

(1.5)



_{Данное сопротивление не будет учитываться в эквивалентной модели фотодиода по переменному сигналу, так как при переменному сигнале рабочая точка будет смещаться вдоль нагрузочной линии и сопротивление фотодиода будет изменяться.}

Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираем из номинального ряда (таблица 5).

Таблица 5

Класс точности	Шкала номинальных значений сопротивлений и емкостей
5%	10	11	12	13	15	16	18	20	22	24	27	30	33	36	39	43	47	51	56	62	68	75	82	91
10%	10		12		15		18		22		27		33		39		47		56		68		82

3.2. Предварительный расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе

Принципиальная схема предварительного каскада представлена на рисунке 3.


Рисунок 3 – Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом
Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: тока стока начального I_{c нач}, крутизны максимальной S_max и напряжения отсечки U_отс.

Выберем напряжение затвор-исток U_зи= -1,0В, U_зи ≤ U_отс/2. Тогда ток стока и крутизну вычислим по формулам:

(1.6)

(1.7)





Выберем напряжение на истоке U_и = 0,2E₀, а напряжение сток-исток U_си = E₀/2. Тогда напряжение на стоке равно:

(1.8)



Напряжение на затворе:

(1.9)



Вычислим сопротивления резисторов. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4). Так как частота верхнего среза входной цепи f_вх√2 должна быть больше f_в√2, а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью:

(1.10)

где С_д – проходная емкость диода;

С_вх – входная емкость транзистора V2, определяется по формуле:

(1.11)

С_м– емкость монтажа.

Рассчитаем сопротивление R4, исходя из заданной верхней частоты f_в√2 :

(1.12)

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16)













3.3. Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютера

Правильность расчетов сопротивлений после их выбора по номинальному ряду удобно проверить с помощью компьютера [5, 6]. Составим эквивалентную схему каскада на полевом транзисторе (рисунок 4) и с помощью программы FASTMEAN произведем расчет.
Таблица 6

Iс нач	Uзи	Uотс	Ic
10	0	-2,5	10,00
10	-0,5	-2,5	6,40
10	-1	-2,5	3,60
10	-1,5	-2,5	1,60
10	-2	-2,5	0,40
10	-2,5	-2,5	0,00

Рисунок 4 – Исследование каскада на полевом транзисторе
С помощью команды “Анализ по постоянному току“ вычислим токи через резисторы и напряжения в узлах. В таблицу 7 вносим все результаты без учета знака.

Таблица 7 – Результаты расчетов

№п/п	Транзистор V2
Токи и напряжения	Uзи	Uси	IД2	IИ
Единицы измерения	В	В	мкА	мА
Расчет предварительный	-1	5,0	233	3,6
Расчет компьютерный	-1,0069	5,071	230,9	3,572

Результаты совпадают с большой точностью (менее 5%). Можно считать, что расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.
3.4.Расчет каскадов по постоянному току на биполярных транзисторах V3 и V4.

Принципиальная схема каскадов V3 и V4 на биполярных транзисторах представлена на рисунке 5.



Рисунок 5 – Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току
Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.

Выберем ток покоя транзистора V4 I_к4 = 1,5 мА ≤ 6 мА. Так как переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше, чем переменный ток коллектора V4, выбираем постоянный коллекторный ток I_к3 = 0,5 мА ≤ I_к4. Напряжение коллектор-эмиттер V4 U_кэ,4=E₀/2=5 В и напряжение на эмиттере V4 U_э4=0,1E₀=1 В, можно определить напряжение U_б4 по формуле:

(1.17)

где U_бэ=0,7 В для кремниевых транзисторов.

Напряжение на базе V3 определим по формуле:

(1.18)

Напряжение на коллекторе V4:

(1.19)







Вычислим сопротивления резисторов и токов в схеме. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4).

(1.20)

(1.21)

(1.22)

(1.23)

(1.24)

(1.25)

(1.26)















Ток делителя выберем:



Тогда:

(1.27)

(1.28)




3.5. Расчёт по постоянному току в схеме на ОУ.

Этот расчёт сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны они должны обеспечить «среднюю точку» напряжения питания Е₀/2 на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого рекомендуется выбирать R12 = R13= 10 R10.


3.6. Проверка расчета на компьютере.

Правильность расчетов сопротивлений удобно проверить с помощью компьютера. С этой целью для схемы (рисунок 4) составляем эквивалентную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ. В программе Fastmean набираем эквивалентную схему (рисунок 6). Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. При расчете используем сопротивления резисторов, выбранные ранее по номинальному ряду.

Сопротивления R6 и R7 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 по постоянному току.







Рисунок 6 – Эквивалентная схема усилительного каскада по постоянному току в программе Fastmean


Рисунок 7 – Результаты расчета на ПК
Сравним результаты расчетов и заполним таблицу 8.

Таблица 8

№п/п	Транзистор V3				Транзистор V4
Токи и напряжения	Uб3	Uэ3	IД3	Iэ3	Uэ4	Uк4	Iк4
Единицы измерения	В	В	мА	мА	В	В	мА
Расчет предварительный	2,4	1,7	0,072	0,5072	1	6	1,5
Расчет компьютерный	2,3	1,6	0,0698	0,485	0,954	6,27	1,38

Результаты совпадают с большой точностью (менее 5%). Можно считать, что расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.
4. Расчет усилителя на переменном токе.

4.1. Расчет коэффициента усиления по току K_i(f) в режиме малого сигнала.

Расчет проведем при помощи программы Fastmean. Для этого составим полную эквивалентную схему усилителя на переменном токе (для всех диапазонов частот). На первом этапе выводы источника питания Е₀ на эквивалентной схеме можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить, так как его сопротивление переменному току равно нулю. После этого верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом и эквивалентную схему удобно изобразить в виде, показанном на рисунке 8. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом.


Рисунок 8 – Предварительная схема усилителя на переменном токе
На втором этапе элементы схемы V1, V2, V3 и V4 заменяются их эквивалентными моделями на переменном токе. Транзисторы заменяются активными четырехполюсниками в виде ИТУН и ИТУТ (рисунок 9). Минусы перед показателями передаточных функций отражают поворот фазы сигнала. В схеме ИТУН сопротивление r_зи велико и учитывать его нет необходимости. В схеме ИТУТ необходимо учитывать внутренние емкости: емкости переходов база-эмиттер С_б’э и база-коллектор С_к.

(2.1)

Существенную роль играют сопротивления переходов база-эмиттер r_б’э и сопротивления базового слоя (объёмное сопротивление базы) r_б’б, определим их по формулам:

(2.2)

(2.3)

Входное сопротивление биполярного транзистора на переменном токе определяется формулой:

(2.4)



Рисунок 9 – Эквивалентные модели полевого и биполярного транзисторов для переменного тока.
Сопротивление фотодиода на переменном токе r_д оказывается намного выше, чем на постоянном R_д, поскольку также определяется касательной к характеристике в точке покоя А, но характеристика в фотодиодном режиме пологая (рисунок 2). Практически всегда можно считать, что сопротивление на переменном токе r_д бесконечно велико и на эквивалентной схеме не показывать.

Элементы, R16-R19 не являются резисторами, как показано на рисунке 9, они отражают эквивалентные сопротивления: внешней нагрузки (R12), собственные сопротивления базового слоя r_б'б (R13, R15) и сопротивления перехода база-эмиттер r_б'э (R14,R16). Рассчитаем их:







Рассчитаем емкости в схеме:





К этому моменту остаются неизвестными значения резисторов R₁₄ и R₁₅, поскольку не определён коэффициент усиления каскада на ОУ
K_F = U₂₁/U₁₃. Напряжение U₂₁ = U_2Н = 2,2 В. Напряжение U₁₃ следует определить, активировав клавишу «переходный процесс», установив предварительно в источнике сигнала ток I_m1 = 1 мкА и среднюю частоту заданного диапазона, по нашему варианту, . Следует помнить, что в этом случае компьютер покажет амплитуду сигнала U_13m. Тогда искомый коэффициент усиления будет K_F = 1,41×U_2Н/U_13m.

Полученный результат для нашей схемы для определения амплитуды сигнала U_13m представлен на рисунке 10.

Таким образом, U_13m = 2,98 В требуемый коэффициент усиления будет K_F = 1,41×U_2Н/U_13m = 1,41×2,2/2,98 = 1,04.



Рисунок 10 – Переходной процесс амплитуды сигнала U_13m
Для реализации этого усиления воспользуемся зависимостью коэффициента усиления в неинвертирующем включении ОУ К_F = 1 + R₁₅/R₁₄.

Рекомендуется предварительно выбирать R₁₅ = (R₁₂ǁR₁₃), и затем вычислить R₁₄.

Выбираем R₁₂ = R₁₃ = 27 кОм. Тогда R₁₅ = (R₁₂ǁR₁₃) = 27×27/(27+27) = 13,5 кОм.

К_F = 1 + R₁₅/R₁₄ Þ R₁₅/R₁₄ = К_F - 1 Þ R₁₄ = R₁₅/(К_F - 1).

R₁₄ = R₁₅/(К_F - 1) = 13500/(1,04- 1) = 329754 Ом.

Из номинального ряда выбираем в качестве R₁₄ = 330 кОм.

Макромодель ОУ показана на рисунке 11. Она содержит два операционных усилителя ОУ₁ и ОУ₂.



Рисунок 11 - Макромодель ОУ с двухчастотной коррекцией
Первый обеспечивает дифференциальный вход устройства с бесконечно большим входным сопротивлением, второй – нулевое выходное сопротивление и служит буфером между моделью ОУ и внешними цепями (в первую очередь цепями ОС). Частотные свойства исследуемого ОУ учитываются двумя ИТУН с соответствующими RC – элементами. Следует отметить, что использование ИТУН дает более простую модель, чем использование ИТУТ, отображающего реально действующие в ОУ биполярные транзисторы.

По ТЗ дано: ОУ ОРА655, коэффициент усиления 55 дБ, частота единичного усиления f₁ = 400 МГц.

Коэффициент усиления в разах

В/В.

Частота первого полюса



Частота второго полюса .

Переходим к модели. Здесь можно выделить четыре узла. Первый узел (ОУ 1) задает собственный коэффициент усиления моделируемого ОУ ОРА655 (K_U = 562).

Второй узел (ИТУН1) отражает полюс функции передачи, создаваемый дифференциальным каскадом. Крутизна S₁ = –1 мСм и R₃ = 1 кОм дают коэффициент усиления этого узла K₂ = S₁×R₃ = –1, частоту полюса определяет постоянная времени τ₁ = R₃×C₁, из условия f_p1 = 1/2×π×τ₁. Полгая, что в этом узле формируется первый полюс АЧХ с частотной коррекцией f_p1 = 711 кГц, получим C₁ = 1/2×π×R×f_p1 =1/6,28×10³×711×10³ » 223 пФ.

Узел третий (ИТУН2) выполняет аналогичную функцию. В этом узле формируется полюс f_p2, так же при коэффициенте усиления K₂ = S₁×R₃ = –1. Для частоты второго полюса f_р2 = 400 МГц получаем емкость C₂ = 0,4 пФ. Знак минус перед крутизной в обоих случаях отражает поворот фазы в ДК и каскаде усиления напряжения (ОЭ).

Четвертый узел (ОУ₂) моделирует оконечный каскад, построенный по схеме с общим коллектором, он характеризуется коэффициентом усиления равным 1 и не поворачивает фазу сигнала, поэтому заземлен инвертирующий вход.

Полная схема, созданная в программе Fastmean, приведена на рисунке 12. На выходе в качестве нагрузки использовано сопротивление величиной 3 кОм. На рисунке 13 представлен график переходной процесс для определения амплитуды сигнала U_2Н.

Рисунок 12 – Полная эквивалентная схема по переменному току



Рисунок 13 – Переходной процесс для определения амплитуды сигнала U_2Н
Видно, что амплитуда на выходе составляет 3,10 В, что соответствует действующему значению 3,10 /1,41 = 2,2 В, что соответствует техническому заданию (выходное напряжение по ТЗ U_2H = 2,2 В.)
4.2. Построение амплитудно-частотной характеристики

Используя программу Fastmean, получаем частотную характеристику сопротивления передачи R_(f)=U(21)/I1. Для этого в диалоговом окне производим необходимые изменения. Устанавливаем на обеих осях логарифмические масштабы и убираем db из отношения U(21)/I1.

Для удобства определения полосы пропускания уменьшим частотный диапазон характеристики сопротивления передачи (рисунок 14). Граничные частоты находим по уровню 0,707 по отношению к значению на средних частотах. Из рисунка 14 следует, что нижняя граничная частота оказывается ниже указанной в техническом задании (f=9,13 кГц < 20 кГц), а верхняя граничная частота меньше заданной (f=1,78 МГц < 2 МГц).


Рисунок 14 – Характеристика сопротивления передачи с уменьшенным частотным диапазоном
Для выполнения технических условий в области верхних частот необходимо уменьшить усиление транзистора V4 введением отрицательной обратной связи, т.е. введением в его эмиттер резистора R11’ по сигналу. При этом для сохранения режима работы транзистора V4 на постоянном токе общее сопротивление в эмиттерной цепи сохраним прежним R11=R11’+R11”. Резистор R11” зашунтирован конденсатором С5 и на характеристики усилителя в области верхних частот влияния не оказывает.

Также применим высокочастотную эмиттерную коррекцию С18=1,1нФ. Получили полосу пропускания от 3,02 кГц до 6,75 МГц. Требования выполнены.



Рисунок 15 – Характеристика сопротивления передачи с уменьшенным частотным диапазоном

На рисунке 16 представлен график переходного процесса для определения амплитуды сигнала U_2Н после введения ООС.

Получили U_13m = 0,68 В требуемый коэффициент усиления будет K_F = 1,41×U_2Н/U_13m = 1,41×2,2/0,68 = 4,56.


Рисунок 16 – Переходной процесс амплитуды сигнала U_13m
Для реализации этого усиления воспользуемся зависимостью коэффициента усиления в неинвертирующем включении ОУ К_F = 1 + R₁₅/R₁₄.

Рекомендуется предварительно выбирать R₁₅ = (R₁₂ǁR₁₃), и затем вычислить R₁₄.

Выбираем R₁₂ = R₁₃ = 27 кОм. Тогда R₁₅ = (R₁₂ǁR₁₃) = 27×27/(27+27) = 13,5 кОм.

К_F = 1 + R₁₅/R₁₄ Þ R₁₅/R₁₄ = К_F - 1 Þ R₁₄ = R₁₅/(К_F - 1).

R₁₄ = R₁₅/(К_F - 1) = 13500/(4,56- 1) = 3790 Ом.

Из номинального ряда выбираем в качестве R₁₄ = 3,9 кОм.
На рисунке 17 представлен график переходной процесс для определения амплитуды сигнала U_2Н. после коррекции резистора R14.


Рисунок 17 – Переходной процесс амплитуды сигнала U_21m
Видно, что амплитуда на выходе составляет 3,02 В, что соответствует действующему значению 3,02 /1,41 = 2,14 В, что соответствует техническому заданию (выходное напряжение по ТЗ U_2H = 2,2 В.)



Рисунок 18 – Полная эквивалентная схема по переменному току

Далее представлена принципиальная схема усилителя и перечень элементов.





Литература

1. 
   Алексеев А.Г., Климова П.В. К расчету резисторных каскадов. Методические указания. 2009. www.viso.ru
   
2. 
   Гальперин М.В. Введение в схемотехнику – М.: Энергоиздат, 1982
   
3. 
   Масленников М.Ю., Соболев Е.А., Соколов Г.В., Соловейчик Л.Ф., Переверзева А.В., Федотов Б.А. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база.
   
4. 
   Ровдо А.А. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах
   
5. 
   Справочник по электрическим конденсаторам Под общей ред. Четверткова И.И. и Смирнова В.Ф.—М.: Радио и связь,--1983.
   
6. 
   Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981
   

---

Смотрите также файлы

• Работа Администратора во фгис Моя школа Единая точка доступа.pdf

• Чему будет равна переменная mean age a.pdf

• Хлеб блокадного Ленинграда.docx

• Состояние ЗавершеныЗавершен Понедельник, 5 июня 2023, 21 47Прошло времени.pdf

• ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления.pdf