Кафедра электрофизики информационных систем

Кафедра электрофизики информационных систем

Курсовая работа

ЛИНЕЙНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛА ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Выполнил
Студент	Наполов Александр Сергеевич
Группа	А-12-11
Дата

Принял
Преподаватель	Кобяк Александр Трофимович
Оценка
Дата

Содержание

1. Задание на проектирование и исходные данные ……………... 2. Обоснование и расчет элементов усилительного каскада …… 2.1. Принципиальная схема усилительного каскада ……… 2.2. Характеристики транзистора и обоснование выбора рабочей точки ………………………………………………... 2.3. Расчёт резисторов ………………………………………. 2.4. Графический расчёт усилительного каскада …………. 2.5. Расчет конденсаторов...…………………………………. 3. Перечень элементов (спецификация) …………………………... 4. Моделирование усилительного каскада на ЭВМ ……………... 4.1. Схема моделирования ………………………………….. 4.2. Статический анализ схемы …………………………….. 4.3. Частотные характеристики усилителя ………………… 4.4. Амплитудная характеристика усилителя ……………... 4.5. Выводы …………………………………………………... 5. Сводные данные………………………………………………….. 6. Список использованной литературы …………………………...

1. Задание на проектирование и исходные данные

Рассчитать элементы схемы однокаскадного усилителя, удовлетворяющего указанным техническим требованиям:

1. Усилительный каскад выполнить по схеме ОЭ;

2. Рекомендуемый тип транзистора 2N2604;

3. Амплитуда неискаженного выходного сигнала не менее 3.6 В

4. Коэффициент усиления напряжения при заданном сопротивлении нагрузки R_н =3000 Ом и внутреннем сопротивлении источника сигнала R_г =100 Ом не менее 8;

5. Усилитель при заданной емкости нагрузки C_н= 500 пФ должен обеспечить полосу пропускания f_н …f_в не хуже (500Гц, 20КГц);

6. Температурный диапазон для всех вариантов: -40° С... +60° С.

Вычисление схемы по номеру по журналу

Выбор транзистора:

Выбор схемы:

Выбор минимальной амплитуды неискаженного сигнала

Выбор коэффициента усиления напряжения, внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки

Выбор полосы пропускания

Обоснование и расчёт элементов усилительного каскада

Принципиальная схема усилительного каскада

Рис. 1 Принципиальная схема усилительного каскада

Характеристики транзистора и обоснование выбора рабочей точки

Рис. 2 Входная вольтамперная характеристика (ВАХ) транзистора 2N2604

Рис. 3 Выходная вольтамперная характеристика (ВАХ) транзистора 2N2604

Справочные данные на транзистор

- Статический коэффициент передачи тока .

- Граничная частота коэффициента передачи тока МГц.

- Предельно допустимый ток коллектора мА.

- Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база В.

- Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база В.

- Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер В.

- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора мВт.

- Емкость коллекторного перехода пФ.
- Предельная температура PN перехода

По входной и выходной ВАХ определяем, что

Запас напряжения, связанный с нелинейностью выходных вольт-амперных характеристик .

Запас для ухода рабочей точки из-за термонестабильности .

Амплитуда неискаженного выходного сигнала В.

;

Запас по выходной амплитуде напряжения

+ Округляем до значения из номинального ряда и получаем, что

Далее, ищем ток коллектора в рабочей точке исходя из следующего неравенства: ,

Где тепловой ток, а => выберем =12 мА

Графическое обоснование выбора рабочей точки и источника питания

Рис. 4 Нагрузочная прямая, построенная на выходной вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора 2N2604

Как видно из рис. 4 нагрузочная прямая находится вдалеке от начала координат, и не выходит за пределы, установленные прямыми мА, и кривой

Следовательно, выбор рабочей точки и напряжения источника питания имеет смысл.

Расчёт резисторов

Найдём сопротивление выходной части каскада по постоянному току:

Выберем из номинала

Найдём сопротивление выходной части каскада по переменному току:

Исходя из рассчитанных данных, построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному токам: а также отметим на графике область работы транзистора по допустимой мощности.

Рис 5 Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

По графику видно, что нагрузочные прямые лежат ниже линии допустимой мощности: то есть транзистор в данном режиме не выйдет из строя вследствие перегрева. Пределы измерения токов лежат ниже допустимого значения тока 30 мА. Максимально возможное напряжение ограничено напряжением источника питания и не превышает 20 В.

Расчёт

I_к = I_к1 + I_к2, где

I_к1 = / – уход р. т. из-за влияния температуры. Считается, что нормальная температура, для которой ведется расчет, равна 20⁰С, разброс температуры задан в ТЗ, а ξ = (1…2) мВ/◦ С,

I_к2 = – уход р.т. из-за технологического разброса параметра ,

где ∆ β = β _max – β или ∆ β =β – β _min, = , а I_А – значение тока коллектора.

Используя эти уравнения, можно найти , а через нее R_б. Далее используем следующие известные соотношения:

R_б = R₁|| R₂,

= U_бэ + I_э R_э = 0.7 + ( ) I_бА R_э,

= E_п – I_бА R_б = E_п – I_бА R_б

и находим величину R₁, а через нее R₂.

Отсюда получаем (выбрав из ряда Е24),

Проверим: обеспечивают ли выбранные значения сопротивлений необходимый режим работы транзистора

С учетом падения напряжения на эмиттерном переходе, равном 0.7 В находим ток базы

Тогда коллекторный ток равен

Полученные параметры совпадают с заданными нами в начале расчета, значит значения сопротивлений выбраны нами верно.

Рис. 6 Схема каскада по постоянному току

Для p-n-p транзистора (E_п < 0) при правильно выбранных направлениях токов рабочую точку можно найти из следующей системы уравнений:

R_б = R₁ || R₂,

R_см = R_б + R_э (1+ ),

E_см = E_п ,

– E_см= – U_бэ + I_б R_см,

I_к = I_б

– E_п= – U_кэ + I_к R₌

В результате получили следующие значения

Как видно, значения рабочих точек, полученных в этом пункте и пункте 2.2 примерно идентичны и можно говорить о правильности хода решения задачи.

Рис. 10 Определение h-параметров по выходной характеристике

Рис. 11 Определение h-параметров по входной характеристике

Рис. 12 Схема замещения усилительного каскада по переменному току

, K_e₀ = K_u_ХХ∙ ∙ , , , R_ВЫХ ≈ R_К, , можно записать:

= .

Находим, что

Округлим их до значений из ряда Е24:

Найдем коэффициент усиления напряжения, входное и выходное сопротивление вновь, по выше приведённым формулам, из-за уточнения значения

Полученный коэффициент усиления превосходит минимальный коэффициент усиления, заданный в условии, что соответствует техническому заданию.

Расчет конденсаторов

Произведем расчет емкостей разделительных и шунтирующего конденсаторов.

0.32 мс

Примем:

0.96 мс

Тогда получаем:

нФ

Округлим до соответствующих значений из рядов Е12 и Е6

Проверим, превысит ли значение верхней границы полосы пропускания значение, требуемое по условию .

Отсюда получим

Как мы видим, получившаяся частота много больше заданной по условию, следовательно, расчет произведен, верно.

Схема моделирования

Рис. 13 Схема моделирования

Статический анализ схемы

Рис. 14 Анализ схемы по постоянному току

	Ручной расчет	Расчет на ЭВМ
Ik, мА	11.36 мА	11.10мА
Uкэ, В	9.2В	9.875 В
Iб, мА	0.16мА	0.148мА

Как видно, результаты ручного расчета примерно совпадают с результатами расчета на ЭВМ.

Рис. 15 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Kuxx, дБ	fn, Гц	fв, кГц
	28.247

Рис. 16 Зависимость входного сопротивления от частоты

	Ручной Расчет	Эксперимент
Rвх, Ом

Рис. 17 Семейство амплитудно-частотных характеристик

R, Ом
Ku	6.8	8.3	8.9	9.3	9.5	9.7	9.8	9.9

Рис. 18 Зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки

Выходное сопротивление найдём по следующей формуле:

	Ручной расчет	Эксперимент
Rвых, Ом

4.4. Амплитудная характеристика усилителя

Подадим на вход синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц и амплитудой Um=100мВ.

Рис. 19 Сравнение входного и выходного сигналов

Определим коэффициент усиления Кг и сравним с расчетом

	Ручной расчет	Расчет на ЭВМ
Ku	8.87

Будем постепенно увеличивать амплитуду входного сигнала до 1В

Рис. 20 Семейство входных и выходных синусоидальных сигналов

Составим таблицу изменения выходного сигнала от входного сигнала.

Eг(мВ)
Un(В)+	0.9	2.8	4.6	6.4	8.1	8.9	8.9	8.9	8.9	8.9	8.9
Un(В)-	-0.9	-2.55	-4.2	-5.2	-5.2	-5.2	-5.2	-5.2	-5.2	-5.2	-5.2

Рис. 21 Амплитудная характеристика

4.5. Выводы

В качестве выводов представим сводную таблицу, демонстрирующую правильность выполнения расчетов.

	Iба, мА	Iка, мА	Uкэ, В	Ke	fн, Гц	fв, кГц	Rвх, Ом	Rвых, Ом
Техническое задание	*	*	*				*	*
Ручной расчет	0.160	11.36	9.2	8.87	*
Design Lab	0.148	11.10	9.875		28.247

Как мы видим из таблицы, техническое задание является выполненным. На рис 14 видно, что токи и напряжения приближенно соответствуют рассчитанным. Рис 15 иллюстрирует полосу пропускания усилителя, верхнюю и нижнюю границу полосы пропускания удовлетворяют техническому заданию. Коэффициент усиления превышает требуемый. Как мы видим, техническое задание является выполненным.

Список использованной литературы

1. А. Т. Кобяк, Н. Р. Новикова, В. И. Паротькин, А. А. Титов. Применение системы Design Lab 8.0 в курсах ТОЭ и Электроники. Москва, Издательство МЭИ, 2001 год.

2. Вольтамперные характеристики транзисторов. http: //efis.mpei.ru/efis/