Проектирование и расчет усилителей

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

 

 

 

гр. 313016

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовой работе

 

Проектирование и расчет усилителей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил   Принял

Фамилия И. О.   Фамилия И. О.

 

 

 

 

 

 

2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Целью курсовой работы являлось закрепление на практике изученных теоретических положений курса «Cхемотехника аналоговых и цифровых устройств», расчет и моделирование заданных схем.

В первом разделе курсовой работы раскрывается понятие электронного усилителя, приводится принцип его работы, рассматриваются различные типы электронных усилителей и их параметры и характеристики.

Во втором разделе рассматриваются различные виды обратных связей в усилителях и результаты из воздействия на работу электронных схем.

Третий раздел посвящен описанию и анализу электронных усилителей на основе биполярных транзисторов. В этом разделе также проводится сравнительный анализ параметров усилителей с различным включением транзисторов в схемах, рассматриваются вопросы температурной стабилизации.

В четвертом разделе анализируется состав, параметры, характеристики операционных усилителей.

В пятом разделе выполнен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с техническим заданием.

В шестом разделе выполнен расчет усилителя низкой частоты на основе операционного усилителя.

В седьмом разделе выполнен расчет параллельного сумматора на операционном усилителе.

В восьмом разделе представлены результаты моделирования схем, рассчитанных в предыдущих разделах.

1 ПОНЯТИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

Электронный усилитель [1,2,4,7] позволяет преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы. Эффект увеличения мощности возможен при наличии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которого используется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источник энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называется источником питания.

Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи усилительных, или активных элементов. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь усилителя, к которой нагрузка подключена, – выходной цепью, или выходом усилителя. Источник входного сигнала, который нужно усилить, называется источником сигнала, или входным источником или генератором, а цепь усилителя, в которую вводят входной сигнал, называется входной цепью, или входом усилителя.

Любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента.

Обобщенная структурная схема усилительного устройства приведена на рисунке 1.1. Для обеспечения усиления сигнала усилитель (У), последовательно с которым соединен источник питания Еп, должен включать в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U1. К входной (управляющей) цепи усилителя подключен источник ЕС усиливаемого сигнала (при этом Zc – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к выходной – нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.

Рисунок 1.1 – Обобщенная структурная схема усилительного устройства

 

Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.п.

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

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности.

В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Ниже будут приведены необходимые соотношения, характеризующие усиление напряжения, тока и мощности.

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

Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы.

Усилители постоянного тока [4] (УПТ) предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от низшей частоты fн, равной нулю, до верхней рабочей частоты fв усилителя, составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

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. Для усилителей низкой частоты [1,4] (УНЧ) справедливо неравенство fв – fн >> fн. Частотный спектр (УНЧ) лежит в пределах от десятков герц до десятков (сотен) килогерц.

По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные усилители, усиливающие электрические сигналы в узкой полосе частот fв/fн < 1,1. За пределами этой полосы усиление резко падает. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить (или подавить) заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей одного или нескольких колебательных (резонансных) контуров. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными, или полосовыми.

Широкополосные усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Во многих случаях усиленные сигналы воспроизводятся на экране электронно-лучевой трубки и регистрируются визуально. Поэтому часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители с успехом используются также в устройствах автоматики, и вычислительной техники.

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. Широко применявшиеся ранее усилительные лампы в разработке новой усилительной аппаратуры практически не используются. Значительно реже, чем транзисторы и интегральные схемы, применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов.

Важнейшими техническими показателями усилителя [1,2,4,6,7] являются коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности); входное и выходное сопротивления; выходная мощность; коэффициент полезного действия; номинальное входное напряжение (чувствительность); диапазон усиливаемых частот; динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех; показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.

Кобщ = К1 К2…. . Кn.

(1.1)

 

Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (1.1), представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен

KP [дБ] = 10 lg (P2/P1) = 10 lg KP.

(1.2)

Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты.

Выходная мощность усилителя может быть определена по формуле

Pвых = Uвых2 / Rн.

(1.3)

Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, так как при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счет нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается.

КПД усилителя можно определить по следующей формуле:

η = Pвых / Pист.

(1.4)

Уровень собственных шумов [4] состоит из следующих составляющих: тепловые шумы при нагревании сопротивлений, емкостей; шумы усилительных элементов; шум за счет пульсаций источника питания.

Искажения усилителя возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов. Искажения проходят за счет появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих и характеризуются коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник).

Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость амплитуды (действующего значения) выходного напряжения усилителя от амплитуды (действующего значения) его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – АХ усилителя

 

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость модуля коэффициента усиления К усилителя от частоты входного сигнала f (либо от круговой частоты w = 2 p f).

Примерный вид частотной характеристики изображен на рисунке 13.

 

Рисунок 1.3 – АЧХ и ФЧХ усилителя

 

Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты входного сигнала. Типичный вид фазовой характеристики показан на рисунке 1.3.

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТНОЙ  СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

 

Обратной связью [4, 7, 9] называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход. Разработка в 1927 году принципов обратной связи (ОС) позволило резко изменить важнейшие параметры усилителей , поэтому в настоящее время ОС является неотъемлемой частью любого высококачественного усилителя.

Рисунок 2.1 - Структура обратной связи

 

В общем виде структурная схема усилителя с обратной связью представлена на рисунке 2.1. Напряжение с выхода усилителя, имеющего коэффициент усиления К, подается на вход звена обратной связи. Выходное напряжение звена обратной связи подается на вход усилителя, где алгебраически суммируется со входным напряжением. В результате реальное напряжение на входе усилителя составляет величину:

U1 = Uвх ± Uос

Отсюда коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью:

Кс = Uвых/Uвх = К/(1 ± Кγ)

Выражение в знаменателе "1 ± Кγ" называется глубиной обратной связи и показывает во сколько раз изменяется коэффициент усиления под влиянием ОС.

Знак "+" соответствует отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления усилителя. Особенностью ООС является то, что при больших К значение К >> 1 и выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью принимает вид:

Кс »1/γ

т.е. определяется только свойствами звена обратной связи. Это свойство обратной связи часто используется в многочисленных схемах аналоговой электроники.

Знак " – " указывает на наличие в усилителе положительной обратной связи (ПОС). Нетрудно увидеть, что при этом происходит увеличение коэффициента усиления.