дизайн с использованием операционного усилителя (BJT) транзистор

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте был произведен расчет высокочастотного усилителя гармонических колебаний с использованием транзисторов КТ368А,Б., КТ3168А9. Для питания усилителя используется блок питания с напряжением 15 В. Также в работе был произведен расчет усилителя с аналогичными параметрами на ИМС ОУ OPA846.
В ходе ее выполнения проекта был глубоко изучен и проработан материал по аналоговой схемотехнике. Были рассмотрены различные варианты построения усилителей мощности и получены практические навыки по их разработке на основе предъявляемых требований.
Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет требова-нию технического задания.








...

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 5
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 12
3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ 13
3.1 Определение числа каскадов 13
3.2 Распределение искажений по каскадам 14
4 РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА 16
4.1 Выбор транзистора 16
4.2 Расчет требуемого режима транзистора 17
4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора 18
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации 19
4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада 21
5 РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ 23
5.1 Расчет промежуточного каскада 23
5.2 Расчет требуемого режима транзистора 24
5.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора 25
5.4 Расчет цепей питания и термостабилизации 26
5.5 Расчет основных характеристик выходного каскада 28
6 РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА 30
6.1 Выбор транзистора 30
6.2 Расчет требуемого режима транзистора 31
6.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора 32
6.4 Расчет цепей питания и термостабилизации 32
6.5 Расчет основных характеристик входного каскада 33
7 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ В ОБЛАСТИ НИЖНИХ ЧАСТОТ 36
8 ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ 38
9. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ. 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 43

 

ВВЕДЕНИЕ

Усилители гармонических сигналов (УГС) нашли обширное применение. В особенности обширно они используются в радиотехнических устройства, в системах автоматики, в устройствах экспериментальной физики, в измерительных устройствах. Для широкополосных усилителей используют особые транзисторы, имеющие высшую граничную частоту. Такие транзисторы именуются высокочастотными.
В каскадах широкополосных усилителей обычно используются биполярные и полевые транзисторы, а также, на современном этапе развития, операционные усилители и интегральные микросхемы..
В данной курсовой работе стоит цель проектирования широкопо-лосного усилителя на транзисторах и микросхемах с заданными техническими показателями.
Основное требование к ШУ – обеспечение равномерного усиления сигнала в широком диапазоне ча стот с заданным коэффициентом усиления. Для создания ШУ необходимо применять высокочастотные усилительные приборы, принимая при этом специальные меры по расширению (коррекции) полосы пропускания. Значения напряжения и мощности на выходе усилителя также могут изменятся в очень широких пределах: напряжение от десяти до сотен вольт, а мощность - от нескольких милливатт до сотен ватт и киловатт. Для увеличения мощности и напряжения первичного источника низкочастотного сигнала до необходимого значения во многих случаях приходится применять ряд ступеней (каскадов) усиления.
 

Усиление каскада по напряжению на транзисторах VT5, VT7 определяется соотношением сопротивлений резисторов R23 и R21, R24 и R22. Предоконечный каскад на транзисторах VT10, VT11, включенных по схеме ОК, работает в режиме А.Выходной каскад на транзисторах VT12, VT13 работает в режиме АВ. Транзисторы VT8 и VT9 защищают выходной каскад от короткого замыкания в нагрузке. Температурную стабилизацию тока покоя выходного каскада и его значение обеспечивает транзистор VT6, установленный на общий с VT12 и VT13 теплоотвод. Подстроечным резистором R20 регулируют начальный ток смещения оконечных транзисторов.Усилитель охвачен цепью ООС с элементами С9, R17, R28. Соотношение между сопротивлениями резисторов R17 и R28 определяет усиление узла. В цепь питания включены резистивно-емкостные цепи С2, R2 и R3, СЗ, предотвращающие паразитные колебания на индуктивностях питающих шин. Конденсатор С6 ограничивает полосу пропускания усилителя (частотой 100 кГц), а вместе с резистором R4 и скорость нарастания сигналов, подаваемых на вход усилителя.2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕТема курсового проекта: Разработка усилителя гармонических сигналов. Исходные данныеВыходное напряжение – Коэффициент усиления Нижняя частота – Верхняя частота – Источник сигнала Выходная нагрузка Искажения выходного сигналалинейные – нелинейные – Источник питания – 15 В3. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ3.1 Определение числа каскадовДля многокаскадного усилителя (рис.3.1). 0000 . (3.1) где K - коэффициент усиления усилителя;Для усилителей высокой частоты следует учитывать полярность входного, выходного сигналов и способ включения усилительного элемента. При часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) число каскадов должно быть четным при одинаковой полярности входного и выходного сигналов, нечетным - при разной.Рассчитаем количество каскадов: (3.2)где N – количество каскадов.К - общий коэффициент усиления.Кi – коэффициент усиления i-го каскада.Рассчитаем коэффициент усиления каскадов, считая их идентичными: (3.3)Таким образом число каскадов усиления равно 3. Коэффициент усиления каждого каскада равен K=20 дБ.3.2 Распределение искажений по каскадамДля многокаскадного УВЧ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:, (3.4)где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ; М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.Суммирование в выражении (3.4) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R,R и С (см. рис.3.1).Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:, (3.5)где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ; М - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ; N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.Уровнем частотных искажений по заданию Мв=0.99, Мн=0,99. Распределим частотные искажения по каскадам: (3.6)где Nк=3 –число каскадов усилителя.Находим величину ав: (3.7)Все каскады усилителя, строим по типовой схеме резисторного каскада с частотнонезависимой ООС. Тогда общее число разделительных и блокировочных конденсаторов составит NС=7: (3.8)Находим величину ан: (3.9)В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас по основным характеристикам УУ в 1,2-1,5 раза.4 РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА4.1 Выбор транзистораВыбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров: граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ; предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер; предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе).Если УВЧ предназначен для усиления однополярного сигнала, то из энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности, n-p-n - для отрицательной. Обычно при U=(1...5)В и R=(50...150)ом для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней мощности типа КТ610 и т.п.Для выходного каскада выберем транзистор серии КТ3168А9. данный транзистор полностью удовлетворяет предъявленным требованиям и достаточно широко распространен. Его характеристики представлены ниже:Предельное напряжение коллектор-эмиттер ; Предельный постоянный ток коллектора ;Емкость коллекторного перехода Предельная рассеиваемая мощность коллектора ;Статический коэффициент передачи тока ;граничная частота коэффициента передачи тока 4.2 Расчет требуемого режима транзистораСхема оконечного каскада приведена на рис.4.1.Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:R=(2...3)R=3·15=45 кОмЗадаемся падением напряжения на на R+ RОпределяем эквивалентное сопротивление нагрузки:Рис. 4.1 – Схема выходного каскадаОпределяем требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке для однополярных сигналов с большой скважностью (Q10) (рис.4.2):.Рис. 4.2Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке. Рекомендуется учесть для U необходимый запас на термонестабильность (обычно не более 10...15%). ,где U - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, U=(1...2)В.Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе: не превышает предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.Требуемое значение напряжения источника питания Е:, (4.2)где U - падение напряжения на R , U= 1,5 ВНапряжение источника питания не превышает U данного транзистора и соответствует рекомендованному ряду: Е=( 9; 10; 12; 15)B.4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора176784030480000Эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис.4.3.Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом: ,где - постоянная времени цепи обратной связи в транзисторе на ВЧ; =25,6/10=2,5 ом, r =(0,5…1,5) =1 ом;Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными и режимом работы.По параметрам эквивалентной схемы БТ Рассчитаем его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны : ,.4.4 Расчет цепей питания и термостабилизацииНаиболее широкое распространение получила схема эмиттерной термостабилизации (см. рис.4.1). Проведем расчет этой схемы.Рассчитаем потенциал в точке а : ,где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, =(0,6...0,9)В (для кремниевых транзисторов).Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R : ,где - ток базы в рабочей точке, .Рассчитаем номиналы резисторов R, R и R : ,,Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданномдиапазоне температуры окружающей среды. Рассчитаем приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик: ,где - приращение напряжения , равное:||=3·14,4=43,2 мВ,где - 3мВ/град - температурный коэффициент напряжения (ТКН), - разность между температурой коллекторного перехода и справочным значением этой температуры : ,где и соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:Ориентировочное значение теплового сопротивления лежит в следующих пределах:.Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:,где приращение обратного тока равно:,где - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов =0,13.Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:,где , отн. ед./град.Общий уход коллекторного тока транзистора определяется следующим выражением:,где учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые, например, для эмиттерной схемы термостабилизации равны:,.Здесь - параллельное соединение резисторов и .4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада Рассчитаем коэффициент усиления каскада в области средних частот: , (4.3)где - значение крутизны транзистора в рабочей точке.Входное сопротивление каскадагде - входное сопротивление транзистора с ОЭ, , (4.5) - сопротивление базового делителя; Входная динамическая емкость каскада5 РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ5.1 Расчет промежуточного каскадаПри выборе типа транзистора предварительных каскадов следует использовать рекомендации, приведенные в подразделе 4.1.Оценим значение :где - максимальное выходное напряжение следующего каскада; - коэффициент усиления следующего каскада. Рис. 5.1 –Схема промежуточного каскада Нагрузкой промежуточных каскадов являются входное сопротивление и входная динамическая емкость следующего каскада.Схема промежуточного каскада с ОЭ приведена на рисунке 5.1.5.2 Расчет требуемого режима транзистораВыбор транзистора для промежуточного каскада осуществим с учетом следующих предельных параметров: граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ; предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер; предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе).Для промежуточного каскада выберем транзистор серии КТ368А,Б. данный транзистор полностью удовлетворяет предъявленным требованиям и достаточно широко распространен. Его характеристики представлены ниже:Предельное напряжение коллектор-эмиттер ; Предельное напряжение коллектор-база ;Предельный постоянный ток коллектора ;Емкость коллекторного перехода Предельная рассеиваемая мощность коллектора ;Статический коэффициент передачи тока ;граничная частота коэффициента передачи тока Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:R=(2...3)R=2·370=740 омЗадаемся падением напряжения на на RОпределяем эквивалентное сопротивление нагрузки:При выборе р.т. будем ориентироваться на режим транзистора, при котором приводятся его основные справочные данные..Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке. ,где U - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, U=(1...2)В.Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе: не превышает предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.Требуемое значение напряжения источника питания Е:, (5.2)где U - падение напряжения на R , U=IR =5·10-3·740=3,7 В5.3 Расчет эквивалентных параметров транзистораПараметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом: ,где - постоянная времени цепи обратной связи в транзисторе на ВЧ; =25,6/5 =5 ом, r =(0,5…1,5) =1 ом;По параметрам эквивалентной схемы БТ Рассчитаем его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны : ,.5.4 Расчет цепей питания и термостабилизацииРассчитаем потенциал в точке а : ,где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, =(0,6...0,9)В (для кремниевых транзисторов).Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R : ,где - ток базы в рабочей точке, .Рассчитаем номиналы резисторов R, R и R : ,,Рассчитаем приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик: ,где - приращение напряжения , равное:||=3·5,5=16 мВ,где - 3мВ/град - температурный коэффициент напряжения (ТКН), - разность между температурой коллекторного перехода и справочным значением этой температуры : ,где и соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:Ориентировочное значение теплового сопротивления:.Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:,где приращение обратного тока равно:,где - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов =0,13.Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:,где , отн. ед./град.Общий уход коллекторного тока транзистора:,,.Здесь - параллельное соединение резисторов и .5.5 Расчет основных характеристик выходного каскада Рассчитаем коэффициент усиления каскада в области средних частот: ,где - значение крутизны транзистора в рабочей точке.Рассчитаем ожидаемое значение постоянной (5.3)где - емкость, нагружающая каскад Входное сопротивление каскадагде - входное сопротивление транзистора с ОЭ, , (5.4) - сопротивление базового делителя; входную динамическую емкость каскадаЧтобы питать все каскады усилителя от одного источника питания, промежуточные каскады подключим их к нему через фильтрующую цепь , служащую, кроме того, для устранения паразитной ОС через источник питания.При параллельном включении фильтрующей цепи ее номиналы определяются из следующих соотношений:где напряжение источника питания оконечного каскада, 6 Расчет входного каскадаМетодика расчета входного каскада не отличается от методик расчета других каскадов. Отдельно только внимание нужно будет уделить обеспечению согласования входного сопротивления каскада с сопротивлением источника.6.1 Выбор транзистораДля входного каскада выберем транзистор серии КТ368А,Б. Данный транзистор полностью удовлетворяет предъявленным требованиям и достаточно широко распространен. 6.2 Расчет требуемого режима транзистораЗадаемся сопротивлением в цепи коллектора:R=(2...