32

Министерство образования и науки,

молодежи и спорта Украины

Севастопольский национальный технический университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому проектированию по дисциплине

"Электроника и микросхемотехника"

для студентов

направления - ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

всех форм обучения

Расчет электронного усилителя

Севастополь

2011

УДК 621.3.01

M 545

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Электроника и микросхемотехника» для студентов направления – «Электромеханика» всех форм обучения / разраб. Ж.Ю. Слепушкина, С.Н. Монарцик, Р.И. Ушаков – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011. – Расчет электронного усилителя. - 32 с.

Цель методических указаний: оказать помощь студентам в подготовке, выполнении курсового проекта и самостоятельной проработки соответствующей части курса по дисциплине «Электроника и микросхемотехника»

Методические указания утверждены на заседании кафедры "Судовые и промышленные электромеханические системы", протокол № 10 от 17 июня 2011 г.

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний

Рецензент: к.т.н., доцент каф. СПЭМС Конева С.А.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………….…………….……..…………….. 4

Общие требования к оформлению курсового проекта ……..…….………….… 4

Требования к защите курсового проекта ………………………..……………… 5

1 Общие теоретические положения …………………….……….……………… 6

2 Расчет каскада усилителя низкой частоты ………………..…….…….…….. 13

с реостатно-емкостной связью

3 Выбор схемы питания электронного усилителя ……..………………..……. 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………. 30

Библиографический список ………………………………….………………… 31

Введение

На занятиях по курсовому проектированию закрепляются теоретические сведения по курсу «Электроника и микросхемотехника», а также приобретаются практические навыки расчета и определения параметров электронных усилителей, выбора элементов схем и т.д.

Перед началом работы над проектом необходимо ознакомиться с содержанием выданного задания, проработать основные теоретические понятия и термины, изучить методику расчета. Для более продуктивной работы необходимо иметь представление об ожидаемых результатах: знать качественно характер основных зависимостей и диапазон предполагаемых расчетных параметров. Дополнительные сведенья для выполнения курсового проекта, особенности расчета, литература для самостоятельного изучения и т.д. даются преподавателем на предварительной консультации.

Маркировка, тип, материал и технология изготовления элементов расчетной принципиальной электрической схемы определяются по справочнику.

Общие требования к оформлению курсового проекта

Законченный курсовой проект должен содержать расчетно-пояснитель-ную записку, представленную на листах формата А4, а также графический материал (принципиальная схема усилителя и источника питания), выполненные аккуратно, в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ.

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту может быть выполнена рукописным или машинописным способом. Она должна содержать цель работы, расчетную принципиальную электрическую схему, результаты расчетов с необходимыми пояснениями и ссылками, графики необходимых для расчета зависимостей, выводы по результатам работы. Таблицы и графики должны содержать сведения о типе исследуемых приборов и об условиях расчета. Графики выполняются на миллиметровой бумаге либо машинным способом с обязательной отметкой расчетных точек. Масштаб по осям графика выбирается таким, чтобы можно было четко судить о количественном характере изменения функций. При невозможности выполнения этого требования во всем диапазоне измеряемых величин соответствующие участки функции должны строиться отдельно в увеличенном масштабе.

Выводы в конце проекта должны кратко отражать основные результаты работы и их практическую ценность.

Требования к защите курсовых работ

К защите предъявляются курсовые проекты, выполненные в соответствии с указанными выше требованиями.

Во время защиты студент должен уметь объяснить принцип действия устройства, рассчитанного в курсовом проекте, знать основные теоретические соотношения между электрическими параметрами, физическими и конструктивными характеристиками усилителя, дать физическую интерпретацию результатов расчетов.

Оформление расчетно-пояснительной записки и графического материала к курсовому проекту, а также теоретическая подготовка осуществляются в отведенное, для самостоятельной работы время.

1 Общие теоретические положения

В современной технике широко применяются устройства, предназначенные для управления электроэнергией, в которых управляемая мощность значительно превышает мощность, требуемую для управления. К одной из разновидностей таких устройств принадлежат усилители. В зависимости от вида управляемой и управляющей энергии различают: механические, гидравлические, пневматические, электрические и магнитные усилители. Большое распространение получили электрические усилители, в частности, электронные усилители. Они обладают большой универсальностью и рядом таких показателей и характеристик, которые позволяют применять их во многих областях науки и техники.

Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током, а, следовательно, и мощностью, поступающим от источника питания в нагрузку. Нагрузкой называют устройство, к которому подводят усиленные электрические колебания. Устройство, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называют источником питания. Наиболее часто в качестве источника используют источники постоянного напряжения.

Обобщенная схема включения усилителя изображена на рисунке 1.

Источниками сигналов могут быть различные преобразователи неэлектрических величин в электрические: микрофоны, пьезоэлементы, термоэлектрические и другие виды датчиков. Частота и форма напряжения или тока этих источников может быть любой, например, импульсной, гармонической и др.

Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные и сигнальные устройства, осветительные приборы и др. Характер нагрузки может существенным образом влиять на работу усилителя.

Рисунок 1 -Обобщенная схема включения усилителя

Классификация усилителей. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые и полупроводниковые. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь), и через трансформатор (трансформаторная связь) [1, 5, 8].

Основные характеристики усилителей. Все характеристики усилителей можно разделись на три группы: входные, выходные и передаточные [1, 5, 8]. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала. Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т.е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды доходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т.е. изменением его фазы. Частотные характеристики усилителя описывают его динамические свойства в частотной области. Для количественной оценки динамических свойств усилителя в частотной области используются такие параметры, как полоса пропускаемых частот, граничные значения частот. Аналогично во временной области используют параметры переходной характеристики: время ее нарастания и спада.

При прохождении сигнала через усилитель его форма подвергается изменению. Эти изменения называют искажениями сигнала, они могут быть линейными (если при передаче через усилитель спектральный состав сигнала не меняется) и нелинейными (спектр выходного сигнала меняется).

Однокаскадные усилители. Из однокаскадных усилителей наибольшее распространение получили повторители напряжения, повторители тока и усилители напряжения. Повторителями напряжения называют усилитель с коэффициентом усиления по напряжению, равным единице. Такие усилители не обеспечивают усиления по напряжению, однако, они имеют достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности. Повторители напряжения могут быть выполнены на транзисторах различных типов, электронных лампах и на операционных усилителях. Простейший повторитель напряжения, изображенный на рисунке 2, называется эмиттерный повторителем. Выходной сигнал в этой схеме снимается с эмиттера транзистора VТ, что и определяет такое название.

Рисунок 2 - Принципиальная схема однокаскадного усилителя на

биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя значительно ниже его входного сопротивления. Поэтому эмиттерный повторитель можно использовать для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. То есть, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по мощности, что особенно, важно при использовании маломощных, источников сигнала с большим внутренним сопротивлением. Повторители напряжения на биполярных и полевых транзисторах можно использовать как при малых, так и при больших значениях тока в нагрузке, в том числе в качестве выходных каскадов усилителей мощности. Коэффициент передачи повторителей напряжений на транзисторах всегда меньше единицы; частотный диапазон повторителей на транзисторах может быть достаточно широким при использовании высокочастотных транзисторов.

Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом передачи по току, равным единице. Такие повторители, не обеспечивая усиления по току, но имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Простейшая схема повторителя тока на биполярном транзисторе показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой

Эта схема известна также как усилитель с общей базой, или коллекторный повторитель. Особенностью данной схемы является то, что выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет низкое входное сопротивление практически равное сопротивлению эмиттера. Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ: уменьшаются частотные искажения, связанные с входной емкостью каскада; более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания; глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости; нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость; выходной сигнал передается на выход без переворота по фазе.

Однокаскадные усилители напряжения могут быть выполнены и по схеме с общим эмиттером, где нагрузка включается в коллекторную цепь. Схема простого усилительного каскада на биполярном транзисторе с коллекторной нагрузкой Rк и реостатно-емкостной связью изображена на рисунке 4. Она включает входную цепь, состоящую из сопротивлений R1, R2, задающих режим работы транзистора по постоянному току и емкости С1, обеспечивающей гальваническую развязку с источником входного сигнала. Цепь обратной связи включена в эмиттер транзистора и состоит из параллельно соединенных элементов R3 и СЗ.

Рисунок 4 – Принципиальная электрическая схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включенная по схеме сообщим эмиттером (ОЭ)

Двухкаскадные усилители. Двухкаскадными усилителями обычно называют усилители, состоящие из усилительных элементов, связанных между собой внешними соединительными цепями. Поскольку каждый усилительный элемент можно включить, по меньшей мере, тремя способами, то число соединений двух усилительных элементов может быть достаточно большим. Наибольшее распространение получили две схемы соединения: ОЭ – ОБ, называемая каскодным усилителем, и дифференциальный каскад. Каскодным усилителем называют двухкаскадный усилитель, состоящий из усилителя с общим эмиттером (истоком, катодом) и повторителя тока. По переменному току эти два каскада включены последовательно, а по постоянному току они могут быть включены так же, как каскады однокаскадного усилителя по схеме с общим эмиттером. Но каскодный усилитель имеет ряд преимуществ по сравнению с однокаскадным усилителем: первый каскад работает в режиме короткого замыкания коллектора через эмиттерный переход и емкость на общий провод (землю); в связи с этим входное сопротивление каскодного усилителя такое же, как в эмиттерном повторителе. Кроме того, нейтрализуется обратная связь через проходную емкость и выходное сопротивление усилителя большое (как у повторителя тока) и не зависит от параметров входной цепи.

Перечисленные достоинства усилителя обусловили его широкое применение для усиления сигналов высокой частоты. Для того чтобы не увеличивать напряжение питания каскодного усилителя по сравнению с однокаскадным, обычно используют параллельное включение транзисторов по постоянному току.

Дифференциальным усилителем называют, усилитель, предназначенный для усиления разности двух входных сигналов. Дифференциальный усилитель будет идеальным, если выходной сигнал зависит только от разности входных сигналов и не зависит от их уровня, На входах дифференциального усилителя могут действовать два сигнала: синфазные и противофазные (дифференцированные). Синфазные сигналы подаются на оба входа усилителя одновременно, а дифференциальные сигналы подключаются между входами. Для оценки дифференциального усилителя пользуются понятием коэффициента ослабления синфазного сигнала, который определяют отношением коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов. Для полностью симметричного дифференциального усилителя с симметричным входом и симметричным выходом коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю. Дифференциальный усилитель может работать и с несимметричными входными сигналами.

В таблице 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика схем включения транзисторов

Параметры	Схема включения
	ОБ	ОЭ	ОК
Коэффициент усилия по напряжению	30…400	30..1000	1
Коэффициент усиления по току	1	10...200	10... 200
Коэффициент усиления по мощности	30…400	3000..30000	10...200
Входное сопротивление	50100 Ом	200...2000 Ом	10...600 кОм
Выходное сопротивление	0,1 0,5 мОм	30...70 кОм	50...100 Ом