Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт

Механико-технологический факультет

Кафедра «Автоматизированные станочные системы»

методические указания

по выполнению курсовоЙ Работы

по дисциплине

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Направление подготовки: 221400 «Управление качеством»

Специальность: 220501 «Управление качеством»

Формы обучения (очная, очно-заочная, заочная)

Тула 2011 г.

Методические указания по выполнению курсовой работы составлены профессором АСС А.Б. Орловым и обсуждены на заседании кафедры АСС механико-технологического факультета

протокол №___ от "___"____________ 2011 г.

Зав. кафедрой________________А.Н. Иноземцев

Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) пересмотрены и утверждены на заседании кафедры АСС механико-технологического факультета

протокол №___ от "___"____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________А.Н. Иноземцев

Расчет многокаскадных усилителей

1. Исходные данные

Исходными данными для проекта являются:

Входной сигнал U_C= 50 мВ

Входное сопротивление R_c= 1 КОм

Сопротивление нагрузки R_н= 100 Ом

Выходное напряжение U_выхА= 2 В

Коэффициент гармоник K_г= 15 %

Глубина обратной связи F= 1,05

Полоса пропускания транзистора f_н= 60 Гц f_в= 12000 Гц

Допустимые частотные искажения M_н= 1,1 M_в= 1,1

Коэффициент температурной нестабильности S= 8

2. Расчет резисторного усилителя напряжения с RC-связью

Электрические усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для создания в нагрузке сигналов звукового диапазона частот с требуемыми параметрами. Для решения этой задачи стремятся с наибольшей эффективностью использовать весь диапазон допустимых напряжений и токов входных и выходных характеристик транзисторов. Электрический режим работы транзисторов задают таким, чтобы достичь требуемого коэффициента усиления, обеспечив при этом минимальный уровень нелинейных и частотных искажений сигнала, а также наибольший коэффициент полезного действия усилителя.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – принципиальная схема усилительного каскада

В этой схеме резистор R_K, включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1 R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А. Цепь R3 C3 выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока.

Анализ работы каскада на постоянном токе производят с помощью эквивалентной схемы (рисунок 2.), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

Рисунок 2 – Эквивалентная схема для анализа работы каскада на постоянном токе

Динамический режим работы каскада характеризуется изменениями токов и напряжений в цепях схемы при подаче сигнала на вход усилителя. В этом режиме для анализа работы каскада используют малосигнальную эквивалентную схему для области средних частот (рисунок 3). При этом пренебрегают влиянием реактивных элементов схемы (емкости разделительных и эмиттерного конденсаторов, а также емкость коллекторного перехода).

Рисунок 3 – Эквивалентная схема для анализа работы каскада в динамическом режиме

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным

R_Б = R1·R2/(R1+R2).

При расчетах многокаскадных усилителей в первую очередь рассчитывают оконечный каскад, обеспечивающий требуемые параметры сигнала в заданной нагрузке. Его входные параметры служат исходными данными для расчета предыдущего каскада. Покаскадный расчет усилителя выполняется в такой последовательности: выбирается тип транзистора и его статический режим работы, рассчитываются динамический режим работы и коэффициент нелинейных искажений. Далее ведется расчет элементов схемы, обеспечивающих термостабилизацию режима покоя, элементов межкаскадных связей, элементов фильтра.

Следует учитывать, что характеристики и параметры транзисторов сильно зависят от температуры и, кроме того, имеют значительный разброс по технологическим причинам. Поэтому номиналы всех ответственных элементов дополнительно уточняются при настройке схемы.

Необходимо рассчитать параметры усилителя, построенного по схеме, представленной на рисунке 4, на вход которого подается сигнал амплитудой U_C от источника с внутренним сопротивлением R_c. Усилитель должен обеспечить в нагрузке R_н требуемую амплитуду выходного напряжения U_выхА с коэффициентом гармоник, не превышающим K_г.

Рисунок 4 – Принципиальная схема усилителя

Для снижения уровня нелинейных искажений усилитель охвачен цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению (R_ocC_oc) глубиной F. Рабочий диапазон частот усилителя от f_н до f_в при допустимых частотных искажениях сигнала М_в, М_н. Обеспечить температурную стабилизацию рабочей точки каждого каскада с коэффициентом нестабильности S. Определить также к.п.д. усилителя и полный ток, потребляемый им от источника питания.

Порядок расчета

1. Составляем эквивалентную схему усилителя для области средних частот, учитывая при этом структуру транзисторов, и отмечают на ней все напряжения и токи. Сопротивлением R_ф можно пренебречь.

Находим коэффициент усиления К_u  усилителя с разомкнутой цепью обратной связи.

Определяем требуемый коэффициент усиления К_u ос усилителя, охваченного цепью обратной связи, по исходным данным задачи.

4. Находим коэффициенты усиления отдельных каскадов, полагая, что они равны между собой.

5. Выбираем режим усиления класса А, характеризующийся минимальными нелинейными искажениями и рассчитываем напряжение источника питания Е

где - коэффициент запаса по напряжению.

Окончательно напряжение Е выбираем из ряда 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 36, 42, 50 (ближайшее к расчетному значение). Выбираем Е=12 В.

6. Задаемся сопротивлением резистора R7 = (3...5)R_H

Номинальное сопротивление резистора R7 выбираем из таблицы П2.1. Принимаем .

Вычисляем эквивалентное сопротивление коллекторной цепи .из соотношений:

,

отсюда

7. Рассчитываем выходную мощность каскада Р_ВЫХ

Выходная мощность каскада для синусоидального напряжения определяется известным выражением

Наибольшая мощность, рассеиваемая коллектором в режиме покоя, с учетом к.п.д. каскада VT2 определится, как

Выбираем транзистор VT2 по величине и , с учетом тока (максимальный постоянный ток), и с учетом полосы пропускания усилителя f_н= 60 Гц , f_в= 12000 Гц по справочнику [2]. Удобно выбирать транзистор по выходным характеристикам. При этом по оси абсцисс максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер должно быть близким или несколько превышать напряжение источника питания E, а максимальное значение тока по оси ординат должно быть близким или несколько превышать (в 2….4 раза) значение максимального постоянного тока.

Напоминаем, что в схеме использованы n-p-n транзисторы (выбирать p-n-p – транзисторы в данной работе нельзя).

Выбираем транзистор КТ 395А (с.191, [2] ), имеющий максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 45 В, максимальную рассеиваемую мощность коллектора – 250 мВт, максимальную температуру перехода + 150° С и максимальную температуру окружающей среды + 85° С. Максимальная частота пропускания транзистора равна 10 МГц, поэтому заданная полоса пропускания усилителя будет обеспечена с большим запасом. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером не менее 40.

Поскольку транзистор работает в условиях нормальных температур, то дополнительного радиатора для его охлаждения не требуется.