МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» ТЕМА: «Расчёт многокаскадного полосно-заграждающего транзисторного усилителя» Вариант №4-2 Студент гр. 6583 Балейкин Д.А. Преподаватель Дурукан Я. Санкт-Петербург 2019 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ Студент Балейкин Д.А. Группа 6583 Тема работы: расчёт многокаскадного полосно-заграждающего транзисторного усилителя Исходные данные: Задание № 4, Вариант №2 Таблица 1— Исходные данные Частота режекции, МГц Входное сопротивление, Ом Коэффициент усиления вне полосы заграждения, дБ Вариант 2 2 2 50 16 Коэффициент ослабления на средней частоте, не менее дБ 20 Выходное сопротивление, не более Ом Сопротивление нагрузки, Ом 10 50 Исходные данные для расчета Содержание пояснительной записки: «Содержание» «Введение» «Заключение» «Список использованных источников» Дата выдачи задания: 28.03.2019 Дата сдачи отчёта: 16.05.2019 Дата защиты отчёта: 16.05.2019 Студент Балейкин Д.А. Преподаватель Дурукан Я. 2 АННОТАЦИЯ В курсовой работе необходимо разработать полосно-заграждающий многокаскадный транзисторный усилитель. Расчёт производится от выхода к входу устройства, сначала на постоянном а потом и на переменном токе. Моделирование схемы устройства проводится в среде MultiSim 14. SUMMARY In the course work it is necessary to develop a band-banding multi-stage transistor amplifier. The calculation is made from the output to the input of the device, first on a constant and then on an alternating current. The device is simulated in the MultiSim 14 environment. 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение......................................................................................................... 5 1. Расчёт эмиттерного повторителя ........................................................... 7 1.1. Расчёт усилителя по постоянному току ........................................... 7 1.2. Расчёт усилителя по переменному току ........................................... 9 2. Расчёт параметров режекторного фильтра.......................................... 10 3. Расчёт каскада с общим эмиттером ..................................................... 11 3.1. Расчёт усилителя с ОЭ по постоянному току ............................... 11 3.2. Расчёт усилителя с ОЭ по переменному току .............................. 12 4. Моделирование рассчитанной схемы в Multisim .............................. 15 Заключение ................................................................................................. 18 Список использованных источников ....................................................... 19 4 ВВЕДЕНИЕ Многокаскадные усилители— усилители, образованные путем соединения между собой с помощью элементов связи нескольких усилительных каскадов. Как правило, усилители состоят из нескольких каскадов, при этом каждый отдельный каскад в составе усилителя выполняет свои функции. Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь каскада предварительного усиления. В качестве входного устройства могут быть использованы конденсаторы, резисторы, трансформаторы. Целью курсовой работы является ознакомление с принципами расчёта устройств на транзисторных усилителях. В моём варианте нужно рассчитать все номиналы элементов, входящих в устройство. Также необходимо грамотно подобрать модель транзистора и по результатам расчёта смоделировать работу устройства в программе Multisim 14. Типовая схема многокаскадного полосно-заграждающего транзисторного усилителя изображена на рисунке 1. Рисунок 1— Типовая схема многокаскадного полосно-заграждающего транзисторного усилителя Принципиальная схема устройства изображена на рисунке 2. 5 Рисунок 2— Принципиальная схема многокаскадного полоснозаграждающего транзисторного усилителя 6 1.РАСЧЁТ ЭМИТТЕРНОГО ПОВТОРИТЕЛЯ 1.1. Расчёт усилителя по постоянному току Принципиальная схема усилительного каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель) изображена на рисунке 3. Рисунок 3— Принципиальная схема эмиттерного повторителя 7 Зададимся входным напряжением Пусть: 𝑈̇вх = 50 мВ Тогда: 𝑈̇вых = 𝐾𝑈 𝑈̇вх 𝐾𝑈 = 16 dB ≈ 6,3 𝑈̇вых = 6,3 ∗ 50 ∗ 10−3 ≈ 315 мВ ̇ = 𝑈̇вых / 𝑅н = 315/50 = Отсюда получаем, что выходной ток 𝐼вых 6,3 мА Теперь зададимся током смещения исходя из того, что он должен быть больше выходного тока: 𝑖см = 40 мА Сопротивление в цепи эмиттера выбираем исходя из того, что 𝑅вых ≈ 𝑅э для усилителя с общим коллектором (эмиттерного повторителя) Из условия что: 𝑅вых ≤ 10 Ом Возьмём: 𝑅э1 = 10 Ом Тогда напряжение в эмиттерной цепи: 𝑢э1 = 𝑖э1 𝑅э1 Из условия 𝑖э ≈ 𝑖к = 𝑖см следует, что 𝑢э1 = 𝑖см 𝑅э1 = 0,4 В Постоянную составляющую напряжения на 𝑅б2 найдём исходя из следующего свойства транзистора: 𝑢б = 𝑢э1 + 0,7 = 1,1 В Ток протекающий в цепи базы будет определяться как: 𝑖𝑏 = 𝑖см 𝛽 где 𝛽 = 100 8 В этом случае: 𝑖б = 0,4 мА Ток в базовом делителе будет в 10 раз больше чем ток в цепи базы: 𝑖бд = 4 мА Общее сопротивление базового делителя для постоянной составляющей тока: 𝑅бд = 𝐸п 10 = = 2,5 кОм 𝑖бд 4 Найдём сопротивление 𝑅б2 : 𝑅б2 = 𝑢б 1,1 = = 275 Ом 𝑖бд 4 ∗ 10−3 Исходя из этого, можно найти сопротивление 𝑅б1 : 𝑅б1 = 𝑅бд − 𝑅б2 = 2500 − 275 = 2225 Ом Расчёт усилителя по переменному току Найдём переменную составляющую тока в цепи эмиттера: 𝑈̇вых 315 𝐼э̇ = = = 31,5 мА 𝑅э 10 Далее проведём проверку правильности выбора тока смещения, исходя из того, что сумма переменной составляющей тока эмиттера и выходного тока не должна превышать ток смещения, т.е.: ̇ ≤ 𝑖см 𝐼э̇ + 𝐼вых 1.2. 31,5 + 6,3 ≤ 40 Условие выполнено. Рассчитаем входное сопротивление этого усилителя для дальнейшего использования: 𝑅э 𝑅н 𝑅 𝑅 𝛽 б1 б2 𝑅 +𝑅 𝑅б1 + 𝑅б2 𝑅вх = э н = 189 Ом 𝑅э 𝑅н 𝑅б1 𝑅б2 𝛽+ 𝑅э +𝑅н 𝑅б1 + 𝑅б2 9 2.РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖЕКТОРНОГО ФИЛЬТРА Полосно-заграждающий фильтр представляет из себя параллельно соединённые индуктивность и ёмкость. Принципиальная схема ПЗФ представлена на рисунке 4. Рисунок 4— Принципиальная схема режекторного фильтра Для расчёта номиналов C1 и L1 необходимо решить следующую систему уравнений: 𝑄= 𝑅ш 𝐿1 𝐶1 1 √ 𝑓0 = 2𝜋√𝐿1 𝐶1 { где Q — добротность контура, Rш — входное сопротивление каскада с общим коллектором, f0 — резонансная частота контура. Решив её для Q=1, Rш=189 Ом, f0=2 МГц получим, что: 𝐿1 = 15 мкГн 𝐶1 = 0,42 нФ 10 3. РАСЧЁТ КАСКАДА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ 3.1. Расчёт усилителя с ОЭ по постоянному току Принципиальная схема усилителя с ОЭ изображена на рисунке 5. Рисунок 5— Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером Зададимся током коллектора Iк1, выбирать следует из в диапазоне от 1 до 10 мА. Пусть: 𝑖к1 = 10 мА Тогда: 11 𝑅к1 = 𝐸п 10 = = 500 Ом 2𝑖к1 2 ∗ 10−2 Для каскада с ОЭ нагрузкой будет входное сопротивление предыдущего каскада, т.е.: 𝑅н1 = 𝑅вх = 189 Ом Найдём сопротивление в цепи эмиттера: 𝑅э2 = 𝑅к1 𝑅н1 189 ∗ 500 = = 22 Ом 𝐾𝑈 (𝑅к1 + 𝑅н1 ) 6,3(189 + 500) Ток эмиттера приближённо равен току коллектора, поэтому напряжение в цепи эмиттера можно найти следующим образом: 𝑢э2 = 𝑖э2 𝑅э2 = 𝑖к1 𝑅э2 = 10−2 ∗ 22 = 220 мВ Напряжение на резисторе Rб4 найдём, исходя из того, что на переходе база-эмиттер падает напряжение 0,7 В, т.е.: 𝑢𝑅б4 = 𝑢 э2 + 0,7 = 0,22 + 0,7 = 0,92 В Тогда: 𝑢𝑅б3 = 𝐸п − 𝑢𝑅б4 = 10 − 0,92 = 9,08 В 3.2. Расчёт усилителя с ОЭ по переменному току Подберём ток базового делителя так, чтобы он удовлетворял следующему условию: 𝑅вх ОЭ = 𝑅б4 𝑅б3 = 50 Ом 𝑅б4 + 𝑅б3 где 𝑅б3 = 𝑢𝑅б3 ⁄𝑖дел , 𝑅б4 = 𝑢𝑅б4 ⁄𝑖дел Отсюда ток делителя: 𝑖дел = 17 мА Тогда: 𝑅б3 = 534 Ом 𝑅б4 = 54 Ом Разделительные конденсаторы подбираются 1 ≪ 𝑅вх 𝜔𝐶р 12 из условия, что: Значит, чем больше номинал, тем меньше конденсаторы вносят изменения, тогда пусть: 𝐶р1 = 820 мкФ, 𝐶р2 = 820 мкФ, 𝐶р3 = 820 мкФ Транзисторы VT1 и VT2 пусть будут модели ZTX688B, datasheet которой приведён в таблице 2. Таблица 2— Datasheet транзистора модели ZTX688B Тип проводимости NPN Коэффициент усиления 100…500 по току (hFE) Макcимально 12В допустимое напряжение коллектор-база (Ucb) Макcимально 12В допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce) Макcимально 5В допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb) Максимально 3A допустимый коллекторный ток IКMAX Предельная температура 200 °C PN-перехода (Tj) Граничная частота 150 МГц коэффициента передачи тока (fT) Максимальная 1 Вт рассеиваемая мощность (Pc) 13 Все рассчитанные и приведённые к ряду Е24 номиналы элементов устройства, указаны в таблице 3. Таблица 3— Номиналы всех элементов устройства приведённых к ряду Е24 𝑅э1 , 𝑅э2 , 𝑅к1 , 𝑅б1 , 𝑅б2 , 𝑅б3 , 𝑅б4 , 𝐿1 , 𝐶1 , 𝐶р1 , Ом Ом Ом кОм Ом Ом Ом мкГн нФ мкФ мкФ мкФ 10 22 510 2,2 270 510 56 15 0,43 820 14 𝐶р2 , 820 𝐶р3 , 820 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАССЧИТАНОЙ СХЕМЫ В MULTISIM Схема устройства со всеми номиналами элементов, включая показания виртуального пробника тока и напряжения на входе и выходе устройства в режиме моделирования изображена на рисунке 6. Рисунок 6—Схема устройства, включая показания пробников тока и напряжения на входе и выходе устройства Отсюда можно найти входное сопротивление устройства: 𝑅вх = 100 = 51,5 Ом 1,94 Выходное сопротивление устройства можно найти исходя из рисунка 7 и рисунка 8. 15 Рисунок 7— Напряжение на выходе устройства в режиме холостого хода Рисунок 8— Ток на выходе устройства в режиме короткого замыкания Тогда: 𝑅вых = 𝑈хх 220 = = 1,8 Ом 𝐼кз 121,3 16 Показания виртуального осциллографа, отображающие входной и выходной сигналы изображены на рисунке 9. Рисунок 9— Осциллограмма входного и выходного сигнала Амплитудно-частотная характеристика устройства изображена на рисунке 10. Рисунок 10— АЧХ усилителя 17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе курсовой работы был рассчитан, и далее смоделирован многокаскадный полосно-заграждающий транзисторный усилитель, с усилением переменного входного напряжения почти в 6 раз. Входное сопротивление такого усилителя получилось около 50 Ом, выходное около 2 Ом, что удовлетворяет техническому заданию. В полосе частот примерно от 1,95 МГц до 2,01МГц происходит ослабление сигнала более чем в 10 раз. Выходной сигнал отстаёт по фазе на 90° от входного. Связано это с тем, что один из каскадов в нашем устройстве является каскадом с общим эмиттером, который обеспечивает сдвиг выходного сигнала по фазе. Транзисторы в устройстве были подобраны исходя из основных параметров транзистора. В целом, они были выбраны удачно, но, на высоких частотах происходит небольшой «завал» характеристики. 18 амплитудно-частотной СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Ю.А. Бычков, В.М. Золотницкий, Э.П. Чернышев, А.Н. Белянин Основы теоретической электротехники: Учебное пособие. 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2008. – 592 с 2. Богатырев Е.А., Ларин В.Ю., Лякин А.Е. Энциклопедия электронных компонентов. Том 1. Большие электронные схемы. 2006. — 248 с. 3. Малахов В.П. Схемотехника аналоговых устройств: Учебник для ВТУЗов. — Одесса: Астропринт, 2000. — 212 с. 19