Курсовая работа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С.
Тургенева»
Кафедра: Электроники, радиотехники и систем связи
Курсовая работа
по дисциплине «Схемотехника электронных приборов и устройств»
«Проектирование аналоговых устройств»
Работу выполнила студентка Писарчук Алла Александровна
Шифр 180873 Группа 81-КЭ Факультет ИПАИТ
Специальность Конструирование и технология электронных средств
Курсовая работа защищена с оценкой__________________________
Руководитель_______________________________________________
Подпись ФИО
Орёл 2019
Техническое задание
Цель данной работы – приобретение практических навыков в расчете
усилителей на примере конкретной задачи.
В процессе работы производился анализ различных схем реализации
усилительного устройства, расчет его параметров и элементов. В результате
была разработана схема усилителя, отвечающая требованиям технического
задания.
Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft
World 2010, а рисунки в графическом редакторе Splan70.
Усилитель должен отвечать следующим требованиям:
1. Рабочая полоса частот: 100 Гц – 3,5 МГц
2. Допустимые частотные искажения:
- в области нижних частот fн = 70 Гц;
- в области верхних частот fв = 4 МГц;
3. Коэффициент усиления 30 дБ;
4. Амплитуда выходного сигнала Uвых = 4 В;
5. Диапазон рабочих температур: от -10 до +40 градусов Цельсия;
6. Сопротивление источника сигнала: Rс = 1 кОм;
7. Сопротивление нагрузки: Rн = 50 Ом;
8. Коэффициент гармоник Кг=0,8%;
9. Коэффициенты частотных искажений на нижних и верхних частотах
Мн=2; Мв=2,5;
10. Максимальное выходное напряжение Uвыхмакс=4 В
11. Сопротивление источника сигнала Ес макс=35 мВ;
Исполнение: биполярные транзисторы.
Задание выдал:
Филина А. В.
Задание принял
Писарчук А. А.
2
Содержание
Аннотация ...................................................................................................... 4
1. Введение..................................................................................................... 5
2. Предварительный расчет ШУ .................................................................. 6
3. Электрический расчет каскадов ............................................................ 10
3.1. Расчет выходного каскада ................................................................... 10
3. 2 Расчет промежуточных каскадовОшибка!
Закладка
не
определена.
4. Расчет источника питания……………………………………………..17
Заключение .................................................................................................. 18
Список используемой литературы ............................................................ 19
Приложение А ............................................................................................. 20
Приложение Б .............................................................................................. 23
3
Аннотация
В курсовом проекте на тему: «Расчет широкополосного усилителя»
разработана принципиальная и структурная схема для проведения
исследования, произведен расчет параметров и выбран необходимый набор
элементов для сборки.
Проведен
обзор
разных
альтернативных
вариантов,
подбор
компонентов, расчет элементов принципиальной схемы, проведен выбор
необходимых параметров. Графически представлена принципиальная схема,
а также приведен перечень элементов.
В данном курсовом проекте имеется:
Страниц - 23
Таблиц - 1
Рисунков - 5
Источников использованной литературы - 16
КП 11.03.03. 170622.12 ПЗ
Изм.
Лист
№ докум.
Разраб.
Писарчук А.А
Провер.
Филина А.В.
Реценз.
Н. Контр.
Филина А.В.
Утверд.
Филина А.В.
Подпись
Дата
Лит.
4
Широкополосный
усилитель
Лист
Листов
4
ОГУ им. И. С. Тургенева
1. Введение
Усилители электрических сигналов применяются во многих областях
современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители
имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации,
радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи,
технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей
аппаратуры. Кроме указанных областей техники, усилители широко
применяются
в
телемеханике,
автоматике,
счетно-решающих
и
вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического
анализа,
геофизической
разведки,
точного
времени,
медицинской,
музыкальной и во многих других приборах. Как правило, усилители
осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы.
Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания.
Таким образом, усилительные элементы обладают управляющими
свойствами. Устройство, рассматриваемое в этой курсовой работе, может
широко применяться на практике. Оно имеет немалое научное и техническое
значение благодаря своей универсальности и широкой области применения.
Широкополосными
усилителями
называют
усилители,
полоса
пропускания которых близка к предельно возможной, обычно от нуля или
нескольких герц до нескольких мегагерц (десятков, сотен мегагерц). Такие
усилители применяются для усиления синусоидальных сигналов и для
усиления импульсов.
5
1. Предварительный расчет ШУ.
ШУ являются устройствами, усиливающие сигнал в широком
диапазоне частот от 100 Гц до 3,5 МГц (согласно заданию). Основным
требованием, предъявляемым к ШУ является равномерность усиления
сигнала в заданном частотном диапазоне.
Для начала определим состав структурной схемы ШУ. Обязательными
элементами
схемы
является:
входной
каскад,
выходной
каскад
и
промежуточный каскад, число промежуточных каскадов зависит от
требуемого усиления всего ШУ.
Для расчета ШУ необходимо разделить усиление между каскадами,
определить количество каскадов, а также схему включения усилительных
приборов и их тип.
Общий коэффициент усиления:
К
u вых
u вх
необходимо отметить, что входным напряжением является максимальное
значение напряжения источника сигнала Ec. Тогда коэффициент усиления
ШУ, согласно заданию на проектирование:
K
4
 114,28 ; K дБ  20 lg( 114,28)  44,15 дБ.
35  10 3
Первый (входной) каскад усилителя в первую очередь предназначен
для согласования источника сигнала и усилителя с целью максимальной
передачи мощности усилителю, поэтому входное сопротивление первого
6
каскада должно быть согласовано с выходным сопротивлением источника
сигнала. Коэффициент передачи (усиления) отвечает соотношению:
Кв х 
Rв х
,
Rв х  Rс
К вх  20 lg( К вх ) дБ.
где Rc – сопротивление источника сигнала (по условию Rc=1 кОм). Схемы
включения
усилительных
приборов
с
общим
эмиттером
имеют
Rвх=(300…500) Ом, а схемы с общим коллектором Rвх=(5…10) кОм.
Предпочтительнее выглядит схема с общим коллектором в связи с большим
значением
входного
сопротивления,
т.
к.
повышение
входного
сопротивления приводит к уменьшению потерь при передаче энергии
между каскадами.
Для осуществления предварительных расчетов выберем значение входного
сопротивления Rвх=10 кОм. Тогда коэффициент передачи входного каскада
построенного по схеме с общим коллектором:
К вх 
10  10 3
 0,909 ;
10  10 3  1  10 3
К вх  20 lg( 0.909)  0,828 дБ.
Выходной каскад усилителя предназначен для передачи усиленного
сигнала в ШУ нагрузке с минимальными потерями, поэтому для него
справедливы утверждения применяемые к входному каскаду. А каскады с
общим коллектором имеют коэффициент передачи:
К ВЫХдБ  2...  3
Тогда
общий
коэффициентов
коэффициент
усиления:
усиления
входного,
ШУ
выходного
каскадов:
К выхдБ  20 lg( 0,7)  3 дБ.
7
дБ .
складывается
и
из
промежуточного
Тогда общий коэффициент усиления УНЧ складывается из
коэффициентов усиления: входного, выходного и промежуточного каскадов:
Кобщ  Квх  К пр  Квых ;
К пр  Кобщ  Квх  Квых ;
К пр  41,15  0,828  3  44,978 дБ.
Обеспечить такой коэффициент усиления, используя один каскад усиления
невозможно, поэтому необходимо использовать несколько промежуточных
каскадов. Наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет
предварительный трансформаторный каскад с общим эмиттером (30…40)
дБ, однако при применении в составе схемы индуктивностей возникают
сложности при их изготовлении (малый частотный диапазон, большие
размеры и высокая стоимость). Следующий по усилительным свойствам
является предварительный резисторный каскад с общим эмиттером
(20…30) дБ. Выбираем в качестве промежуточного каскада резисторный
каскад с общим эмиттером. В качестве усилительных приборов во всех
каскадах используем биполярные транзисторы (указаны а задании на
проектирование, обладают более высокими усилительными способностями
и т.д.).
Число каскадов промежуточного усиления исходя из полученного
общего коэффициента усиления:
n
К прдБ
К пр1дБ

44,978
 1,79 . 2)
25
Для обеспечения требуемого коэффициента усиления необходимо
использовать три промежуточных каскадов.
8
Структурная схема ШУ включает: источник сигнала, обладающий
внутренним сопротивлением Rc; входной и выходной каскады; три
промежуточных каскада рис. 1.
Рис.1 - Структурная схема ШУ.
9
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАСКАДОВ
3.1 Расчет выходного каскада
Выходной каскад является усилителем мощности и потребляет
основную часть энергии источника питания. Схема представляет собой
соединение двух эмиттерных повторителей (рис. 2), работающих на общую
нагрузку. Положение рабочей точки обеспечивается делителем R1VD1 R2.
Сопротивление диода создает необходимое напряжение по постоянному току
между базами транзисторов, а также выполняет функции элемента схемы
термокомпенсации. При построении таких каскадов используют два
транзистора с близкими по величине параметрами. Расчет удобно
производить графоаналитическим методом для одного плеча усиления.
Рис. 2 - Схема выходного каскада.
Транзисторы выбираются по допустимой мощности рассеяния на
коллекторе Pк и максимальной амплитуде коллекторного тока I к :
10
Pвых 
2
U вых
42

 0,32 Вт.
Rн
50
Pк max  (0.25...0.3) Pвых Вт.
Pк max  0,096 Вт.
Iк 
2  Pвых
2  0,32

 0,113 А.
Rн
50
Из транзисторов, удовлетворяющих условию, необходимо выбрать
комплементарную
пару
с
близкими
по
значению
параметрами
идентичными характеристиками.
Выбираем транзисторы КТ502А и КТ503А, причем первый
проводимости n-p-n, а второй p-n-p.
Выбираем напряжение источника питания 𝐸п , оно должно
удовлетворять условию 𝐸п = 1,5𝑈max вых :
𝐸п = 1,5  4 = 6 В.
11
и
3. 2. Расчет промежуточных каскадов
Промежуточные
каскады
выполним
одинаковыми,
поэтому
потребуется расчет лишь одного из двух промежуточных каскадов. Ввиду
того, что в этом каскаде ожидается основное усиление, то схему включения
усилительного элемента выберем с общим эмиттером.
Рис. 3 - Схема промежуточного каскада.
Транзистор выбираем также как и в предыдущем каскаде. Нагрузкой
для этого каскада является выходной каскад.
12
Расчет транзистора промежуточного каскада аналогичен расчету
транзистора выходного каскада. Выбираем транзистор КТ502А (p-n-p), так
как Рвых.пр. и Iвых.пр. попадают в рабочий диапазон транзистора. Такой выбор
позволяет сократить номенклатуру деталей.
U вых пр 
U вых max
K

4
 5,714
0.7
Eп=1,5  Uвых пр=1,5  5,714=8,571
Из ряда стандартных значений питающего напряжения выбираем
Eп=12
Определим номиналы резисторов.
Для этого требуются данные из справочника:
U кэ max  30 В
g 21  30 103 См
g 22  104 См
rб 100 Ом
Cк  5 пФ
Определим спад АЧХ:
 - характеризует искривлённость АЧХ.
0,8
5МГц
f тр  6 103 Гц - частота транзистора;
в  1
1
 0,0,5
6
Мв
13
Снизить величину  можно путем включения в эмиттерную цепь
незашунтированного емкостью резистора Rf. Этот резистор создает в каскаде
дополнительную обратную связь в результате чего частотные свойства
улучшаются. Выберем f =0,08 (значение, к которому необходимо
стремиться), тогда глубина обратной связи:

 0,10
79 -коэффициент глубины ОС;
f
F
Чем выше коэффициент глубины, тем выше сопротивление:
Rf 
F  1 10  1

 300Ом - сопротивление в коллекторной цепи;
0,03
0,03
Найдем сопротивление в коллекторной цепи схемы:
C22  25 пФ - выходная емкость транзистора;
- емкость следующего каскада;
Сн  25 пФ
С м  5 пФ
- емкость монтажа;
С2  550 нФ
 в  2    f в  25,133МГц
g2 
 в  C 2 25,133  10 6  550  10 9

 2,76См
2в
2  0,5
Rк 
1
1

 0,36Ом
g к 2,76
По
выходной
характеристике
строим нагрузочную прямую, и
определяем по ней значения тока базы, тока коллектора и напряжения
коллектор-эмиттер:
Для этого понадобится две точки
14
E п  12,
Ik 
Eп
12

 3,33 мА
Rк 0,36
I бо  60 мкА
Находим значение тока и напряжения исходной рабочей точки (Т):
I ко  1,5 мА U кэ  6,5В
Найдем ток эмиттера:
I эо  I бо  I ко  0,06 мА  1,5 мА  1,56 мА
По входной характеристике определяем значение напряжения базаэмиттер:
0,95В
U бэ0  0,95 В
Из формулы U бэ0  I э0  ( R f  R1 ) выразим R1 :
R1 
U бэо
0,75
 Rf 
 300  180Ом
I эо
1,56  10 3
I вх  1,488 мВ
I R 2  I эо  I вх  I бо  1,56  1,488  0,6  0,012 мА
U вх  U кэо  U бэо  6,5  0,75В  5,75В
R2 
U вх 5,75

 480Ом
I R 2 0,012
15
Рис. 4 - Входные и выходные характеристики
транзистора промежуточного каскада.
16
4. Расчет источника питания
Рис. 5 - Источник питания.
В состав схемы источника питания входит: трансформатор, диодный
мост, конденсатор, стабилитрон.
Трансформатор предназначен для получения переменного напряжения
заданной амплитуды и частоты из постоянного. Диодный выпрямитель из
переменного напряжения формирует пульсирующее, а сглаживающий
фильтр получает напряжение близкое к постоянному, пульсации которого
определяются величиной С2. Стабилитрон необходим для того, чтобы при
скачках тока он стабилизировал и формировал постоянное напряжение.
Напряжение стабилизации выберем больше 𝐸пит на 20%, чтобы был
запас на потери.
U ст  14,4 В
I  Iк  n
n- число всех каскадов, включая входной и выходной
nn=4
5
I   4  3,33  13,32 мА
Выбираем диод, который обеспечит заданный ток и напряжениеГД113А.
Стабилитрон выбираем исходя из напряжения U ст  14,4 В :
КС215Ж
17
Заключение
В результате выполненного курсового проекта получена схема
электрическая принципиальная широкополосного усилителя. Известны
топология элементов и их номиналы. Поставленная задача решена в полном
объеме.
Рассчитанный
усилитель
имеет
следующие
технические
характеристики:
1. Рабочая полоса частот: 100 Гц – 3,5 МГц
2. Допустимые частотные искажения:
- в области нижних частот fн = 70 Гц;
- в области верхних частот fв = 4 МГц;
3. Коэффициент усиления 30 дБ;
4. Амплитуда выходного сигнала Uвых = 4 В;
5. Диапазон рабочих температур: от -10 до +40 градусов Цельсия;
6. Сопротивление источника сигнала: Rс = 1 кОм;
7. Сопротивление нагрузки: Rн = 50 Ом;
8. Коэффициент гармоник Кг=0,8%;
9. Коэффициенты частотных искажений на нижних и верхних частотах
Мн=2; Мв=2,5;
10. Максимальное выходное напряжение Uвыхмакс=4 В
11. Сопротивение источника сигнала Ес макс=35 мВ;
18
Список используемой литературы
1. Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств Томск: ТУСУР, 2000. – 29с.
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой
мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; Под ред. А.В.
Голомедова. – М.: Радио и связь,1989 – 640 с.
5. Болтовский Ю.Г. Расчёт цепей термостабилизации электрического режима
транзисторов. Методические указания. – Томск: ТИАСУР, 1981 г.
6. Широкополосные радиопередающие устройства / Под ред. О.В.
Алексеева. – М.: Связь. 1978.
7. ГОСТ 2.755 – 74 и др. ЕСКД. Обозначения условные и графические в
схемах.
8. Титов А.А. Расчет широкополосных усилителей на биполярных
транзисторах/ Учебное пособие, Томск: ТУСУР, 2002.
12. Главная страница elektronik.by [Электронный ресурс]; URL:
http://elektronik.by/5.06.2019‒ Загл. с экрана.
13.
Главная
страница
asest.com
[Электронный
ресурс];
URL:
ресурс];
URL:
http://asest.com/5.06.2019.
14.
Главная
страница
pdnr.ru
[Электронный
https://pdnr.ru/5.06.2019.
15. Главная страница www.asutpp.ru [Электронный ресурс]; URL:
https://www.asutpp.ru/kalkulyator/5.06.2019.
16.
Главная
страница
ekalk.eu
http://ekalk.eu/5.06.2019.
19
[Электронный
ресурс];
URL:
Приложение А
Поз. обозначение
Наименование
Кол.
Примечание.
Катушки
индуктивности
L1
183.5 мГн±5%
1
L2
199 мГн±5%
1
Конденсаторы
C1
С2
C3
КД-2-1.56нФ±5%
КД-2-
1 ОЖО.460.203 ТУ
1 ОЖО.460.203 ТУ
260.8нФ±5%
КД-2-
1 ОЖО.460.203 ТУ
521.5нФ±5%
С4
КД-2-3.9нФ±5%
1 ОЖО.460.203 ТУ
C5
КД-2-26нФ±5%
1 ОЖО.460.203 ТУ
С6
КД-2-2.23нФ±5%
1 ОЖО.460.203 ТУ
С7
КД-2-3.8нФ±5%
1 ОЖО.460.203 ТУ
С8
КД-2-
1 ОЖО.460.203 ТУ
227.5нФ±5%
Резисторы
20
МЛТ-0.125-
R1
1 ГОСТ113-77
1.19кОм±10%
МЛТ-0.125-757
R2
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-154
R3
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-23
R4
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-11
R5
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-189
R6
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-84
R7
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-17
R8
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
МЛТ-0.125-5
R9
1 ГОСТ113-77
Ом±10%
Транзисторы
KT911AaAo.3391
VT1, VT2
Из
Лис
м.
т
Разраб.
2
50ТУ
КП 11.03.03.170622.12 ПЗ
№
докум
Подпись
Дата
Писарч
Усилитель
ук А.
широкополос
21
Литер Лис Лист
а
т
ов
А.
Пров.
ный
Филин
а А.В.
1
Н.контр
Перечень
Утв.
элементов
Приложение Б
22
ОГУ имени И.С.
Тургенева
23