Расчет усилителя с ООС

Министерство  РФ по связи и информатизации 

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций  и информатики 
 
 
 
 
 

Расчет  усилителя с ООС 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст.гр.

АБ-87

Наумов  М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск

2011

    СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 

    Разработать трехкаскадный усилитель сигнала  с глубокой обратной связью, заданными номинальным коэффициентом усиления и полосой пропускания. 

    Исходные  данные:

• Е_К = 18 В;
• Тип БТ – КТ315В;
• h_21Э = 205;
• Rg = 3 кОм;
• Rn = 0.5 кОм;
• U_NOM = 3.2 В;
• K _NOM = 90;
• Присутствует ТС диод;
• F_NOS = 80 Гц;
• F_VOS = 150 кГц;
• δ_MAX = 10%;

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. ВВЕДЕНИЕ 

    Целью данного курсового проекта является теоретический расчет усилителя, удовлетворяющего начальным требованиям. Усилитель  будет обладать последовательной Отрицательной  Обратной Связью по току, что означает подключение резистора ООС между эмиттерами транзисторов входного и выходного каскадов. Данный тип обратной связи нуждается в использовании нечетного числа каскадов, потому он нашел применение в стандартной схеме усилителя с ООС на трех каскадах.

    Самой целью ООС является стабилизация параметров работы усилителя, таких как, например, зависимость от окружающей температуры, от разброса значений некачественно изготовленных резисторов и транзисторов, от наводимых сигналов и многого другого. Основной характеристикой обратной связи является ее глубина: чем глубже ООС, тем усилитель становится более стабильным. Глубокая обратная связь позволяет устанавливать нужный коэффициент усиления за счет всего лишь двух резисторов.

    Таким образом, применение ООС, как в данной работе, так и вообще в разработках усилительных приборов, является важнейшим фактором для получения надежного и стабильного устройства.

    Отличительной чертой данного курсового проекта  является наличие термостабилизирующего  диода в базовых делителях  транзисторных каскадов. При увеличении температуры проводимость диода увеличивается, в то время как проводимость резисторов уменьшается, то есть диод дополнительно стабилизирует усилитель при воздействии на него различной температуры.  
 

    3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ  УСИЛИТЕЛЯ

    Структурная схема усилителя представлена на рисунке 1.

    

    Рис. 1

    Непосредственно усилитель включает в себя входной, промежуточный и выходной каскады, а также ООС. Но так как любой  усилитель разрабатывается для  конкретной нагрузки (или диапазона  нагрузок) и для конкретного генератора, то они также участвуют в данной схеме.

    Входное устройство является генератором сигнала  с внутренним сопротивлением и емкостью.

    Входной каскад является первым транзисторным  каскадом усилителя, для которого важно  получить хорошее согласование с  входным устройством и на который будет подана ООС с выходного каскада. При определенных условиях, рассмотренных в пятой главе, этот каскад может быть выполнен как на полевом, так и на биполярном транзисторах.

    Промежуточный каскад является непосредственно главным усилительным каскадом, за счет которого должен достигаться высокий коэффициент усиления.

    Выходной  каскад – эмиттерный повторитель. Служит для лучшего согласования усилителя  с нагрузкой, а также для получения  нужной фазы тока, передаваемого по ООС.

    Выходное устройство – это то, на что будет нагружен усилитель. Оно, как и входное, обладает внутренним сопротивлением и емкостью.

    4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ  УСИЛИТЕЛЯ 

    Разработка  принципиальной схемы усилителя  – это замена структурных блоков схемными решениями.

    Входной каскад представлен на рисунке 2.

    

    Рис. 2

    На  данном рисунке представлен входной  каскад, выполненный на БТ, с разделенным  сопротивлением эмиттера R_E11 и R_E12, где R_E12 в дальнейшем будет определять R_OOC. R_N представляет собой свернутое до одного резистора сопротивление последующих каскадов. 
 
 
 
 
 

    Промежуточный каскад представлен на рисунке 3.

    

    Рис. 3

    Усилительный  промежуточный каскад похож на первый за исключением отсутствия не шунтированного конденсатора.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Выходной  каскад с подключенным к нему выходным устройством и сопротивлением ООС представлен на рисунке 4.

    

    Рис. 4

    Как видно у эмиттерного повторителя  нет сопротивления коллектора. Резистор обратной связи изображен подключенным параллельно резистору эмиттера между эмиттером и землей, но в схеме усилителя с ООС он будет подключен ко входному каскаду. При расчете схемы выходного каскада без ООС для постоянного тока, резисторы R_ООС и R_E3 для удобства заменим одним R_ЕКВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    5. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЕГО СТАБИЛЬНОСТИ

    5.1 Расчет схемы без подключения  ООС

    Начнем  расчет усилителя с выходного  каскада на ЭП. Задание рабочий  точки происходит в соответствие с U_НОМ в режиме постоянного тока.

    Расчет  начинается с определения значения I_ЭП выходного каскада. В номинальном режиме работы нужно обеспечить в нагрузке ток с амплитудным значением:

    I_НОМ = U_НОМ/R_Н =  6.4 мА

    Ток через транзистор VT3 изменяется в пределах:

    I_VT3 = I_ЭП3 ± I_НОМ

    Следовательно, требуемый уровень НИ обеспечивается при условии для тока покоя:

    I_ЭП3 > I_НОМ 

    Выберем I_ЭП3 = 2.5 I_НОМ = 16 мА

    Пусть U_ЭП3 = I_ЭП3R_Э3.ЭКВ. = 1.5 U_НОМ = 4.8 В, тогда R_ЕКВ = 0.3 кОм, но так как наличие термостабилизирующего диода повышает напряжение базы и эммитера, на 250 мВ, то считаем U_БП ≈ U_ЭП - 0.25 + 0.7 ≈ 5.25В.

    Уравнение базового делителя:

    

    Выберем R_Б31 и R_Б32 исходя из делителя, условия стабильности и того, что R_Б нужно получать большими, для лучшего сопротивления нагрузки предстоящему каскаду.

    R_Б31 = 18 кОм;

    R_Б32 = 9.1 кОм.

    (1-n)E_K – U_KH – I_ЭПR_Э > U_HOM;

    7.2 – 1 – 1.18 > 3.2;

    5.02 > 3.2.

    U_ЭП = I_ЭПR_Э = 1.18 В;

    U_БП ≈ U_ЭП + 0.7 ≈ 1.88 В.

    Учитывая  повышение U_БП на 300 мВ термостабилизирующим диодом, U_БП следует взять равным 1.58 В.

    Уравнение базового делителя:

       

    Теперь  выберем R _Б21 и R _Б22, руководствуясь тем же принципом, что и при расчете выходного каскада.

    R_Б21 = 180 кОм;

    R_Б22 = 22 кОм.

    Условие стабильности по постоянному току

    

    Входное сопротивление второго и соответственно нагрузочное сопротивление первого каскада:

    R_BX2 = R_Н1 = R_Б21 || R_Б22 || h_21Э r_Э2 = 19.6 || (205*0.02) ≈ 3.4 кОм.

    К_U усилительного каскада:

     .

    Выбирая между большим коэффициентом  усиления промежуточного каскада (за счет изменения Iкп2 ) и входным сопротивлением, мы имеем 2 варианта. Можно добиться лучшего коэффициента усиления на промежуточном каскаде, либо примерно равного на обоих. Мы выбираем равное усиление на обоих каскадах.

    Теперь, зная R_К2, можно рассчитать выходного сопротивление усилителя:

    

    Выходное  сопротивление усилителя оказалось  маленьким, что от него и требовалось. 

    Приступая к расчету входного каскада, нужно  выбрать на каком транзисторе  будет осуществлен входной каскад. Сопротивление генератора, данное по заданию: 3 кОм. Влияние ООС на входной каскад заключается в уменьшении уровня сигнала, который подается непосредственно на вход каскада. Поэтому уровень

    U_КП  = I_КПR_К можно выбрать достаточно близким к напряжению питания. Выберем U_КП  = 0.8E_K = 14.4 В.

    Сопротивление R_К1 выберем 13 кОм. А ток I_КП соответственно:

    I_КП = U_КП / R_К1 = 14.4/13 ≈ 1.11 мА