Расчёт многокаскадного полосно-заграждающего транзисторного усилителя

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