Розробка підсилювачів на БПТ та ОП

 Зміст

Вступ.

1. Розрахунок підсилювачів напруги.
1. Основні параметри підсилювачів.
2. Завдання.
3. Розробка схеми підсилювача.
4. Вибір транзистора.
5. Розрахунки параметрів підсилювача.
6. Комп’ютерне моделювання схеми підсилювача.
2. Розрахунок каскадів на операційному підсилювачі .
1. Основні параметри операційних підсилювачів.
2. Завдання.
3. Розрахунок інвертуючого підсилювача на операційному підсилювачі.
4. Розрахунок неінвертуючого підсилювача на операційному підсилювачі.
5. Розрахунок інвертуючого суматора на операційному підсилювачі.
6. Комп’юторне моделювання схем розрахованих підсилювачів і суматора.

Використана література.

Висновок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Дана курсова  робота полягає у закріпленні знань з розробки  електричних схем підсилювачів на біполярних транзисторах та на операційних підсилювачах.

  ОП  призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з від’ємним зворотним зв’язком (ВЗЗ). Операційні підсилювачі застосовуються в різноманітних схемах радіотехніки, автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки, - там, де необхідно підсилювати сигнали, в яких є постійна складова.

В даний час ОП отримали широке застосування як у вигляді  окремих мікросхем, так і у  вигляді функціональних блоків у  складі складніших інтегральних схем. Така популярність обумовлена тим, що ОП є універсальним блоком з характеристиками, близькими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різних електронних вузлів.

Тому виконання  даної роботи є дуже важливим для  отримання навиків з роботою з підсилювачами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              

 

 

 

  1.Розрахунок підсилювачів напруги.

1. Основні параметри підсилювачів.

Підсилювач - це пристрій, який призначений для підсилення потужності вхідного сигналу за рахунок споживання енергії джерела живлення. В   залежності від схеми підключення біполярного транзистора БТ підсилювачі діляться на:

      - з загальним емітером (ЗЕ);

- з загальною  базою (ЗБ);

- з загальним  колектором (ЗК).

До основних параметрів підсилювачів відносять:

1. Коефіцієнт  підсилення напруги:

K_U = U_вихсер / U_mвх

струму

K_І = І_ксер / І_бсер

потужності

K_р = K_U · K_I

2. Вхідний опір Rвх-опір вхідного каналу підсилювача для змінного струму:

R_вх = U_мвх/ І_мвх 

3. Вихідний опір Rвих - опір вихідного каналу підсилювача для змінного струму при відключеному опорі навантаження:

R_вих = U_мвих/ І_мвих 

 

       4.  Номінальна вихідна потужність – максимальна потужність, яка віддається            навантаженню, при якій спотворення не перевищують допустимих, визначається за               формулою:

                                               Р_вих. = U²_мвих / 2R_н

Вихідна потужність підсилювача залежить від напруги  на його вході.

5. Коефіцієнт корисної дії підсилювача характеризує його економічність і визначається як відношення корисної потужності сигналу до загальної потужності:

                                              h = (P_вих / Р_витр ) · 100%

Амплітудна  характеристика підсилювача представляє собою залежність вихідної напруги сигналу від вхідної. При надто великій вхідній напрузі амплітудна характеристика викривляється через перенавантаження підсилюючих елементів.

Динамічний  діапазон підсилювача – відношення (виражене в децибелах) максимальної вхідної напруги сигналу до мінімального

D _дБ = 20 lg (Uвх.мах / Uвх.мin)

Частотна характеристика підсилювача – залежність вихідної напруги чи коефіцієнта підсилення К від частоти f посилюючих коливань.

Фазові спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюють за його фазовою характеристикою, яка відображає різноманітність фазових зсувів j між вхідною і вихідною напругами окремих складових підсилюючого сигналу.

По способу  обробки сигналів всі підсилювачі  можна розділити на підсилювачі  постійного та змінного струму.

До підсилювачів постійного струму відносяться підсилювачі  які підсилюють від 0 Гц до деякої верхньї  частоти.

До підсилювачів змінного струму відносяться підсилювачі  які підсилюють сигнали від деякої нижньої частоти fн до деякої верхньої частоти fв.

Ідеальний підсилювач підсилює сигнал від 0Гц до безкінечності.

Основними характеристиками підсилювача є:

• Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ);
• Амплітудна характеристика (АХ);
• Динамічний діапазон (ДД).

АЧХ – це залежність вихідної напруги підсилювача від  частоти вхідного сигналу при  постійному його рівні на вході.

АХ – це залежність вихідної напруги від вхідної на одній постійній частоті. Ця частота вибирається на АЧХ підсилювача де коефіцієнт підсилення сталий.

Динамічний діапазон –  це відношення максимальної вхідної  напруги до мінімальної коли коефіціент підсилення сталий.

 

1.2. Завдання.

1.2.1. Розробка  схеми підсилювача зі спільним емітером.

1.2.2. Розрахунок припустимого  струму колектора і напруги  живлення.

1.2.3.Вибір типу транзистора.

1.2.4. Наведення в масштабі  часових діаграм роботи транзистора.

1.2.5. Розрахунок напруги  живлення колекторного кола.

1.2.6. Розрахунок опору навантаження в колекторному колі та опору резистора в колі бази.

1.2.7. Обчислення потужності, яка розсіюється колектором.

1.2.8. Розрахунок вихідної  корисної потужності та потужності  витрат.

1.2.9. Моделювання  розробленої схеми в Multisim-8.

Вихідні дані для  розрахунків:

1. Амплітуда вхідної напруги

_{Umвх=0,05(1+0,1*N)=0,095 (В);}

2. Амплітуда вихідної напруги

_{Umвих=(7+0,3*M)=7,6 (В);}

3. Опір навантаження

 

_{Rн=(500+100*M)=700 (Oм);}

_{N = 9; M = 2}

N- остання цифра студентського квитка.

M- передостання цифра студентського квитка.

3. Розробка схеми підсилювача.

+ Еж.  -

 

 Rк

Rб   С1

  

 VT Uвих.

 Uвх.

Мал.1. Схеми підсилювача

Призначення елементів  схеми:

Ср, С1  – розділкові конденсатори, які призначені для того, щоб постійна складова струму не потрапила на вхід транзистора і не змінила його режим роботи.

Rб. – резистор який задає напругу зміщення.

Rk – резистор навантаження з якого знімається підсилений сигнал, але з протилежною фазою в порівнянні з вхідним сигналом.

Eж. – джерело живлення схеми.

1.4.Вибір транзистора

Транзистор вибирається  за припустимими та колекторного кола.

Розрахункова  напруга живлення колекторного кола для вибору транзистора становить:

Eкроз=2Umвих+2Uкенас;

 

де Uкенас - це напруга насичення, яка береться з довідника і складає 1-2 В.

Приймаємо Uкенас =1В

_{Екроз=2*7,6+2*1=17,2;}

Вибираємо Екmaх  із стандартного ряду:

_{(Екроз<Eкmaх) (17,2<21);}

Стандартний ряд:

3, 6, 9, 12, 15, 21, 24, 27.

Приймаємо Eкmaх=21 .

Знаходимо Iкроз:

Iкроз=Екmax/Rн=21/700=30мА .

Визначаємо максимально  припустимі значення напруги та струму:

Екmaxпр>Eкmax/0,7=21/0,7=30 (В);

Iкmaxпр>Iкроз/0,7=30/0,7=42,857 (В).

  Для знайдених параметрів підходить транзистор КТ342А, типу n-p-n

 

                                             

                             

 

 

 

                          ВхіднаВАХ транзистора       

 

 

 

 

                                       

 

 

 

                                     

 

                                       ВихіднаВАХ транзистора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5.Розрахунок параметрів підсилювача

Виписуємо параметри робочої  точки з ВАХ:

 

 

 

 

 

 

 

Потужність, яка  розсіюється колектором:

Напруга живлення в колекторному колі (відлічується на перетині лінії навантаження з віссю ).

Опір резистора в колі бази:

 

Вихідна корисна потужність:

 

Потужність витрат:

 

Коефіцієнт підсилення за напругою:

 

 

Коефіцієнт підсилення за струмом:

 

 

 

 Коефіцієнт підсилення за потужністю:

 

Коефіцієнт корисної дії (ККД), має бути :

 

Вхідний опір:

 

 

1.6.Комп’юторне моделювання схеми підсилювача.

Мал.2.Схема підсилювача  напруги на БПТ

Мал.3. Діаграма роботи підсилювача  напруги на БПТ

2. Розрахунок каскадів на операційному підсилювачі .
1. Основні параметри операційних підсилювачів.

Операційний підсилювач (ОП) – це аналогова інтегральна  схема яка представляє собою  підсилювач постійного струму, з практично  ідеальними підсилювачами, і яка  працює зі зворотнім негативним зв’язком.

Ідеальний підсилювач повинен мати:

1. Нескінченно великий коефіцієнт підсилення без зворотного зв’язку;
2. Нульові вхідні струми;
3. Нескінченний вхідний опір;
4. Нульовий вихідний опір;
5. Нескінченно велику смугу пропускання.

Основними параметрами ОП є:

- Напруга зміщення Uзм. – це напруга яку треба подати на вхід схеми, щоб   на її виході був нуль;

• Вхідний струм – це струм, який споживається ОП по входу;
• Різниця вхідних струмів – це різниця струмів між інвертуючим та неінвертуючим ОП;
• Коефіцієнт підсилення без зворотного зв’язку (в наш час випускають з коефіцієнтом більше 1млн.);
• Коефіцієнт послаблення симфазного сигналу;
• Швидкість нарощування вихідної напруги ( характеризує швидкодію ОП).

Умовне позначення ОП:

 + 

 інвертуючий вхід DA

вихід

  неінвертуючий вхід

-

 

 

Введення зворотного зв’язку покращує характеристики підсилювача у стільки разів, у скільки зменшиться коефіцієнт підсилення без зворотного зв’язку.

Основні схеми  включення ОП:

• Схема інвертую чого підсилювача;
• Схема неінвертуючого підсилювача;
• Схема суматора на ОП.

 

2.2. Завдання

2.2.1. Розробити  схеми інвертуючого та неінвертуючого  підсилювачів і інвертую чого  суматора.

2.2.2. Розрахувати  опори всіх резисторів в каскадах  вказаних в пункті 2.2.1.

2.2.3. Розрахувати коефіцієнти підсилення за напругою для інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів.

2.2.4. Навести  в масштабі часові діаграми  роботи інвертуючого та неінвертуючого  підсилювачів.

2.2.5. Навести  часову діаграму роботи суматора.

2.2.6.змоделювати  схеми пристрою наведені в пункті 2.2.1. за допомогою програми Multisim.

Вихідні дані:

1. Амплітуди вхідних та вихідної напруг

 

 

 

 

2. Амплітуди вхідних струмів

3. _{Опір  навантаження}

2.3. Розрахунок інвертуючого підсилювача на операційному підсилювачі

 

Мал.4. Схема інвертуючого підсилювача на операційному підсилювачі

Призначення елементів схеми:

R1 - вхідний onip;

R2 - onip зворотнього зв'язку;

R_H - onip навантаження;

U_BX - вхідна напруга;

I1 - вхідний струм;

І2 - струм у колі зворотнього зв'язку;

U_BИX - вихідна напруга;

А - операційний підсилювач.

 

Розрахунки:

2.3.1. Амплітуда струму в колі навантаження: