Избирательный усилитель курсовой проект по дисциплине ‘Электроника’

Вид материала

Курсовой проект

Содержание 1. Техническое задание на курсовой проект. 2. Вводная часть. 4. Разработка принципиальной схемы устройства. 4.1. Выбор схемы усилителя. Принципиальная схема приведена на рис. 3. 5.1. Расчёт схемы усилителя. 21э— коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером; h11э 6. Общая схема устройства. Список литературы. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона – принт, 1998. – 398 с.

Подобный материал:

• Курсовой проект по дисциплине "Схемотехника эвм", 121.85kb.
• Курсовой проект по учебной дисциплине «Микропроцессорные средства» на тему «Система, 521.9kb.
• Курсовой проект по дисциплине «Холодильные машины и установки» проект распредилительного, 43.46kb.
• Курсовой проект по дисциплине "Организация эвм, комплексов и систем", 549.85kb.
• Контрольная работа по дисциплине «Электротехника и электроника» Тема: Расчет транзисторного, 244.92kb.
• Усилитель мощности трансляционный тромбон ум4-40 паспорт, 27.05kb.
• Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине: «Электроника и микросхемотехника», 171.54kb.
• Курсовой проект по дисциплине тема, 12.37kb.
• Курсовой проект по дисциплине Тема, 10.97kb.
• И. М. Губкина Кафедра «Техническая механика» Положение о рейтинговой системе оценки, 59.48kb.

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации


УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Кафедра технической кибернетики

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ


КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине ‘Электроника’


Выполнил

студент группы АСОИ-222

Агапов Р.Н.

Проверил

доцент

Сергеев А.Н.

Уфа 2003

Содержание

1. Техническое задание на курсовой проект.

Разработать и спроектировать избирательный усилитель (ИУ).

Параметры ИУ:

Выходная мощность Рн	Выходное напряже-ние Uвых	Коэффици-ент усиления Kн	Частота F0	Доброт-ность	Нестабиль-ность частоты f0	Входное сопротив-ление
Вт	В	-	Гц	-	%	кОм
1	10	1600	30000	110	2,5	120

2. Вводная часть.

Избирательными (или селективными) называются усилители, полоса пропускания которых сужена для отделения сигналов в нужной полосе частот от сигналов, помех или шумов других частот.

По принципу действия и схемному выполнению избирательные усилители можно разделить на: резонансные, полосовые, усилители с обратной связью. Наиболее часто избирательные усилители применяются для усиления сигналов высокой частоты и являются одними из важнейших каскадов радиопередающих и радиоприемных устройств. Однако во многих случаях избирательные усилители применяются и для усиления низкочастотных сигналов.

Основные технические показатели

Избирательные усилители характеризуются следующими основными техническими показателями: коэффициентом усиления К; избирательностью d — величины ослабления усиливаемого сигнала при заданной расстройке; полосой пропускания 2∆f; величиной искажений сигнала; диапазоном частот f_min...f_max-в случаях диапазонного усилителя или средней частоты f₀; полосой пропускания — для усилителей с фиксированной настройкой.

Требования к избирательным усилителям зависят от их конкретного назначения, но в основном сводятся к тому, что: коэффициент усиления должен быть достаточно большим, а усилитель обеспечивать необходимую избирательность при достаточной ширине полосы пропускания; искажения сигналов не должны превышать допустимой величины; усилитель должен работать устойчиво, т. е. не самовозбуждаться и иметь параметры, мало меняющиеся в процессе эксплуатации; диапазонные усилители должны обеспечивать настройку на любую частоту в пределах заданного диапазона. При этом их качественные показатели во всем диапазоне должны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям.

Различают избирательность по соседнему каналу характеризующую способность усилителя ослаблять сигналы соседнего по частоте мешающих радиостанции и избирательность по зеркальному каналу d, характеризующую способность усилителя ослаблять сигнал зеркальной станции. Частота зеркальной радиостанции отличается от частоты принимаемой радиостанции на величину, равную рассеянной промежуточной частоте. Обычно избирательность выражают в децибелах


d _[дБ]=20 lg (K₀ / K) (6.4)


где К₀-коэффициент усиления на резонансной частоте;

К — коэффициент усиления при заданной расстройке.

Полосой пропускания избирательного усилителя 2∆f называют область частот, в пределах которой ослабление спектра усиливаемых колебаний не превышает заданной величины. Обычно считается допустимым ослабление уровня сигнала на 3 дБ (в раз по сравнению с максимальным значением на резонансной частоте.

Об избирательных свойствах усилителя и его полосе пропускания удобно судить по резонансной характеристике усилителя, представляющей собой график зависимости отношения коэффициента усиления К при расстройке к коэффициенту усиления К₀ при резонансе от частоты (рис. 1).

При расчете схем избирательных усилителей исходные данные могут варьироваться в зависимости от назначения и особенностей применения усилителя. Ниже рассматривается возможный порядок расчета избирательных усилителей различных видов.

Структурная схема усилителя представляет полосовой усилитель без обратной связи.

3. Разработка функциональной схемы устройства.


Усилитель с инвертированием входного сигнала применяют при преобразовании напряжения.

Он имеет близкий к нулю синфазный входной сигнал при любых дифференциальных входных сигналах, в то время как у не инвертирующих усилителей синфазный сигнал равен амплитуде входного напряжения. Отсутствие синфазного входного сигнала позволяет получить несколько лучшие характеристики преобразования. Поэтому данное включение является предпочтительным в точных преобразовательных устройствах. Усилители, осуществляющие точное стабилизирование сигналов, иногда называют масштабирующими.

Фильтр

Делитель напряжения

Усилитель

Последующий каскад
Uвых


Рис. 2. Структурная схема устройства.

4. Разработка принципиальной схемы устройства.

4.1. Выбор схемы усилителя.

Для работы в узкой полосе частот рассмотрим избирательный усилитель с емкостной связью, так как емкостная схема связи (емкостной делитель) целесообразна в полосовых усилителях с фиксированной настройкой.

Принципиальная схема приведена на рис. 3.

5. Расчёт принципиальной схемы устройства.

Сначала произведем расчет резисторов R1’, R2’, R3’, U_вх, I_вых, I_вх по общей схеме.

Исходные данные

Выходная мощность Рн	Выходное напряжение Uвых	Входное сопротивление	Коэффициент усиления Kн
Вт	В	кОм	-
1	10	120	1600

R1= R_вх; R2= R_вых; R3=R1|| R2

U_вх = U_вых / K_н = 10/1600=6*10^-3 В

I_вх= U_вх / R_вх = 6*10^-3 / (120*10³)=5*10^-8 А

I_вых= Р_н / U_вых = 1/10 = 0,1 А

R_вых= U_вых / I_вых = 10 / 0,1 = 100 Ом

R3=(R1*R2) / (R1+R2) = (120000*100) / (120000+100) = 100 Ом


Исходные данные: фиксированная частота настройки к заданной полосе пропускания (в супергетеродинных приемниках — промежуточная частота) f_пр; требуемый коэффициент усиления К; максимальный коэффициент устойчивого усиления; входное сопротивление последующего каскада R_{вх сл}; тип транзисторов с параметрами E_k, I_k; S_расч, C_k,h_11э,h_22э,C_вх,C_вых; ; эквивалентная добротность контура Q_экв.

В результате расчета необходимо определить: параметры включения контура m₁и m₂ ; резонансный коэффициент усиления К₀ ; данные элементов схемы.

5.1. Расчёт схемы усилителя.

1. Выбираем тип транзистора. Основным показателем при этом является граничная частота транзистора f_гр , значение которой должно удовлетворять условию

f_гр = f * K_н

f_гр > f_max (1)

Выписываем из справочника параметры транзистора: С_к — емкость коллекторного перехода, nФ; h_11э — входное сопротивление при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, Ом; h_22э — выходная проводимость, См.

Таблица1 - Параметры транзистора 2N3904:

Показатель	Ед. изм.	Табличное значение	Значение для расчета схемы
Ik	мА	10	10
Ek	В	12	12
Ck	пФ	4,0	4,0
h11Э	кОм	1,0	1,0
h22Э	мкСм	1,0-40	20
h21Э	-	100-400	250
h11Б	пФ	8,0	8,0
fгр	мГц	250	250

2. Далее необходимо определить крутизну сквозной характеристики выбранного транзистора S. При этом возникают определенные трудности, так как значение крутизны обычно в справочниках не приводится. Учитывая, что в случае включения транзистора по схеме с общим эмиттером

S = ∆I_K / ∆U_БЭ,

можно найти крутизну либо графическим путем по характеристикам выбранного транзистора, либо рассчитать ее значение по формуле

S= (h_21э / h_11э)*10³ = (250/1000)*10³=250,

h _21э— коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером; h_11э — входное сопротивление транзистора в ре-жиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером, Ом. Следует учитывать, что с увеличением частоты крутизна транзистора уменьшается.

Поэтому окончательно расчетное значение крутизны транзистора равно f_max = f₀ +∆ = 30000+750=30750 Гц

S_расч= S / √1+ (f_max / f_гр) = 250 / √1+(30750)/(250*10⁶)=250


3. Определяем максимальный коэффициент устойчивости каскада

К_уст = 6,3 * √S_расч / f_max * C_k = 6,3√250*10³/0,03075*4= 2840

где S_расч – расчетная крутизна транзистора на чистоте f_пр мА/В, f_max выражается в мегагерцах; C_k – в пикофарадах.


4. Определяем коэффициент шунтирования контура входным сопротивлением последующего каскада и выходным сопротивлением транзистора, допустимый из условий устойчивости.

k_ш1-2К_уст / S_расч √10³ * R_вх.сл / h_22э =

1-2*2840/250*√10³*120/20*10^-6=1-2.9*10^-7=0,99999125

где R_вх.сл. – входное сопротивление последующего каскада, кОм; h_22э – выходная проводимость транзистора в схеме с общим эмиттером, См.


5. Находим необходимое значение конструктивного и эквивалентного затухания контура

δ_к=κ_ш/Q_экв = 0,99999125 / 90 = 0,011111457;

δ_э=1/Q = 1/90 =0,0111111.


6. Рассчитываем характеристическое сопротивление контура при m₁=1

=(δ_э- δ_к)/2 h_22э = (2.9*10^-7 / 110) /220*10^-6=227

( в выражается в омах; h_22э – в сименсах)




7. Эквивалентную емкость контура определяем по формуле:

С_экв ≥ 159/ f_пр  =159/0,03507*0,227=23348 [пФ]

(f_пр выражается в мегагерцах;  - в килоомах)


8. Определяем коэффициент включения контура со стороны последующего каскада

m₂ = √ R_вх.сл.(δ_э- δ_к) / 2 = √100*(1-2.9*10^-7)/110*2*227=4,5*10^-2

9. Общая величина емкости емкостного делителя, составленного из конденсаторов С3 и С4 (рис. 3), равна (с учетом, что m₁=1)

С_д = С_экв – m₁² C_вых=23348-1*10=23338

где С_вых – выходная емкость транзистора (дается справочно = 10 пФ).


10. Определяем величины емкостей, входящих в контур,

С₄ ≥ (С_д / m₂) - C_вх=23338/4,5*10^-2-2≈520000; С₃≥ (С₄ + C_вх) С_д / (С₄ + C_вх - С_д)=

(520000+2)*23338/(520000+2-23338)≈24400,

где С_вх – входная емкость транзистора выбранного типа (для последующего каскада равная 2 пФ справочно).

Для этих емкостей наиболее подходят конденсаторы полистирольные с оксидным диэлектриком. Обозначение К71

Характеристики

Номинальная емкость	Номинальное напряжение	Частота	Диапазон температур
22пФ-20мкФ	35-160	103, 106	-60,+80

Используем конденсаторы К71-5 с допуском ±2%, которые характеризуются малыми потерями. Для С3 выберем К71-5-0,024 мкФ, для С4 – К71-5-0,52 мкФ.


11. Действительная эквивалентная емкость контура

С’_экв = С_вых m₁² + (С₄ + C_вх) С₃ / (С₄ + C_вх + C_вх)=

10*1+(520000+2) *233338/(24400+520000+2)=22353

должна быть больше значения С_экв, найденного по формуле

При выполнении условия С’_экв≥ С_экв расчет произведен правильно.

22353>23348, т.е. расчет произведен верно


12. Определяем индуктивность контура

L1 = 2.53 * 10⁴ / f_пр² С’_экв = 2,53*10⁴ /0,030 *22353=1258

(L1 выражается в микрогенри; f_пр – в мегагерцах; С_экв – в пикофарадах).

Для L1 наиболее подходит катушка МКИ-3 с индуктивностью 1260 мкГн.


13. Уточняем величину характеристического сопротивления [Ом] контура после выбора емкостей

ρ’ = 159 / f_пр С’_экв =159/0,030*22353=137


14. Находим резонансный коэффициент усиления

K₀ = S_расч ρ’ Q_экв m₁ m₂=250*10³*0.137*110*1*4.5*10^-2=1695

(S_расч выражается в миллиамперах на вольт; ’ - в килоомах).

Необходимо, чтобы К₀>K и К₀<К_уст.

При выполнении этих условий расчет произведен правильно.


15. Задаемся сопротивлением развязывающего фильтра (R4 на рис.3) порядка (0,2…1) кОм и определяем емкость фильтра

C5≥ (1…2)10^-3 / f_пр R4 = 1.5* 10^-3/0.030*0.5=0,1

(С5 выражается в микрофарадах; f_пр – в мегагерцах; R4 – в килоомах).

Аналогично С3, С4 для С5 выбираем К71-5-0,11 мкФ.


16. Рассчитываем параметры элементов схемы усилителя. Резистор R3 в эмиттерной цели термостабилизации режима работы транзистора находим по закону Ома

R3≈ U_Э / I_K =1/10*10^-3 =100 Ом

принимая величину падения напряжения U_Э на резисторе R3 порядка 0,7...1,5В а величину тока коллектора равному справочному значению этого тока для выбранного типа транзистора.

Сопротивление резистора R2 делителя напряжения определяем по формуле

R2= (δ – 1) E_KR₃ / U_Э = (2-1)*12*100/1=1200 Ом,

где δ — коэффициент нестабильности схемы (принимается в пределе 1,5...4); Е_к напряжение источника питания каскада (выбирается в зависимости от величины допустимого напряжения на коллекторе для выбранного типа транзистора).

Сопротивление резистора R1 равно

R1= R2 / (E_K / U₃ - 1) =1200/(12/1-1)=109≈110 Ом

Выберем для R1, R2, R3 постоянные непроволочные резисторы С2-МЛТ-0,25 с допуском ±5%.

Для R1- С2-МЛТ-0,25-110 Ом с допуском ±1%, R2 - С2-МЛТ-0,25-1200 Ом с допуском ±2%, R3 - С2-МЛТ-0,25-100 Ом с допуском ±1%, R4 - С2-МЛТ-0,25-500 Ом с допуском ±1%.

Для того чтобы на резисторе R3 не возникало напряжения отрицательной обратной связи, его обычно шунтируют блокировочным конденсатором С2 (рис. 3)

Емкость этого конденсатора может быть найдена по формуле

С₂>(15...30) • 10³/f_minR₃ = 20*10³ /0,02925*0,1=0.068.

где С2 выражается в микрофарадах; f_min — в мегагерцах; R3 — в килоомах.

Емкость разделительного конденсатора С1 определяем но формуле

С1 >(1...2) 10³/f_min R_вх.экв=1,5*10³ /0, 02925*0,91=0,008

(С1 выражено в микрофарадах; f_min — в мегагерцах),

а величину эквивалентного входного сопротивления каскада (в килоомах) — из соотношения

1/ R_вх.экв = 1/h_11Э + 1/R₁ + 1/R₂ = 1/1*10³+1/110+1/1200

где h_11э — входное сопротивление выбранного транзистора. Аналогично могут быть рассчитаны элементы схемы последующего каскада усилителя.

Для С1, С2 выбираем К71-5-0,008 мкФ и К71-5-0,07 мкФ


Примечание.

Полученные значения сопротивлений и емкостей округляются до ближайших стандартных величин.

6. Общая схема устройства.

U_ВЫХ

Заключение.

На примере курсового проекта я научился: применять знания, которые я получил при изучении теоретического курса, на практике; решать некоторые инженерные задачи (на примере избирательного усилителя); работать с научно-технической и патентной литературой; осуществлять поиск известных технических решений. Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен выполнять функцию усиления входного напряжения в узкой полосе частот. Применение высокоточного (прецизионного) усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы. Большое внимание уделено описанию принципа работы схемы усилителя.

Избирательный усилитель позволяет существенно исключить влияние шумов и помех на входной сигнал, поэтому позволяет без особых искажений усиливать входящий сигнал.

Список литературы.

1. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. –М.: Энергоатомиздат, 1987. – 320с.: ил.
   
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991.
   
3. Зарубежные транзисторы и их аналоги: справочник/ И.И. Пєтухов. –М.: РадиоСофт, 1999. - т.1, 560.
   
4. Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники: Элементы. Схемы. Системы. – М.: Мир, 2001. – 398 с.
   
5. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальностей 210300 – "Роботы и робототехнические системы", 220200 "Автоматизированные системы обработки информации и управления", 210100 – "Управление и информатика в технических системах" / Уфимский государственный авиационный технический университет; Сост. Р.Г. Валеева, Ю.В. Старцев. Уфа, 1997.-42 с.
   
6. Методические указание по выполнению курсовой работы по дисциплинам "Электроника" и "Электроника и основы схемотехники" / Уфимский государственный авиационный технический университет; Сост. Ф.Х. Кутдусов. – Уфа, 2001.-33 с.
   

7. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона – принт, 1998. – 398 с.

8. Расчет параметров катушек индуктивности: учебное пособие. И.И. Пєтухов. –М.: РадиоСофт, 2002. - , 435.
   
9. Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутационные устройства. РЭА. Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. прохоренко, Ю.П. Ходоренко. – Минск: Беларусь, 1994. – 591 с.
   
10. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники: Учебное пособие/ Г.Г. Рекус, А.И. Белоусов. – М.: Высшая школа, 2001. – 416 с.
    
11. Хоровиц П., Хилл У.. Искусство самотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Мир, 1993.-413 с., ил.