Реферат: Усилитель напряжения низких частот (WinWord 2000 & MathCad v7.0 Pro)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Гродненский государственный университет им. Янки Купалы
физико-технический факультет
КУРСОВАЯ РАБОТА
по предмету: Основы радиоэлектроники
на тему: "Усилитель напряжения низких частот"
выполнили: студенты
II-го курса 3 группы
Бражук А.
Кохан С.
Гродно, 2000
Оглавление
1. Введение
Усиление электрических сигналов играет важную роль в различных областях
радиоэлектроники. Различают следующие виды усилителей: усилители
звуковой частоты, импульсные, усилители постоянного тока, усилители
радиочастот и промежуточных частот. Усилители звуковой частоты
используются в звукозаписи и в звуковоспроизводящих устройствах.
Назначение усилителей радиочастот и промежуточных частот в том, чтобы
усилить принятый радиосигнал, напряжение которого измеряется долями
микровольт, до напряжения порядка одного вольта.
Принцип усиления поясняет рисунок:
UП – напряжение на источнике постоянного тока. Последовательно к
источнику подключены два сопротивления: постоянное сопротивление
нагрузки (RН) и изменяемое сопротивление (RЛ). В роли последнего
выступает электронная лампа или полупроводниковый транзистор, который
под воздействием входного напряжения (UВХ) изменяет сопротивление
постоянному току. Если на вход подать синусоидальное напряжение, то
усиленное выходное напряжение (UВЫХ) в данной схеме будет противоположно
по фазе входному.
В данной работе необходимо по заданной схеме и параметрам транзистора
рассчитать все элементы усилителя и собрать его из имеющихся деталей.
Необходимо также изучить виды усилителей, особенности обратной связи в
различных схемах, а также эквивалентную схему усилителя и
полупроводникового транзистора.
В работе используется транзистор МП42Б. Схему необходимо рассчитать так,
чтобы входной сигнал усиливался в 13 раз при напряжении питания 10 В и
напряжении на нагрузке 1 В.
2. Теоретическая часть.
2.1. Виды усилителей в зависимости от способа включения транзистора.
Свойства транзистора сильно зависят от способа его включения в цепь
усилителя. Существует три таких способа включения: при соединении
эмиттера, коллектора или базы транзистора с общим проводом получают
соответственно включение с общим эмиттером (рис. 2, а), общим
коллектором (рис. 2, б) или общей базой (рис. 2, в).
Для анализа свойств и получения расчетных формул используют
эквивалентные схемы входной и выходной цепей транзистора.
При включении с общим эмиттером транзистор дает наибольшее усиление
мощности и меняет полярность усиливаемого сигнала. Такое включение
применяется во всех каскадах предварительного усиления, используется в
каскадах мощного усиления.
При включении с общим коллектором транзистор усиливает лишь ток сигнала,
не изменяет напряжения и не меняет полярность сигнала. Каскад с общим
коллектором называется эмиттерным повторителем. Транзистор в такой схеме
имеет высокое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.
Эмиттерные повторители используются во входных каскадах для повышения
входного сопротивления усилителя и уменьшения его входной емкости.
Включение с общей базой не усиливает входной ток сигнала, а дает лишь
усиление напряжения сигнала. Входное сопротивление наименьшее,
выходное-наибольшее. Включение с общей базой применяется в в каскадах
мощного усиления.
выходная емкость.
Входная эквивалентная схема для транзистора с общим эмиттером или
коллектором состоит из эквивалентной входной емкости (СВХ.Д) и двух
активных сопротивлений (R и r). Входная эквивалентная схема транзистора
с общей базой состоит из омического сопротивления R (Рис. 4).
2.2. Усилители низких частот, усилители мощности, усилители
промежуточных частот.
Усилители переменного тока предназначены для усиления колебаний, частота
которых превышает 20 Гц. Усилители, работающие в диапазоне 20 Гц - 20
кГц называются усилителями низкой частоты. Усилители способные
усиливать колебания с частотами выше 100 кГц называются усилителями
высокой частоты.
Усилителями мощности называются усилители, в которых выходная мощность
усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к коллекторной цепи
усилителя от источника постоянного тока.
2.3. Обратная связь в усилителях и ее виды.
В различных радиоэлектронных устройствах широко применяется обратная
связь. Она осуществляется подачей части напряжения или тока с выхода
устройства на его вход. Структурную схему усилителя с обратной связью
(рис.5) можно представить в виде двух усилителей:
Нижний усилитель служит для передачи напряжения обратной связи. Вместо
него обычно применяют пассивный линейный четырехполюсник. Коэффициент
нижнего усилителя равен отношению напряжения обратной связи к выходному
напряжению. Он показывает, какая часть выходного напряжения передается
обратно на вход, и поэтому его называют коэффициентом обратной связи:
Напряжение на входе усилителя охваченного обратной связью будет
определяться:
Следовательно, коэффициент усиления напряжения схемы, изображенной на
рисунке 5 будет равен:
Величины К, К1, В являются комплексными. Если величина ВК является
вещественной отрицательной или комплексной с модулем К1 меньшим К, то
обратная связь называется отрицательной. Если при этом модуль ВК много
больше единицы, то связь называется глубокой отрицательной обратной
связью.
При отрицательной обратной связи напряжение ОС имеет направление
противоположное входному напряжению, и на определенных частотах сигнал
отрицательной обратной связи находится в противофазе с сигналом на входе
усилителя. Учитывая комплексный характер ОС можно переписать последнюю
формулу в виде:
Если ВК - вещественная положительная или комплексная величина, такая что
модуль К1 меньше модуля К, то обратную связь называют положительной. В
этом случае напряжение обратной связи совпадает по фаза с входным
напряжением и имеет одинаковое с ним направление.
Обратная положительная связь используется в автогенераторах для
поддержания колебаний. Отрицательная обратная связь применяется в
усилителях для уменьшения нелинейности и нестабильности усиления, а
также для изменения входного и выходного сопротивлений.
В зависимости от способа получения сигнала и способа его введения во
входную цепь усилителя различают следующие типы обратной связи:
Последовательная ОС по напряжению, при которой снимаемый сигнал ОС
пропорционален выходному напряжению усилителя и суммируется с
напряжением входного сигнала.
Параллельная ОС по напряжению. При такой связи ток сигнала ОС
суммируется с током входного сигнала.
Последовательная ОС по току. Снимаемый сигнал ОС пропорционален току
выходной цепи и складывается с напряжением входного сигнала.
Параллельная ОС по току. Сигнал обратной связи суммируется с током
входного сигнала.
2.4. Последовательная обратная связь по напряжению.
Схема последовательной ОС по напряжению приведена на рисунке 6.
Эта схема эквивалентна схеме на рисунке 5. Поэтому:
Делитель напряжения не влияет на величину сопротивления нагрузки, модуль
сопротивления ОС много больше модуля сопротивления нагрузки. Поэтому
коэффициент усиления усилителя с последовательной ОС по напряжению
2.5. Параллельная обратная связь по напряжению.
В усилителе с параллельной ОС по напряжению (рис.7) напряжение ОС
пропорциональна выходному напряжению (UВЫХ). Коэффициент усиления такой
схемы равен:
2.6. Последовательная обратная связь по току.
В усилителях с последовательной ОС по току (рис.8) для получения
напряжения обратной связи на выходе усилителя включается сопротивление
ZОС, через которое протекает той же величины, что и в нагрузке. В этом
случае коэффициент обратной связи:
2.7. Параллельная обратная связь по току.
Для анализа параллельной обратной связи удобно рассматривать схему, в
которой во входной и выходной цепях действуют генераторы тока (рис.9).
В этом случае:
3. Способы расчета усилителей
3.1. Эквивалентная схема транзистора и h-параметры.
В любой схеме включения транзистор характеризуется входными, а также
выходными напряжением и током. Из этих четырех величин только две
являются независимыми, а две другие зависят от первых. В качестве
независимых величин удобно входной ток i1 и выходное напряжение u2.
Тогда входное напряжение u1 является некоторой функцией двух независимых
переменных i1 и u2:
При малых изменениях токов и напряжений приращение входного напряжения:
Аналогично, считая, что выходной ток i2 является функцией входного тока
i1 и выходного напряжения u2, получим:
Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения.
Для малых сигналов:
Можно обозначить:
Параметр h11 представляет собой входное сопротивление транзистора при
коротком по переменному току замыкании его выхода (u2=0). Параметр h12
это коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по
переменному току входе. Параметр h21 определяет коэффициент усиления
транзистора по току при коротком замыкании по переменному току его
входа.
Параметр h22 это выходная проводимость транзистора при разомкнутом по
переменному току входе.
Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, поэтому к
цифровым индексам добавляется буквенный. Например: h22б - выходная
проводимость транзистора, включенного с общей базой.
3.2. Расчет усилителя с помощью h-параметров.
Рассмотрим усилитель с ОЭ на транзисторе типа p-n-p (рис.11).
При отсутствии входного сигнала в цепях эмиттера, коллектора, базы и в
цепи, состоящей из резисторов R1 и R2, протекают постоянные токи.
Постоянное напряжение между эмиттером и коллектором определяется как
разность между усиливающим напряжением (ЕК) и суммой падений напряжения
на RЭ и RК:
Для получения наибольшего усиления необходимо соответствующим образом
выбрать постоянные напряжения эмиттер-коллектор UКЭП, база-эмиттер UБЭП,
а также постоянный ток коллектора iкп транзистора. Их выбирают так,
чтобы мощность, потребляемая усилителем, была минимальная. Это
достигается подбором сопротивлений резисторов.
Для постоянной составляющей коллекторного тока нагрузкой транзистора
является резистор RК, на котором создается падение напряжения
UГК=IКП*RК, поэтому напряжение на коллекторе транзистора в отсутствии
входного сигнала:
Конденсаторы С1 и С2 называют разделительными.
При подаче на вход усилителя сигнала между базой и эмиттером создается
переменное напряжение, вызывающее соответствующее изменение токов базы и
коллектора.
Если задан коэффициент усиления транзистора h21, то расчет параметров
можно выполнить аналитическим методом на основании эквивалентных схем.
Упрощенной эквивалентной схемой для усилителя, изображенного на рисунке
11, будет схема, показанная на рисунке 12.
К этой схеме можно перейти, если посчитать, что емкостные сопротивления
С1, С2, С3 настолько малы, что их можно не учитывать. Так как
коллекторный переход смещен в обратном направлении, то величина 1/h22э
велика, и поэтому можно пренебречь этим ответвлением цепи.
Из этой эквивалентной схемы видно, что входное сопротивление усилителя:
Выходное сопротивление будет равно RКН. Выходное напряжение будет
определяться:
Тогда коэффициент усиления по напряжению (по определению, это отношение
выходного сигнала к входному) будет равен:
4. Расчет усилителя
1. Введение страница
 |