Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ:

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ

Учебно-методическое пособие

для курсового проектирования по дисциплине

«Электротехника и электроника»

Екатеринбург

УрФУ

2013

УДК 621.3

ББК З2.84

Рецензент:

В. К. Рогозин, канд. техн. наук

Доцент кафедры РЭИС

Института радиоэлектроники

и информационных технологий УрФУ

Составитель И. Е. Мясников, канд физ.-мат. наук

Научный редактор В. П. Кулюкин

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ: ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ.

Учебно-методическое пособие для курсового проектирования по дисциплине «Электротехника и электроника» / сост.: И. Е. Мясников. – Екатеринбург: УрФУ, 2013.– 107 с.

В работе дана общая характеристика электронных усилителей, приведены их характеристики и параметры, рассмотрены вопросы согласования усилителей с источниками сигналов и нагрузкой. Сформулированы примерные темы курсовых проектов, приведен подробный порядок расчета усилителя на транзисторе с общим эмиттером. Изложению порядка расчета приведено описание принципа работы усилителя и вывод основных расчетных соотношений.

В заключение приводятся ссылки на методическую документацию по оформлению по оформлению пояснительной записки по курсовому проекту, а в приложении – справочные материалы по обозначению и номинальным значениям резисторов и конденсаторов.

Библиогр.: 10 назв. Рис. 43. Табл. 6 Прил. 1

Подготовлено кафедрой

«Микропроцессорная техника»

Факультета ускоренного обучения

Уральский федеральный

университет, 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 6

2 ТЕМЫ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ 7

3 ОБЩИЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 9

3.1. Назначение, принцип действия и общая характеристика усилителей 9

3.2. Общие свойства, классификация и типы усилителей 10

3.3. Основные параметры и характеристики усилителей 15

4 УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА ТРАНЗИСТОРЕ. 20

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 20

4.1. Способы включения транзистора в схему 20

4.2. Режимы работы усилительного элемента в схемах усилителей. 21

4.3. Схема усилительного каскад класса А на транзисторе с ОЭ 23

Основными элементами схемы усилителя (рис. 4.3) являются источник питания Е, транзистор VT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счёт протекания коллекторного тока, управляемого по цепи базы, создаётся усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. В схеме рис. 4.3 ток покоя базы транзистора _, работающего в режиме класса А обеспечивается включением резистора Rб. В соответствии с законом Ома значение тока базы в рабочей точке определяется следующим выражением: 23

При известном значении , ток покоя коллектора определяется по известному соотношению: 24

4.4. Режим работы транзистора по постоянному току– 28

4.5. Анализ работы усилительного каскада на переменном токе 35

4.5.1. Эквивалентная схема каскада 35

4.5.2. Область средних частот 36

4.5.3. Область нижних частот 39

4.5.4. Область верхних частот 45

4.6. Эмиттерный повторитель 47

4.6.1. Схема и принцип работы 47

4.6.2. Расчёт ЭП по постоянному току 49

4.6.3. Расчёт ЭП по переменному току 49

Выходное сопротивление каскада мало (5 – 50 Ом). Это свойство используют, когда необходимо решать задачу согласования высокоомной выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. Кроме того, каскад ОК, не усиливая сигнал по напряжению, усиливает его по току и мощности и поэтому применяется в качестве выходного каскада усилителей. 52

4.7. Особенности расчета усилителей импульсных сигналов 52

4.7.1. Передача плоской вершины импульса 53

4.7.2. Передача фронта импульса 55

5 УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 57

5.1. Виды обратных связей 57

5.2. Влияние обратной связи на основные параметры усилителей 59

5.2.1. Коэффициент усиления усилителя и его стабильность 59

6.2.3. Входное сопротивление усилителя с обратной связью 61

5.2.4. Выходное сопротивление усилителя с обратной связью 63

5.2.5. Нелинейные искажения и помехи в усилителях с обратной связью. 65

5.2.6. Частотные и фазовые искажения в усилителях с отрицательной обратной связью 66

6 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 67

6.1 Элементы схемотехники ОУ 68

6.1.1. Дифференциальный усилительный каскад 68

6.1.2. Генератор стабильного тока 73

6.1.3. Составной транзистор 74

6.2. Схемотехника операционных усилителей 75

6.3. Частотная коррекция ОУ 79

6.4. Параметры операционных усилителей 81

6.5 Основные применения ОУ 82

6.5.1. Буферный усилитель 83

6.5.3. Неинвертирующий усилитель 86

6.5.4. Инвертирующий сумматор 87

6.5.5. Неинвертирующий сумматор 88

6.5.6. Дифференциальный усилитель (вычитатель) на ОУ 88

6.5.7. Компаратор напряжения 89

6.5.8. Интегрирующие цепи на операционных усилителях 90

6.5.9. Дифференцирующие цепи на операционных усилителях 92

7 ПОРЯДОК РАСЧЕТА УСИЛИТЕЛЯ НЧ НА ТРАНЗИСТОРЕ 94

7.1. Данные для расчета усилителя 94

7.2. Выбор требуемого напряжения источника питания. 95

7.3. Предвартельный выбор транзистора 95

7.4. Выбор рабочей точки транзистора 95

7.5. Расчет каскада по постоянному току 96

Сопротивления делителя R₁ и R₂ рассчитываются исходя из двух противоположных условий (выбирается компромиссный вариант). 96

Расчет резисторов R_К и R_Э. 97

7.6. Расчет каскада по переменному току 98

7.6.1. Расчет коэффициента усиления усилителя 98

7.6.2. Расчет емкости конденсаторов 99

7.6.3. Расчет амплитудно- и фазочастотных характеристик усилителя 100

7.7. Выбор радиоэлементов 101

7.7.1. Транзисторы. 101

7.7.2. Резисторы и конденсаторы 103

7.7.3. Микросхемы 104

ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 105

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 106

Номинальные значения и обозначения резисторов и конденсаторов 107

Таблица П3 Номинальные значения ёмкостей конденсаторов К50-6 109