Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций российсикой федерации
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра «Радиооборудование и схемотехника»
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
Практикум по дисциплине
«Схемотехника»
Москва 2021
План УМД 2021/2022 уч.г.
Практикум по дисциплине «Схемотехника»
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
Составители: И.Б. Андреев к.т.н., доц.
Издание утверждено методическим советом МТУСИ протокол №2 от 14.12.2021г.
Рецензенты: А.А.Кубицкий, к.т.н., доц. каф. РОС,
О.Е. Данилин, к.т.н., доц. каф. Электронной инженерии, УГАТУ
Содержание
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………....4
1. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ ……………………………..6
1.1 Расчет каскада по постоянному току……………………………………………………….9
1.2. Графо-аналитический расчет усилительного каскада по постоянному току……………………………………………………….........................................................10
2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ…………………………14
2.1. Расчет основных параметров усилительного каскада с емкостной связью……………18
2.2. Расчет основных параметров каскада с общим коллектором …………………….……22
2.3. Расчет основных параметров многокаскадного усилителя ……..……………………..26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………………..…29
Введение
Цель данного практикума состоит в том, чтобы активизировать работу студентов над материалом курса, способствовать закреплению теоретических положений, привить навыки самостоятельной работы со схемами и умению их рассчитывать. Практикум ознакомит студентов с элементами проектирования отдельных каскадов усилителей.
Наиболее подробно рассматриваются базовые вопросы курса: обеспечение режима работы усилительных каскадов, эквивалентные схемы и расчет на их основе коэффициентов усиления, элементы теории обратной связи, усилители постоянного тока и т.п.
В каждом разделе практикума имеются краткие теоретические сведения, вопросы и задачи.
Электронным усилителем называют устройство, преобразующее энергию источника питания, в качестве которого чаще всего исполбзуется источник постоянного тока, в энергию выходного сигнала, который по форме аналогичен входному сигналу, но превосходит его по мощности. Именно увеличение мощности выходного сигнала, по сравнению с мощностью входного, является характерной особенностью усилителя и отличает его от других преобразующих устройств, в которых изменяется либо напряжение, либо электрический ток, а мощность остаётся постоянной (точнее уменьшается, т. к. КПД любого устройства меньше единицы). Примером такого устройства может служить повышающий трансформатор, преобразующий входное напряжение в более высокое выходное, при этом мощность выходного сигнала, за счёт потерь, будет ниже, чем мощность входного.
Рис. 1.1. Обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя
Практически все усилительные устройства строятся по многокаскадной схеме. В этом случае усилитель содержит выходной каскад, обеспечивающий требуемую энергию в нагрузке, и один или несколько предварительных каскадов, которые последовательно усиливают уровень входного сигнала до значения, необходимого для управления выходным каскадом. Нагрузкой предварительного каскада является входная цепь последующего каскада (рис. 1.1.). Основной задачей входного и выходного каскадов является согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой. Каскады предварительного усиления обеспечивают необходимый уровень усиления сигнала.
Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала –– транзистор или, например, электронная лампа), цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т. д. Таким образом, расчет параметров сложного усилителя обычно сводится к расчету одиночных каскадов, цепей обратной связи и согласования параметров (входных и выходных), обеспечивающих нормальную работу отдельных каскадов и усилителя в целом.
Рис. 1.2. Базовые усилительные каскады на биполярных транзисторах
Базовыми схемами усилительных каскадов на биполярных транзисторах, используемых как самостоятельно, так и в составе интегральных микросхем, являются каскады с общим эмиттером (ОЭ, рис. 1.2. а), общим коллектором (ОК, рис. 1.2. б) им общей базой (ОБ, рис. 1.2. в).
Важнейшим параметром, характеризующим усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления –– коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:
Обычно информация в электронных устройствах передаётся путём изменения уровня напряжения, поэтому в литературе чаще всего используется КU, и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще. При расчёте коэффициента усиления многокаскадного усилителя соответствующие коэффициенты усиления каскадов перемножаются.
Расчет усилителей на транзисторах включает следующие основные этапы:
1. Выбор транзистора и элементной базы.
2. Расчет статического режима (т.е. расчет транзистора по постоянному току).
3. Расчет динамического режима (т.е. расчет транзистора по переменному току).
Как правило, на практике при проектировании усилителя разработчику даются исходные данные:
• входное (Uвх) и выходное (Uвых) напряжение усилителя (или коэффициенты усиления усилителя по току КI и по напряжению KU);
• входное сопротивление усилителя (Rвх);
• сопротивление нагрузки (Rн);
• полоса пропускания усилителя Δf = fв – fн, где fн, fв – нижняя и верхняя граничные частоты усиления;
• диапазон рабочих температур Т0±ΔТ;
• напряжение источника питания Ек.
Число исходных параметров, формируемых потребителем, может быть больше, либо меньше приведенных. Приведенные выше параметры необходимы именно для проектирования усилителя, чаще всего собственно заказчику (потребителю) они не только неизвестны, но и неинтересны. Например, наиболее частый заказ на звуковой усилитель – «чтобы музыка из этого компьютера играла через вот эти колонки».