курсовой по электронике

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Черняев И.В., Берёзкин А.Н., Чураев Д.В.

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Оглавление

Стр.

Генерирование электромагнитных колебаний.

Общие принципы генерирования колебаний.

Глава 1. Усилительные каскады.

1.1. Транзисторные каскады с активной нагрузкой.

1.2. Операционные усилители.

Глава 2. Частотно-избирательные цепи. 2.1. LCколебательный контур.

2.2. RCизбирательные цепочки.

Глава 3. Генераторы синусоидальных колебаний. 3.1. LC-генераторы.

LC-генераторы на операционных усилителях.

3.2. RC-генераторы.

Генераторы синусоидальных колебаний на операционных усилителях.

Глава 4 . Генераторы импульсов. 4.1. Прямоугольные импульсы.

Мультивибраторы.

Мультивибраторы на операционных усилителях. Блокинг—генератор

4.2. Генератор пилообразных импульсов.

Генераторы импульсов напряжения на логических элементах.

Глава 5. Компьютерное моделирование электронных схем. Cистема компьютерного моделирования MICRO-САР.

Система компьютерного моделирования OrCad.

Список литературы.

Приложение 1. Параметры сердечников, проводов и диодов.

Приложение 2. Параметры транзисторов.

Приложение 3. Параметры некоторых операционных усилителей.

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Электронные генераторы колебаний.

Общие принципы генерирования колебаний

Известно, что из ничего ничто не рождается. Чтобы произвести в природе какоелибо действие, скажем, создать движение, надо затратить определённую энергию. Колебания, в том числе и электрические, – один из видов движения.

Энергия источника электропитания позволяет возбудить генератор электромагнитных колебаний, который, по сути дела, является преобразователем энергии постоянного тока в энергию электрических колебаний.

Генераторы, в которых самостоятельно возникают колебания, называют самовозбуждающимися или автогенераторами. Автогенератор обычно содержит усилительный элемент К, выход которого 2 соединён со входом 1 цепью обратной связи (ОС), как показано на рис. 1.

Рис.1.

Полярность колебаний, поступающих на вход усилителя по цепи ОС, должна быть такой, чтобы поддерживать уже имеющиеся в системе колебания, увеличивая их амплитуду. Такая ОС называется положительной (ПОС).

Коэффициент усиления всей схемы, изображённой на рис.1, K равен:

где K — коэффициент усиления усилительного элемента,— коэффициент обратной связи.

При этом наступает баланс амплитуд K 1 и баланс фаз K 0; 2 ;...,

где и K — углы сдвига синусоиды, вносимые цепью ПОС и усилителем, соответственно.

Коэффициент петли ( K ) становится K 1, и создаются условия для возникновения колебаний на той частоте, где выполняются эти требования.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При коэффициенте передачи петли «усилительный элемент - цепь ПОС» K 1, равному

единице, достаточно малейшего толчка, даже тепловых флуктуаций, чтобы в автогенераторе возникли колебания. Их амплитуда будет нарастать до тех пор, пока не заработает какой-либо сдерживающий механизм, снижающий усиление, например, пока не наступит ограничение амплитуды в усилительном элементе К.

Как было только что сказано, составной частью любого генератора является усилитель, поэтому займёмся сначала анализом работы усилительного каскада и его расчётом.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Глава 1. Усилительные каскады.

1.1.Транзисторные каскады с активной нагрузкой.

Основа расчёта транзисторного каскада с активной нагрузкой есть расчет режима его работы по постоянному току, или, как его ещё называют, режим покоя усилительного каскада.

Рис.2.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

предельно допустимые токи и напряжения транзистора (см. рис. 3).

Рис.3.

Из справочника также выбирают коэффициент усиления усилительного каскада IК IБ

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Далее, если провести из точки EК к кривой PК доп касательную, то её пересечение с осью ординат даст нам значение коллекторного тока, при котором при заданном EК мы не превысим PК доп . Тем не менее, чтобы не рисковать, найденное таким способом значение IKЗ (при закороченном VT1) желательно ещё уменьшить, увеличив величину RК , чтобы наверняка уйти от касания кривой, ограничивающей область допустимых значений PК доп . Зададим рабочее значение

IК раб в два раза меньшим, чем определенное нами значение I КЗ .

Прямая линия, соединяющая точку EК на оси абсцисс и точку IКр есть вольт-амперная характеристика коллекторной нагрузки RК . Она носит название нагрузочной прямой усилительного

каскада.

На графике рис. 3 приведено семейство кривых, представляющее собой вольт-амперные характеристики транзистора IК IК UКЭ в зависимости от тока базы I Б . Для усиления

знакопеременных сигналов рабочую точку РТ располагают на середине нагрузочной прямой подбором величины тока базы от делителя R1-R2. Такую точку называют точкой покоя РТ. Если на вход усилительного каскада будет подаваться переменное напряжение (например, синусоидальное), то на входе в цепи базы появится переменный ток IБ , определяемый приложенным напряжением.

Выходной коллекторный ток I К будет определяться таким значением тока, который получается в точке пересечения нагрузочной прямой с характеристикой транзистора для возникшего тока IБ .

Такая точка на нагрузочной прямой называется рабочей точкой. Рабочая точка перемещается вниз при отрицательной полуволне входного напряжения и вверх — при положительной. При отсутствии входного напряжения рабочая точка РТ должна находиться приблизительно посредине

нагрузочной прямой (в середине между точками а и б на рис. 3). Для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик (то есть далее точки

а), а при перемещении вниз — в область начальных токов коллектора (то есть ниже точки б при

IБ 0).

Займемся далее определением номиналов резисторов и конденсаторов, которые должны использоваться в схеме реального усилителя. Определение этих номиналов будем проводить приближённо, делая ряд допущений, которые будем оговаривать по мере их использования. Такая примерная оценка величин деталей оправдана ещё и потому, что промышленность изготавливает детали с определённым шагом по номиналам. Проектировщику приходится использовать в схемах в реальной ситуации не те номиналы, которые получены при расчётах схем, а ближайшие, которые выпускаются промышленностью. (Шкала номиналов резисторов и конденсаторов, выпускаемых промышленностью, представлена в приложении 1).

Определим коллекторную нагрузку RК для нашей нагрузочной прямой: RК EК IКр . На

самом деле, в соответствии с рис. 2, можно записать EК UКЭ IК RК IЭ RЭ .

Известно, что IК IЭ , а так как =0,960.99 . то без особой погрешности можно считать, что IК IЭ , тогда

EК UКЭ IК RК RЭ .

Для нагрузочной кривой (точка а) возможен режим, когда транзистор VT1 полностью открыт, тогда UКЭ 0 и, следовательно,

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

базе относительно эмиттера для кремниевых транзисторов в режиме отсутствия входного сигнала выбирается, примерно, равной UБЭ 0,5 В. Это соответствует положению рабочей точки,

примерно, на середине нагрузочной прямой.

При появлении переменного по напряжению сигнала на входе усилительного каскада напряжение на эмиттере U Э может измениться. Это, в свою очередь, приведёт к появлению

отрицательной обратной связи по току и сильному уменьшению K — коэффициенту усиления каскада, т.к. K RК RЭ . Чтобы этого не произошло, резистор RЭ шунтируют конденсатором CЭ, который пропускает через себя, практически не оказывая сопротивления, переменную

составляющую __. Величину ёмкости CЭ выбирают из условия 1 0СЭ RЭ , где 0 —

круговая частота усиливаемого сигнала. Для регулировки коэффициента усиления полезно резистор RЭ иметь регулируемым и шунтировать конденсатором CЭ только нижнюю часть RЭ (рис.2), а изменяя величину верхней части сопротивления RЭ1 можно регулировать коэффициент усиления.

RК — сопротивление в цепи коллектора; rЭ — внутреннее сопротивление эмиттера транзистора (обычно величина rЭ 25Ом).

Если RК 1000 Ом и rЭ 25 Ом, то K 100025 40 , а если включить Rэ1=15 Ом, то

K 1000 25 15 25 , при R1э=75 Ом K 1000 25 75 10 .

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Аналогичным образом выбирается и величина ёмкости C 1 в базовой цепи транзистора: 1 C1 R . Следует учитывать при выборе конденсатора С1 (рис.2), что для переменного напряжения сигнала Uвх величина входного сопротивления усилительного каскада Rвх равна Rвх R1R2 R1 R2 , т.е. величине параллельного включения сопротивлений R1 и R2. Дело в

том, что для входного сигнала сопротивление R1 можно считать присоединённым к нулевому проводу («земле») через источник питания EK, внутреннее сопротивление которого весьма мало. Таким образом, оказывается, что входной сигнал присоединяется к сопротивлениям R1 и R2,

которые замкнуты на «землю». Практически 1 C R 3 5 .

В случае включения в коллекторную цепь LCколебательного контура или обмотки трансформатора режим каскада изменяется. Активное сопротивление обмотки обычно

пренебрежимо мало и поэтому постоянное напряжение UК EК . При генерировании синусоиды, в момент, когда транзистор полностью открыт, к обмотке приложено напряжение EК . К окончанию отрицательного полупериода ток достигает величины IКm , и энергия магнитного поля в катушке

W LIК2m 2 , а при запирании транзистора ЭДС самоиндукции заряжает конденсатор контура С до напряжения UК EК . Поэтому напряжение на коллекторе в пределе может достигать 2EК . Это следует учитывать при выборе транзистора по допустимому напряжению UК доп 2EК . И,

соответственно, при построении касательной к кривой допустимой мощности PК доп , (см. рис.2) эту

касательную надо проводить из точки 2EК, а не из точки EК. В остальном порядок расчёта усилительного каскада остаётся прежним.

Операционные усилители.

Термин «операционный усилитель» (ОУ) возник в аналоговой вычислительной технике, где ОУ с соответствующими обратными связями применяется для моделирования различных математических операций (интегрирование, суммирование и т.д.).

Операционные усилители успешно применяются для усиления колебаний различной формы, в частности, синусоидальных, прямоугольных и пр.

Многочисленные параметры, электрические схемы ОУ приведены в справочниках. ОУ имеют коэффициент усиления напряжения K 0 от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч,

предельную частоту усиления — до 1 МГц, требуют двуполярное питание для получения знакопеременного выходного напряжения. ОУ — дифференциальный усилитель, то есть может усиливать разность двух сигналов. Поэтому он имеет два входа — инвертирующий «-» и неинвертирующий «+» и один выход. В реальных схемах усилителей чаще всего требуется небольшой коэффициент усиления, в диапазоне от двух до ста. Регулировка коэффициента усиления с одновременным улучшением качества выходного сигнала достигается с помощью отрицательной обратной связи через делитель R1 и R2 (рис. 4).

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.4.

10