18

Федеральное агентство по образованию РФ

Вологодский государственный технический университет

Кафедра: Биомедицинской техники

Курсовой проект

Проектирование усилителя с фиксированным током базы

Выполнил: студентка гр. ИМ-31

Святкина О.А.

Проверил: профессор Домаков А.И.

Вологда

2005

Содержание

Введение……………………………………………………………………………3

1 Краткие сведения из теории……………………………………………………..3

1.1 Классификация усилителей, основные характеристики………………3

1.2 Обзор схем включения транзисторов…………………………………..9

2 Цель и задача проекта……………………………………………………………10

3 Выбор электросхемы усилителя………………………………………………..11

4 Расчет элементов схемы усилителя с фиксированным током базы с учетом заданных параметров………………………………………………………………12

5 Спецификация………………………………………………………

Заключение………………………………………………………………………..

Список использованных источников………………………………………….

Введение

1. Краткие сведения из теории

1. Классификация усилителей, основные характеристики

В настоящее время трудно определить область техники, где бы не находили применение усилители электрических сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании различных неэлектрических физических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных (нагрузочных) устройств.

Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для усиления сигнала по мощности.

Схема любого усилителя состоит из активного элемента (электровакуумная лампа, транзистор), предназначенный для управления током с помощью слабого сигнала; пассивных цепей, для прохождения постоянной и переменной составляющей тока.

Рис. 1 Структурная схема усилительного каскада

Управляемые нелинейные элементы современных усилителей выполняются, как правило, с использованием биполярных и поле­вых транзисторов. Поэтому их часто называют тран­зисторными усилителями.

Транзистор в аналоговых усилительных устройствах выполняет роль управляемого сопротивления, включенного в цепь нагрузки и источника питания.

В зависимости от структуры схемы и конкретного выполнения нелинейного элемента усилитель может быть снабжен одним или несколькими входами и выходами. В зависимости от того, совпадает ли фаза выходного сигнала усилителя с фазой его входного сигнала или она сдвинута на 180°, усилители подразделяют соответственно на неинвертирующие и инвертирующие.

Классификация усилителей осуществляется по различным при­знакам их обобщенной структурной схемы.

По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

По типу усиливаемой величины их делят на усилители напря­жения, тока и мощности. Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от других типов пре­образователей электрического сигнала.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0<f_упт <f_в.

Усилитель переменного тока усиливает входной сигнал, лежа­щий в диапазоне от некоторой нижней (f_н) до некоторой верх­ней (f_B) частот f_н<f<f_в. Сигналы постоянного тока данным типом усилителя не усиливаются.

В свою очередь, среди усилителей переменного тока по кон­кретным значениям частот f_н и f_в могут быть выделены следую­щие подгруппы устройств:

усилители низкой частоты (УНЧ)—устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;

усилители высокой частоты (УВЧ) — устройства с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц;

широкополосные усилители — устройства с диапазоном усили­ваемых частот от десятков — сотен герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители, обеспечивающие уси­ление в очень узком диапазоне частот.

По виду соединительных цепей усилительных каскадов. Так как усилительные устройства строятся, как правило, на основе после­довательного включения нескольких типовых каскадов, то разли­чают усилители с гальванической (непосредственной) связью, предусматривающие передачу между каскадами сигнала как пе­ременного, так и постоянного токов;

Рис. 2 Схемы усилителей с непосредственной связью

усилители с RС-связями, в ко­торых между выходом предыдущего и входом последующего каска­дов включают резистивно-емкостную цепь, исключающую передачу сигналов постоянного тока;

Рис. 3 Усилительный каскад с RC-связями

усилители с индуктивной (трансфор­маторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор.

а) б)

Рис.4 Схемы трансформаторных каскадов:

а- с последовательным включением трансформаторов, б- с параллельным включением трансформаторов

По виду нагрузки различают усилители с активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузкой. На практике встречаются также резонансные усилители, нагрузка в которых обладает свой­ствами резонансного контура.

Основные характеристики усилителя

Важнейшими характеристиками усилителя являются: коэффи­циент усиления, полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя), входное и выходное сопротивления, выходная мощ­ность, степень искажения усиленного сигнала и др.

Коэффициент усиления — отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

по напряжению K_U = U_вых/U_вх;

по току К_I = I_вых/I_вх

по мощности K_P =P_вых/P_вх = U_выхI_вых/U_вхI_вх = К_UK_I

При каскадном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэф­фициент усиления системы, т. е.

Кобщ — К1К2 …Кn.

В общем случае коэффициенты усиления являются комплекс­ными величинами, что отражает наличие фазовых искажений уси­ливаемого сигнала.

В электронике и автоматике широко используют логарифмиче­ские единицы оценки коэффициента усиления, который выра­жается в децибелах.

Полоса пропускания усилителя – диапазон рабочих частот ∆ω, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже значения 1/ 0,707 от своего максимального значения К_max. Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя.

Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты.

Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика усилительного устройства

Выходная мощность усилителя – это та часть мощности, которая может быть выделена в нагрузочном устройстве.

К выходу усилителя подключаем переменное сопротивление потенциометр и устанавливаем с помощью прибора Щ43-00 сопротивление нагрузки 0,2R_к, 0,5R_к, 0,7R_к, 0,8R_к, 0,9R_к, R_к, 1,1R_к, 1,2R_к, 1,3R_к, 1,4R_к, 1,5R_к. Каждый раз, измеряя напряжение на нагрузке вольтметром. Определяем мощность, отдаваемую в нагрузку как . Максимальное значение мощности будет при R_н=R_к.

Искажение сигнала в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала.

Усилители на биполярных транзисторах

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить режим покоя. На входной характеристике (при U=5В) выбираем точку покоя (входного сигнала нет, усилитель находится в режиме ожидания). Начальный режим работы характеризуется положением точки покоя с координатами (U_бэ0 , I_б0). Точку покоя нужно выбирать так, чтобы обеспечить линейный режим работы усилителя (когда на вход подан сигнал). Для характеристики проблемы обеспечения начально­го режима традиционно и вполне оправданно рассматри­вают следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;

• с коллекторной стабилизацией;

• с эмиттерной стабилизацией.

Рассмотрим схему резистивного усилителя с фиксированным током базы.

Рис. 6 Резистивный усилитель с фиксированным током базы

В соответствии со вторым законом Кирхгофа: .

Отсюда находим ток коллектора I_к: , что соответствует линейной зависимости вида y=ax+b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики и линию нагрузки.

Рис. 7 Выходные характеристики и линия нагрузки

В соответствии со вторым законом Кирхгофа: .

Отсюда находим ток базы I_б: .

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i6 задает­ся величинами Ек и Rб (ток «фиксирован»). При этом .

Схему резистивного усилителя с фиксированным током базы используют реже по следующим причинам:

• при воздействии дестабилизирующих факторов (на­пример, температуры) изменяются величины β и I_ко, что изменяет ток I_б0 и положение начальной рабочей точки.

• для каждого значения β необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при ис­пользовании как дискретных приборов (т. е. приборов, из­готовленных не по интегральной технологии), так и инте­гральных схем.

Схема резистивного усилителя с коллекторной стабилизацией. Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен с входом схемы — базой транзистора с помо­щью сопротивления Rб).

Схема резистивного усилителя с фиксированным напряжением на базе и эммитерной стабилизацией.

Рис. 8 Резистивный усилитель с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией.

R_э в данной схеме предназначено для температурной стабилизации точки покоя. Конденсаторы предназначены для разделения путей протекания переменной и постоянной составляющей тока. R₁ и R₂ обеспечивают фиксированное напряжение на базе транзистора, выбор точки покоя на входной и выходных характеристиках.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D. Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля. При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входно­го сигнала. В режиме В I_б0=0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).