Курсовая работа на тему: "Электронный усилитель"

У нас на сайте представлено огромное количество информации, которая сможет помочь Вам в написании необходимой учебной работы. 

Но если вдруг:

Вам нужна качественная учебная работа (контрольная, реферат, курсовая, дипломная, отчет по практике, перевод, эссе, РГР, ВКР, диссертация, шпоры...) с проверкой на плагиат (с высоким % оригинальности) выполненная в самые короткие сроки, с гарантией и бесплатными доработками до самой сдачи/защиты - ОБРАЩАЙТЕСЬ!

        Введение

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов , в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости  в газах ,вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Все усилители имеют свои активные элементы, благодаря которым и происходит преобразование сигнала. 

Усилители применяются для усиления мощности сигнала .

Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления  (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями

В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики

Некоторые усилители  оснащены системами автоматической регулировки усиления или автоматической регулировки мощности Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.

Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

                         Описание схемы резистивного каскада усилителя

на  биполярном транзисторе .

Рисунок 1.1

  Принципы усиления резисторным усилителем на биполярном  транзисторе

   Известно, что наибольшее применение в усилителях в качестве УЭ находят лампы и транзисторы, которые обладают как положительными, так и отрицательными свойствами.

Электронные лампы исторически появились первыми, но своего значения не потеряли до сих пор. Это обусловлено рядом их положительных свойств:

1. Практическим отсутствием зависимости параметров лампы от частоты.

2. Малым разбросом параметров и их практической независимостью от температуры и других внешних факторов.

3. Малыми обратными связями через проходные межэлектродные емкости.

4. Усилители на лампах работают на частотах до 2−3 ГГц.

В то же время, лампы обладают недостатками, которых лишены транзисторы. Достоинства транзисторов:

1. Меньшие номиналы напряжений источников питания и меньшая потребляемая мощность (то есть более экономичны).

2. Отсутствуют цепи накала, что обеспечивает мгновенность действия после включения питания. Меньшее выделение тепла. Все это упрощает монтаж и уменьшает паразитные связи.

3. Более высокая надежность и более длительный срок службы.

4. Возможность миниатюризации, что уменьшает габариты и вес аппаратуры.

Недостатки транзисторов:

1. Большой разброс параметров транзисторов и их сильная зависимость от температуры.

2. Зависимость параметров от частоты.

3. Относительно низкий коэффициент усиления.

4. Наличие больших обратных связей, чем в лампах, что ограничивает частотный диапазон использования транзисторов.

Тем не менее, следует помнить, что процесс развития транзисторной техники непрерывен. Совершенствуются не только технология производства и сама конструкция транзисторов, но и используются технические решения, позволяющие если не устранить, то существенно уменьшить проявление указанных недостатков. В целом же, в силу своих замечательных свойств, транзисторы получили широкое применение в радиотехнике. Поэтому в дальнейшем основное внимание в этом пособии будет уделяться устройствам на транзисторах.

Назначение элементов

 Конденсаторы СР разделяют переменную и постоянную составляющие тока. Накапливают и отдают электрическую энергию.

Резисторы R1, R2 − делитель напряжения, устанавливают рабочую точку на ВАХ транзистора, обеспечивают подачу смещения. Кроме того, делитель напряжения R1, R2участвует в обеспечении температурной стабилизации работы транзистора в усилительном каскаде .

Резистор RН − нагрузочное сопротивление, с которого снимается усиленное напряжение.

Конденсатор СБЛ уменьшает паразитную связь через источник питания.

Работа усилителя на транзисторе аналогична работе лампового усилителя. Отличие состоит в том, что входной сигнал подаётся на базу транзистора, а выходной снимается с коллектора (в схеме с общим эмиттером).

Таблица 1.1

                                                 Расчет элементов

Рассчитаем IКМ по следующей формуле

 = 1200=1,2  кОм

Определив RСР и UВХ М СЛ , рассчитав IКМ , выберем IК0

IКО = (1,2…1,5) IКМ

Проверим, правильно ли Вы выбрали IК0 . Для этого сравним его с Iк мах из таблицы справочных данных транзистора. Расчет IК0 верен.

Рассчитаем выходное напряжение в точке покоя UК0 . UК0 равно разности напряжения на резисторах R и RЭ, т.е.

 (0,00338  1065)

  В

Обычно выбирают :

сопротивление резистора в коллекторной цепи

Rк  1,065 кОм

сопротивление резистора в эмиттерной цепи

Rэ  1, 065 кОм

Значения  коэффициентов при Е следует брать такими, чтобы сумма коэффициентов составила 0,5…0,6.

Рассчитав значения R и RЭ , выберем ближайшие номиналы по таблице №5. Они равны Rк = 3,3 ; Rэ = 3,3 .

При расчете UК0  в формулу подставим выбранные значения.

Проверим  правильность расчета UК0 и выбора Rк и RЭ .

 Если 3 В<UК0<(0.3…0.4)UКЭ МАХ ,UКЭ МАХ   берем  из справочных данных транзистора, то выбор сделан верно. 3 < 4,8 < 10 да , расчёт верен.

Если же это условие не соблюдается, следует пересчитать Rк, RЭ и UК0 , изменив коэффициенты при Е .

Входной ток в точке покоя IБ0 определяем расчетным путем для наихудшего транзистора, т.е. имеющего наименьший коэффициент усиления по току h21Э:

,                 h21МИН  берем из справочных данных транзистора .

Рассчитаем коэффициенты усиления каскада по току КI , напряжению КU, мощности КP для наихудшего транзистора. Прежде чем рассчитать коэффициент усиления каскада по току КI надо определить :

Сопротивление делителя смещения следующего каскада

    581,56028 Ом

Входное сопротивление следующего каскада

  =123 ,62287  Ом

Сопротивление нагрузки выходной цепи транзистора току сигнала

  = = 110,76 Ом , где

Rк – сопротивление в цепи  коллектора

Теперь можно рассчитаем коэффициент усиления по току .

  = 153,36

Коэффициент усиления каскада по напряжению определяем по формуле:

  = = 8,96

RВХ Э – входное сопротивление транзистора, определяем по формуле:

287,7 + 1)

 Ом =2,2 кОм

r1 Б – сопротивление области базы, берем из справочных данных транзистора.

h21Э – типовое значение коэффициента передачи тока, определяем по формуле:

=  287,7

Коэффициент усиления каскада по мощности определяем по формуле:

КP = КI * КU

КP = 1374,1

Рассчитаем емкость разделительного конденсатора С.

Известно, что частотные искажения на низких частотах в резисторных каскадах создаются разделительным конденсатором С и конденсатором эмиттерной стабилизации СЭ . поэтому емкости конденсаторов С и СЭ рассчитываются, исходя из допустимых частотных искажений в области нижних частот:

  4,7    4,7 мкФ

   В этой формуле не известно RЭКВ Н – внутреннее сопротивление эквивалентного генератора в области нижних частот. В расчетах можно считать RЭКВ Н  приблизительно равным сопротивлению в коллекторной цепи транзистора R, т.е. RЭКВ Н ≈ R.

МН подставляем в формулу в относительных единицах. В условии задачи МН задается в децибелах. Переведем значение МН в относительные единицы по таблице №4.

Расчет схемы эмиттерной стабилизации заключается в расчете сопротивлений резисторов делителя смещения  RД1 , RД2 по выбранному значению RЭ .

Сначала рассчитаем общее сопротивление делителя:

       R д = R э  =  1065  = 1065    = 2130 Ом =2,130 КОм

     S – коэффициент нестабильности, по которому оценивается эффективность стабилизации.

Обычно для нормальной работы каскада величина S должна быть в пределах от 2 до 5. В нашем случае при небольшом изменении температуры (5…400 С) достаточно выбрать S=3.

Рассчитав RД , рассчитаем  RД1 и RД2:

Сопротивление гасящего резистора

  = 7100 = 7,1 кОм

Сопротивление резистора смещения

Rд2 =  = 3042,8 Ом =3,042 кОм

Выберите стандартные значения сопротивлений RД1 и RД2 . Округляйте их значения в большую сторону.

   Подбор элементов

Имеем резисторы с ниже приведенными cопротивлениями .

R д2 = 3,05 кОМ

R д1 =7,1кОм

R д1сл =2кОм

 R д2сл =820 Ом

R вхтрсл= 130 Ом

Округлим их до  стандартных номинальных  значений в большую сторону.

R д2 = 3,3 кОм

R д1 = 7,5 кОм

R д1сл = 2 кОм

R д2сл =  820 Ом

R вхтрсл = 130 Ом

Получив стандартные номинальные сопротивления резисторов выберем радиоэлементы  для их  монтажа  .

SMD-резисторы  -  резисторы  , которые в десятки раз меньше по размерам и массе, чем традиционные детали, благодаря этому достигается более высокая плотность их монтажа на печатных платах устройств. В наше время электроника развивается огромными темпами, одно из направлений - это уменьшение габаритных размеров и веса приборов. SMD-компоненты - благодаря своим размерам, дешевизне, высокому качеству - получили огромное распространение и все больше вытесняют классические элементы с проволочными выводами. Обычные детали вставляются в специальные отверстия в плате, а SMD-резисторы припаиваются к расположенным на поверхности печатной платы контактным дорожкам (пятачкам), что тоже упрощает разработку и сборку радиоэлектронных приборов. Благодаря возможности навесного монтажа радиокомпонентов стало возможным изготавливать печатные платы не только двухсторонними, но и многослойными.

SMD-резисторы представлены довольно в широком диапазоне номинальных значений: от одного Ома до тридцати МОм. Температурный режим работы таких резисторов колеблется от -550°C до +1250°C. Мощность SMD-резисторов достигает 1 Вт. При увеличении мощности увеличиваются габаритные размеры.

 Выберем для монтажа конденсаторы .

 Конденса́тор  — двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин , разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок .

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы ( ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму или массе диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости. 

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках.

Температурный коэффициент ёмкости

ТКЕ — относительно изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия.

Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением и температурой. Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.

Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.