СодержаниеВведение 3
1. Усилители: понятие, основные параметры, характеристики. 4
2. Обратные связи в усилителях. 10
3. Усилительные касады на биполярных транзисторах. 13
4. Режимы работы транзистора в усилителе. Обеспечение стабильности рабочей точки. 16
5. Усилители постоянного тока. Операционные усилители. 20
6. Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе. 23
7. Расчёт источника напряжения. 29
Заключение 31
Список использованной литературы 32ВведениеВведение
Целью выполнения курсовой работы является изучение основных понятий, параметров и характеристики усилителей, являющихся одними из важнейших устройств аналоговой и цифровой электроники. Изучение методов обеспечения режима работы транзисторов, каскадов усиления, а также способов обеспечения стабильности рабочей точки.
В результате выполнения курсовой работы должны быть изучены также основные виды и характеристики операционных усилителей и приведён алгоритм расчёта усилительного каскада на биполярном транзисторе, а также расчёт источника напряжения.
Усилители: понятие, основные параметры, характеристики.
Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, намного, как правило, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис.1).
Рис.1. Общая схема усилителя.
Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:
— по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
— по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
— по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает.
Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению KU, току KI или мощности KP.
, ,
где UВХ, IВХ – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;
UВЫХ, IВЫХ – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;
PВХ, PВЫХ – мощности сигналов соответственно на входе и выходе.
Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:
KU(дБ) = 20lg(KU), KI(дБ) = 20lg(KI), KP(дБ) = 20lg(KP).
Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: . Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:
K(дБ)= K1(дБ) + K2(дБ) + … + Kn(дБ).
Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:
,
где - модуль коэффициента усиления.
- сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами UВХ и UВЫХ
Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия
где PИСТ - мощность, потребляемая усилителем от источника питания.
Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.
К количественным показателям усилителя относятся также входное RВХ и выходное RВЫХ сопротивления усилителя:
где UВХ и IВХ – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя.
UВХ и IВХ - приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.
К основным характеристикам усилителей относятся следующие характеристики:
Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (Рис. 2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при UВХ=0, точка 2 —минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.
Участок 2-3 - это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):
где U1m, U2m, U3m, Unm – амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно.
Рис.2. Амплитудная характеристика.
Величина характеризует динамический диапазон усиления.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.
АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рисунке 3. Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн - fв) - полосой пропускания усилителя.
При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений , где Kf -модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.
Рис.3. Типовая АЧХ.
Коэффициенты частотных искажений и называют соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.
Типовая ФЧХ приведена на рисунке 4. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.
АЧХ и ФЧХ могут быть также построены в логарифмическом масштабе. В этом случае они называются ЛАЧХ и ЛФЧХ.
Рис.4. Типовая ФЧХ.
Пример возникновения фазовых искажений приведён на рисунке 5, где показано усиление входного сигнала, состоящего из 2-х гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.
Рис. 5. Пример возникновения фазовых искажений.
Переходная характеристика усилителя — это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 6).
Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.
Рис.6. Переходная характеристика усилителя.
2. Обратные связи в усилителях.
Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину), В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и это приводит к уменьшению выходного сигнала.
Когда в 1928 г. была предпринята попытка запатентовать отрицательную обратную связь, то эксперты не увидели ее полезности и дали отрицательный ответ. И действительно, на первый взгляд, отрицательная обратная связь только уменьшает коэффициент усиления усилителя. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т. д.
Различают следующие 4 вида обратных связей в усилителях (Рис.7ЛитератураСписок использованной литературы
1. Электроника: Учеб. Пособие/ В.И. Лачин, Н.С.Савёлов.- 5-е изд., перераб. и доп.-Ростов н/Д:Феникс,2005. – 704 с. - (Высшее образование).
2. Прянишников В.А.. Электроника : Курс лекций.- СПб.:Корона-принт, 2004.-416 с.
3. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П.Глудкина.- М.:Радио и связь, 2002.-786с.
|
|
