Электронные усилители

Задача № 1

1.                Приведите структурную схему усилителя с заданными каскадами; на схеме укажите заданные напряжения.

2.                Рассчитайте указанный коэффициент усиления.

3.                Перечертите заданную характеристику, укажите её название. Поясните физический смысл заданных качественных показателей, и с помощью приведённой характеристики рассчитайте их.

Дано: состав структурной схемы –  КПУ, ПОК, ОК.

Параметры для расчёта: Uвх ус =10мВ, Uвых ус = 0,5В, Uвых кпу = 100мВ.

 Найти: Ккпу.,  ДРЧ Мf =100 Гц

Решение:

1)                Структурная схема усилителя с заданными каскадами

                                                     Uвх ПОК                 Uвх ОК

                                   Uвых КПУ                Uвых ПОК

Вых. устр.

ОК

ПОК

КПУ

Вх. уст.р

Н

ИС

Е

UИС                          UВХ КПУ                                                                                UВЫХ ОК  UН

2)                Расчёт коэффициента усиления (Ккпу) по заданным величинам напряжений.

 Коэффициент усиления, показывает во сколько раз КПУ, усиливает входное напряжение.  За входное напряжение КПУ берем значение Uвх ус =10мВ, так как входное устройство является элементом согласования каскадов усилителя и усилительными свойствами не обладает.

3) Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

               К

             60

             50                                                                   К ср

             40

    0,707КСР

             30

             20

            10

                                                                                      f кГц

                 0      0,1    0,2     0,4    0,8   1,6     3,2    6,4     12,9

АЧХ усилителя  отображает зависимость К от частоты, на ней видно, что в диапазоне частот от 0,05 до 0,2 кГц коэффициент  возрастает, затем в диапазоне от 0,2 до 3.2 кГц коэффициент не изменяется, а затем начинает уменьшаться.

ДРЧ  (диапазон рабочих частот) – диапазон частот, в котором коэффициент усиления К уменьшается не более, чем на 1 дБ, то есть в 1.41 раза. 

Поэтому на уровне , проводим вспомогательную линию, параллельную оси f . Точки пересечения этой линии с АХЧ проецируем на ось f. Получаем искомый ДРЧ от нижней частоты fН до  fВ.

По примеру из методического пособия (рис.8), для решения  задачи находим из графика среднее значение КСР. КСР =50

Затем  находим 0,7КСР = 0.7 50 = 35,   на этом уровне проводим прямую параллельную  оси f.

Из получившихся расчетов делаем вывод, что предложенная в задаче АЧХ усилителя  находится в диапазоне рабочих частот и  данный диапазон лежит в пределах от

 fН =0,075 кГц и  до fВ =11,6 кГц.

ДРЧ усилителя от fН =0,075 кГц и  до fВ =11,6 кГц.

Рассчитаем значение

КСР =50 = определили из графика, по графику также определяем значение Кf для частоты 100 Гц оно равно 40 (Кf =40).

Рассчитываем  по формуле значение

Задача № 3

1.                Укажите назначение операционного усилителя (ОУ) и его преимущества.

2.                 Приведите схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, поясните назначение элементов схемы.

3.                Рассчитайте элементы схемы и постройте ее АЧХ. 

Дано: Активный фильтр нижних частот.  fСР = 1 кГц, КФНЧ =100, RИС =1 кОм

Определить: 1) указать назначение операционного усилителя и его преимущества;

 2) привести схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, пояснить назначение элементов схемы;

 3) рассчитать элементы схемы и постройте ее АЧХ. 

Решение:

1)  Назначение и преимущества операционного усилителя.

Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций с входными сигналами: усиления, сложения, вычитания, умножения, интегрирования и т.д.

OУ выполняется в виде интегральных схем. В состав схем входят дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопротивление, малый шум; каскад предварительного усиления и усилитель мощности (эмиттерный повторитель).

Для ОУ характерны большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление, широкий диапазон рабочих частот, низкий уровень шума.

2) Активный фильтр нижних частот на ОУ:

                                                                  ССВ

                                                                               RСВ

                                                  R1                         DA

                                         R2

                                                                                RН     UВЫХ

                            UВХ

R1 и RСВ – задают коэффициент усиления схемы;

R2 согласует неинвертирующий вход ОУ с источником сигнала;

RСВ и ССВ определяют частоту среза фильтра.

1)                Расчет элементов схемы и построение АЧХ.

Чтобы согласовать инвертирующий вход ОУ с источником сигнала значение R2 выберем равным  RИС.  RИС по условию задачи равно 1 кОм. Можно записать

R2= RИС=1кОм

Коэффициент передачи фильтра рассчитаем по формуле

Величина сопротивления R1 выбирается из расчета от 1 до 3 кОм. Пусть R1 = 2 кОм.

Тогда ( КФНЧ =100 по условию задачи).

Для расчета емкости ССВ  сначала рассчитываем круговую частоту среза

    вычисляем     [ рад/с]

Частота среза определяется цепочкой RСВ и ССВ и равна

 , отсюда

Рассчитаем частоту  , на которой КФНЧ  = 0

Строим график:

Для построения графика от значений ω был взят десятичный логарифм от полученных ранее значений.

lg ωСР = lg 6280  = 3,8 ;lg ω0 = lg 126∙104  = 6,1

        К

                60

               50

               40

               30

                20

               10

                     0                                     6280               126∙104  ω  (рад/с)

                                                                        ωСР            ω0                     lg ω, дек

                                  1       2       3       4        5       6       7       8

Задача № 4

Рассчитать каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе КТ312А 

n-p-n  - типа, включенном с общим эмиттером, с последовательной отрицательной обратной связью по току.

Дано: Ек = 15В, КООС = 10, FH = 75Гц,  RH = 10кОм, IК max ДОП = 30мА, h21э min = 10,

h21э max = 100, rб = 100 Ом.

Рассчитать: элементы схемы и рабочий режим транзистора.

Решение:

Принципиальная схема резистивного усилителя напряжения:

                                                                             ЕК

                                                                           +    −

                                                                  RК

                                                                       СР

                                                    RД1              

                                     СР                       VT

                                                                        UВЫХ

                                                                          RН

                                UВХ              RД2

                                                                 RЭ   СЭ

1. Сопротивление нагрузки коллекторной цепи RК

кОм   (стандарт 620 Ом), где    IKmax = КЗ IК max ДОП =  = 0.75 IKmax ДОП =0,75∙ 30=22,5 (мА)   где КЗ коэффициент запаса по току IК .

Обычно КЗ = 0,7…0,8. приняли для задачи КЗ=0,75

2. Сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ .  

Требуемая стабилизация режима работы достигается, если Rэ ≈ 0,1RK

Rэ ≈  0,1∙ 610 = 61 Ом.   Выберем стандарт Rэ = 62 Ом.

3. Эквивалентное сопротивление делителя  Rд1 , Rд2 :

Rдел =  RЭ ∙ (Si – 1),

где  Si – коэффициент нестабильности в реальных схемах Si=2…5.   Примем   среднее значение   Si= 3,5.

Rдел = 61 ∙ (3,5 – 1) = 61 2,5 = 152,5 Ом.

4. Определяем рабочий режим транзистора:

 - минимальный коллекторный ток

IKmin = 0.1∙ IKmax = 0.1∙ 0.75∙ 30 = 2.25мА.

 - максимальный коллекторный ток:

IKmax =0.75∙ IK max доп = 0,75 ∙ 30 = 22,5 мА.

 - максимальное коллекторное напряжение ( UKЭ max)

- минимальное значение UКЭ

       ,

где Uкэнас = 0,8В, так как для кремниевых транзисторов  такое значение напряжения насыщения.

Параметры рабочего режима транзистора в рабочей точке:

- выходное напряжение UКЭРТ – напряжение на коллекторе в рабочей точке:

Выходной ток  - ток коллектора в рабочей точке:

Входной ток в рабочей точке - ток базы

 ,

где  h21э – средне- геометрическое значение коэффициента передачи тока., тогда входной ток  

Входное напряжение – напряжение на базе транзистора в рабочей точке UБЭРТ:

,

где UБЭ0 – пороговое напряжение биполярного транзистора. Для кремниевых транзисторов UБЭ0 = 0,7 В; rБ =100 Ом из данных задачи

- расчёт делителя Rд1 и Rд2

Стандартное значение Rд2 =180 Ом 10%

Стандартное значение Rд1=1,6 кОм 5%

- значение емкости  разделительного  конденсатора определяется, исходя из нижней частоты диапазона усиливаемого сигнала

стандартное значение 0,2 мкФ

- Расчет емкости блокировочного конденсатора:

   Стандартное значение : 330 мкФ10%

расчет коэффициента усиления каскада

коэффициент получился меньше заданного. Возьмем величину RК из стандартного ряда сопротивлений  равной 680 Ом  и рассчитаем вновь:

  что соответствует требованию задания.

Задание № 5

Привести схему автоколебательного мультивибратора, указать его назначение. Рассчитать длительность импульсов tИ1 и tИ2, период следования импульсов Т и частоту следования импульсов ƒ.  Построить временные диаграммы Uк1= ƒ(t) и Uк2 = ƒ(t).

Дано: RК1 = 100 Ом; RК2 = 82 Ом;  R1= 2кОм; R2 = 3кОм;  C1 = C2 = 10нФ; E = 15В.

Рассчитать:  tИ1, tИ2, Т,  ƒ.

Решение:

Схема автоколебательного мультивибратора  

                                                                                    +  Е   −

                                   RК1          R2                      R1             RК2

                                         С2                                       С1

                                        VT1                           VT2

                  UВЫХ1                                                   UВЫХ2

Мультивибратор – это релаксационный генератор. Мультивибратор формирует импульсы не синусоидальной формы – на выходе мультивибратора могут быть импульсы прямоугольной или пилообразной  форм. Мультивибратор имеет накопитель энергии – конденсатор и электронный ключ – транзистор – переключение которого обусловлено запасом энергии в конденсаторе. Параметры выходных импульсов определяются параметрами элементов схемы. Мультивибраторы применяются в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники.

2. Расчёт длительности импульсов проводится по формуле tИ = 0,7 RC

расчет tИ1=  0,7 R1C1

расчет    tИ2=  0,7 R2C2

Длительность фронтов импульсов зависит от времени заряда емкости и определяется по формулам:

Период следования импульсов:

Т = tИ1 +  tИ2 = 14 + 21 = 35мкс

Частота следования импульсов:

Амплитуда импульсов:   по среднему значению

Временные диаграммы выходных  сигналов:   Uк1= ƒ(t) и Uк2 = ƒ(t).

Для построения:   tИ1=  14 мкс;          tИ2= 21 мкс

                               tФ1= 2,5 мкс        tФ2= 2,05 мкс

                               Um=12В

   UК1

                       tИ1

    16

    12

     8

     4

       0                                                                                                                        

                  5      10     15     20     25      30                    40    45      50     55     60  t,мкс              

                                                                 tФ1

UК2                 

    16                                          tИ2

     12

      8  

       4                                           

      0

                   5       10    15     20     25     30      35      40    45     50     55     60      t, мкс    

tФ2

Литература

1.                 Электронная техника. Программа, методические указания.. М, 2003

2.                 Электронные приборы и усилители. Программа, методические указания …М, 1995