Электроника сегодня – это самая бурно развивающаяся отрасль науки и техники. Область, посвященная применению электронных приборов и технических устройств на их основе в промышленности, называется промышленной электроникой. Современный этап развития техники характеризуется все более возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей.
Целью курсового проекта являлось закрепление на практике изученных теоретических положений курса «Cхемотехника аналоговых и цифровых устройств», расчет и моделирование заданных схем.
В первом разделе проекта раскрывается понятие электронного усилителя, приводится принцип его работы, рассматриваются различные типы электронных усилителей и их параметры и характеристики. Во втором разделе рассматриваются различные виды обратных связей в усилителях и результаты из воздействия на работу электронных схем. Третий раздел посвящен описанию и анализу электронных усилителей на основе биполярных транзисторов. В этом разделе также проводится сравнительный анализ параметров усилителей с различным включением транзисторов в схемах, рассматриваются вопросы температурной стабилизации. В четвертом разделе анализируется состав, параметры, характеристики операционных усилителей.
В пятом разделе выполнен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с техническим заданием. В шестом разделе выполнен расчет усилителя низкой частоты на основе операционного усилителя. В седьмом разделе выполнен расчет параллельного сумматора на операционном усилителе. В восьмом разделе представлены результаты моделирования схем, рассчитанных в предыдущих разделах.
Понятие, классификация, параметры, характеристики усилителей
Частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией, во много раз большей, называется усилением [1]. При этом необходимо, чтобы процесс управления являлся непрерывным, плавным и однозначным. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.
Если управляющая и управляемая энергии являются электрическими, такой усилитель называется усилителем электрических сигналов. Эти усилители широко используются во всех областях техники.
По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.
По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленно изменяющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, широкополосные, избирательные, универсальные, многофункциональные и пр.
В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока, мощности. Такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность.
В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические.
В ряде случаев усилители выполняют комбинированными с применением активных компонентов различных типов. Кроме того, их иногда подразделяют на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала. Структура усилителя и его характеристики приведены на рисунках 1.1 1.6.
Основные показатели усилителей электрического сигнала зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения.
Рисунок 1.1 – Структура усилителя
Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала ко входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления. Размерность и общепринятые обозначения коэффициента преобразования зависят от значений и величин входного и выходного сигналов, например S = Iвых / Uвх - коэффициент преобразования напряжения в ток; W = Pвых / Iвх – коэффициент преобразования тока в мощность.
В зависимости от характера входной или выходной величин коэффициент усиления подразделяют на коэффициент усиления по напряжению
Ku = Uвых / Uвх;
коэффициент усиления по току
Ki = Iвых / Iвх;
коэффициент усиления по мощности
Кр = Рвых / Рвх
В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):
Ku = 20 lg (Uвых / Uвх);
Ki = 20 lg (Iвых / Iвх);
Kp = 20 lg (Pвых / Pвх).
Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, общий коэффициент усиления которого равен произведению этих коэффициентов, то его находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.
Рисунок 1.2 – Частотная характеристика усилителя
Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных компонентов и инерционности активных приборов.
Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:
D = Uвх max / Uвх min;
D[дБ] = 20 lg (Uвх max / Uвх min).
Введение коэффициента D, характеризующего динамический диапазон, необходимо потому, что максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики.
Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить. В ряде случаев напряжением Uвх min считается сигнал, который дает выходное напряжение, равное действующему значению напряжения шумов усилителя.
Рисунок 1.3 – Фазовая характеристика усилителя
В общем случае входное и выходное сопротивления – величины комплексные из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях. В рабочем диапазоне частот они обычно приближаются к активным.
Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.
Рисунок 1.4 – Фазовая характеристика усилителя для диапазона низких частот
Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:
h = Рвых / Р0
Он характеризует энергетические показатели усилителя.
Рисунок 1.5 – Фазовая характеристика усилителя в диапазоне высоких частот
Характеристики преобразователя показывают, как преобразуется входной сигнал в зависимости от параметров усилителя.
Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рисунок 1.2).
Фазо-частотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжением от частоты (рисунок 1.3). В ряде случаев для наглядности строят фазовые характеристики отдельно для области низких и области верхних рабочих частот (рисунки 1.4, 1.5).
Амплитудно-фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рисунок 1.6). она объединяет в себе амплитудно- и фазо-частотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента K(jw).
Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды значения напряжений первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рисунок 1.7).
Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рисунок 1.8). Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления tу и выбросом d.
Рисунок 1.8 – Переходная характеристика усилителя
Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – полоса частот от низшей рабочей частоты fн до высшей рабочей частоты fв, в пределах которой коэффициент усиления усилителя не выходит за пределы заданных допусков. Это касается как модуля, так и фазы коэффициента усиления, так как последний обычно бывает комплексным из-за влияния реактивных элементов.
Фазовые искажения появляются вследствие отклонения фазочастотной характеристики реального усилителя от идеальной. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами активных приборов. Постоянное значение фазового сдвига для различных частот имеет место в том случае, когда коэффициент усиления изменяется по линейному закону.
Нелинейные искажения обусловлены нелинейностями амплитудной характеристики усилителя. Количественно их оценивают или коэффициентов нелинейных искажений Кни, или коэффициентом гармоник Кг.
Использование обратной связи в усилителях
Обратной связью [1] в усилителях называют явление передачи сигнала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рисунке 2.1. В нем выходной сигнал усилителя 1 (в виде напряжения Uвых или тока Iвых) через цепь обратной связи 2 частично или полностью подается к схеме сравнения. В ней происходит вычитание (или сложение) входного сигнала Uвх или Iвх и сигнала обратной связи Uос или Iос. В результате этого на вход усилителя поступает сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи.
Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь обратной связи и часть усилителя между точками ее подключения.
Местной обратной связью (местной петлей обратной связи принято называть обратную связь, охватывающую отдельные каскады или части усилителя, а общей обратной связью – такую обратную связь, которая охватывает весь усилитель.
Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал обратной связи суммируется с входным. При отрицательной обратной связи коэффициент усиления уменьшается, а при положительной – увеличивается. Из-за схемных особенностей усилителя и цепи обратной связи возможны варианты, когда обратная связь существует либо только для медленно изменяющейся составляющей выходного сигнала, либо только для переменной составляющей его, либо для всего сигнала. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по переменному, а также как по постоянному, так и по переменному токам.
Рисунок 2.2 – Схема обратной связи по напряжению
Рисунок 2.3 – Схема обратной связи по току
В зависимости от способа получения сигнала различают обратную связь по напряжению (рисунок 2.2), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален напряжению выходной цепи; обратную связь по току (рисунок 2.3), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи; комбинированную обратную связь (рисунок 2.4), когда снимаемый сигнал обратной связи пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.
усилительный каскад биполярный транзистор
Рисунок 2.4 – Схема комбинированной обратной связи
Рисунок 2.5 – Последовательная схема введения сигнала обратной связи
Рисунок 2.6 – Параллельная схема введения сигнала обратной связи
По способу введения во входную цепь сигнала обратной связи различают:
-последовательную схему введения обратной связи (рисунок 2.5), когда напряжение сигнала обратной связи суммируется с входным напряжением;
-параллельную схему введения обратной связи (рисунок 2.6), когда ток цепи обратной связи суммируется с током входного сигнала;
-смешанную схему введения обратной связи (рисунок 2.7), когда с входным сигналом суммируется ток и напряжение цепи обратной связи.
Рисунок 2.7 – Смешанная схема введения сигнала обратной связи
Для количественной оценки степени влияния цепи обратной связи используют коэффициент обратной связи g, показывающий, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя. В общем случае
