Курсовая работа электротехника. Васильев М. В., Электротехника. rc усилитель низкой частоты

• Название: rc усилитель низкой частоты
• Анкор: Курсовая работа электротехника
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 1.17 Mb.
• Имя файла: Васильев М. В., Электротехника.docx
• Тип: Пояснительная записка; #700802

Министерство образования и науки РФ

федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени. П. А. Соловьева»

Факультет заочного обучения

(Наименование факультета)


Кафедра «Вычислительные системы»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине
Электротехника, электроника и схемотехника

(Наименование дисциплины)

на тему
«RC-усилитель низкой частоты»
Пояснительная записка

Студент группы   ЗВС-20, Васильев М. В.  

(Код группы, фамилия И. О.) (Подпись, дата)


Руководитель   Ломанов А. Н.  

(Фамилия И. О.) (Подпись, дата)


Рыбинск 2022

Содержание

Задание на курсовую работу 2

Цель работы 3

Введение 4

1 Параметры транзистора ГТ308А 6

2 Схема каскада RC-усилителя 8

3 Графоаналитический расчет 9

4 Расчет усилителя по постоянному току 15

5 Расчет емкостей конденсаторов 16

6 Амплитудная характеристика 17

7 Амплитудно-частотная характеристика 18

Заключение 20

Список используемой литературы 21

Задание на курсовую работу

Исходные данные:

Транзистор ГТ308А

Е_К = 18 В

R_Н = 4 кОм

f_н.гр = 40 Гц

С_Н = 3 пФ

S_доп = 2

Выполнить графоаналитический расчет (режим класса А).

Выполнить электрический расчет.

Выполнить расчет амплитудно-частотной характеристики.

Цель работы

Цель работы – изучение принципа работы RC-усилителя, методики его работы по постоянному току, цепей стабилизации режима по постоянному току; расчет амплитудно-частотной характеристики; исследование элементов схемы RC-усилителя на амплитудно-частотную характеристику.

Введение

Как известно, при обработке сигналов в радиотехнических аналоговых электронных устройствах в большинстве случаев необходимо их предварительное усиление, для чего используют усилители различных типов. Один из них – усилитель низкой частоты. Это электронный прибор (электронный усилитель), предназначенный для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню −3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, активных акустических систем, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиостанций и т. д.

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются также усилителями звуковой частоты. Кроме этого они используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники.

Обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности. Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы 

(колонки), наушники; радиотрансляционная сеть или модулятор 

радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры. Усилители низких частот широко используют в сфере автозвука и автоакустики.

1 Параметры транзистора ГТ308А

Транзисторы ГТ308А германиевые диффузионно-сплавные структуры p-n-p высокочастотные, импульсные. Предназначены для применения в автогенераторах, усилителях мощности, импульсных устройствах.
Используются для работы в электронной аппаратуре общего назначения.
Выпускаются в стеклометаллическом корпусе с гибкими выводами.

Основные технические характеристики транзистора ГТ308А:

• 
  I_К max = 50 мА - максимально допустимый постоянный ток коллектора – транзистора;
  
• 
  U_{КЭ max} = 15 В - максимальное напряжение между коллектором и эмиттером;
  
• 
  U_{КЭ нас} = 1,5 В - напряжение насыщения между коллектором и эмиттером транзистора;
  
• 
  Р_К max = 150 мВт - максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе транзистора;
  
• 
  h_21Э = 25…75 - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером;
  
• 
  I_КБ0 - не более 5 мкА - обратный ток коллектора;
  
• 
  f_гр = 100 МГц - граничная частота коэффициента передачи тока;
  
• 
  Т = -60 …+70 ⁰С– диапазон рабочих температур;
  
• 
  Ск - не более 8 пФ - ёмкость коллекторного перехода.
  

Входные характеристики транзистора ГТ308А:



Рисунок 1.1
Выходные характеристики транзистора ГТ308А:



Рисунок 1.2

2 Схема каскада RC-усилителя

Рисунок 2.1

3 Графоаналитический расчет

1) На семействе выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ ограничиваем рабочую область на выходных характеристиках (штриховые линии P_max=I_кmах ·U_кэ, I_кmах, U_{КЭ min}, U_{КЭ max}):



Рисунок 3.1
2) На семействе выходных характеристик в рабочей области строим нагрузочную характеристику, которая описывается выражением

U_кэ= E_к I_к(R_к + R_э)

Она пересекает оси координат в точке A (U_КЭ = E_К при I_К = 0) и в точке B (E_К / (R_к + R_э) при U_КЭ = 0).

Напряжение источника питания для усилителя выбирают E_К  0,8U_КЭmax . Примем E_К = 12 В.

Значение (R_к + R_э) выбираем из условия

I_{К max} > E_К / (R_к + R_э)

R_э = (0,05…0,3)R_к

Примем

R_э = 0,2 ·R_к

50 мА > 12 / (R_к + 0,2 ·R_к)

Получим

R_к > 200 Ом

Примем

R_к = 220 Ом

R_э = 39 Ом

Таким образом координаты точки A (U_КЭ = E_К = 12 В при I_К = 0) и точки B (E_К /(R_к + R_э) = 12/(220 + 39) = 46,3 мА при U_КЭ = 0)

Точками 1 – 4 обозначаем пересечение нагрузкой характеристики с выходными характеристиками.

3) Переносим нагрузочную характеристику в семейство входных характеристик (точки 1' – 4').

4) Рабочую точку (Т'') выбираем посередине рабочего участка (1' – 4') и переносим ее в семейство выходных характеристик (Т).

5) На диаграммах находим постоянные составляющие токов (I_Б=, I_К=) и напряжений (U_БЭ=, U_КЭ=) в рабочей точке:



Рисунок 3.2

I_Б= = 0,5 мА

I_К= = 16 мА

U_БЭ= = 0,315 В

U_КЭ= = 7,8 В



Рисунок 3.3

6) На диаграммах определяем амплитуды напряжений (U_БЭm, U_КЭm) и токов (I_Бm, I_Кm):



Рисунок 3.4



Рисунок 3.5
U_БЭm = 0,065 В

U_КЭm = 4 В

I_Бm = 0,3 мА

I_Кm = 15 мА
7) Определяем коэффициенты усиления

K_U = U_КЭm/ U_БЭm = 4 / 0,065 = 61,5

K_I = I_Кm/ I_Бm = 15 / 0,3 = 50
P_вых = 0,5 · ( I_Кm × U_КЭm ) = 0,5 · ( 15 · 10^-3 · 4 ) = 30 мВт

P_вх = 0,5 · ( I_Бm × U_БЭm ) = 0,5 · ( 0,3 · 10^-3 · 0,065 ) = 9,75 мкВт
K_Р = P_вых / P_вх = 0,03 / 0,00000975 = 3 076,9

4 Расчет усилителя по постоянному току

Положение рабочей точки определяется совокупностью значений постоянных составляющих:

I_Б= = 0,5 мА

I_К= = 16 мА

U_БЭ= = 0,315 В

U_КЭ= = 7,8 В
Для того чтобы задать положение рабочей точки, необходимо создать смещение на базу транзистора. Оно может быть создано различными способами: от отдельного источника смещения; с помощью делителя напряжения (Рисунок 2.1); с помощью гасящего резистора.

Для схемы (Рисунок 2.1), номиналы элементов рассчитываются по формулам:

; h_21Э = β

где S_доп – допустимый коэффициент нестабильности.

Значение коэффициента температурной нестабильности определяется по формуле:







Для того чтобы положение рабочей точки не изменялось при изменении окружающей температуры в схеме (Рисунок 2.1) применяют цепь температурной стабилизации: эмиттерную стабилизацию, действие которой основано на введении отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току.

5 Расчет емкостей конденсаторов

Для того чтобы исключить возникновение ООС для переменной составляющей для наихудшего случая (ω_нгр) должно выполняться условие





откуда




Примем 500 мкФ.
Для того чтобы падение напряжения источника входного сигнала на C₁ было минимальным, необходимо выполнить условие



откуда



где R_Г – сопротивление источника входного сигнала. Примем 1 кОм.


Примем 40 мкФ.

Аналогично рассчитывается емкость конденсатора C₂




Примем 10 мкФ.

6 Амплитудная характеристика

Качественно нелинейные искажения можно оценить по амплитудной характеристике U_ВЫХ = f(U_ВХ), которую построим по точкам линии нагрузки (таблица 1). АХ представлена на Рисунке 6.1.

UБЭ (В)	0,015	0,03	0,04	0,05	0,079	0,315	0,015
UКЭ (В)	1,45	3	4	5	6,7	7,8	1,45

Таблица 6.1


Рисунок 6.1 Амплитудная характеристика усилителя


На участке 0 – В нелинейные искажения практически отсутствуют. Наклон характеристики зависит от коэффициента усиления.

7 Амплитудно-частотная характеристика

Линейные искажения оцениваются по АЧХ (Рисунок 7.1)

Аналитически АЧХ описывается выражением



Для удобства сравнения АЧХ при различных номиналах элементов усилителя ее представляют в нормированном виде:
(*)

где – постоянная транзистора;

β – коэффициент передачи по току базы в схеме ОЭ;

f_α – предельная частота усиления в схеме ОБ;


τ_Б = C₂(R_К + R_Н)



Из уравнения (*):






Рисунок 7.1 Нормированная АЧХ

Заключение

В ходе выполнения работы была разработана схема RC-усилителя. Произведена оценка линейного и нелинейного искажений. Произведен его графоаналитический расчет, расчет емкостей, а также расчет усилителя по постоянному току.

Список используемой литературы

1. 
   Л.Р.Нейман, К.С.Демирчян. Теоретические основы электротехники. В двух томах. Т.1. Л.: Энергия, 1975. – 524с., ил . Т.2. Л.: Энергия, 1975. – 408с.,
   
2. 
   В. А. Прянишников. Электроника. Курс лекций. 1998г, 398.
   
3. 
   Кристоф Шенк и Ульрих Титце, Полупроводниковая схемотехника