Усилительные устройства — фундаментальный компонент современной радиоэлектроники, от бытовой аудиотехники до сложных систем связи и радиолокации. Курсовой проект по расчету такого устройства является не просто учебной задачей, а ключевым этапом в формировании инженерного мышления. В процессе работы студент учится анализировать техническое задание, выбирать оптимальные схемотехнические решения, проводить точные расчеты и, что самое главное, обосновывать каждый свой шаг. Это развивает навыки, необходимые для решения реальных практических задач.
В этой статье мы подробно разберем весь процесс проектирования, представив его как эталонную пояснительную записку. За основу возьмем типовое техническое задание (ТЗ):
- Полоса усиливаемых частот: Fн (нижняя) – Fв (верхняя).
- Номинальный коэффициент усиления по напряжению: Kу.
- Сопротивление нагрузки: Rн.
- Напряжение источника питания: Eп.
- Амплитуда входного сигнала: Uвх.m.
Имея четко определенную задачу, мы можем перейти к первому шагу — разработке общей структуры нашего будущего усилителя.
Разработка структурной схемы как основа будущего усилителя
Часто для достижения требуемого по ТЗ коэффициента усиления одного усилительного каскада оказывается недостаточно. В этом случае применяют многокаскадные усилители, где общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Это позволяет получить значительное усиление, используя стандартные компоненты.
В качестве базового «строительного блока» для обоих каскадов мы выберем схему с общим эмиттером (ОЭ). Этот выбор не случаен: именно такая схема включения транзистора обеспечивает максимальное усиление не только по напряжению, но и по току, а значит — и по мощности. Это делает ее идеальным кандидатом для нашей задачи. Важной особенностью схемы с ОЭ является то, что она инвертирует фазу сигнала на 180°, что необходимо учитывать при анализе работы устройства.
Таким образом, наша структурная схема будет представлять собой последовательное соединение двух каскадов на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ. Для того чтобы постоянное напряжение одного каскада не влияло на режим работы другого, между ними устанавливаются разделительные конденсаторы. Они свободно пропускают полезный переменный сигнал, но являются преградой для постоянного тока.
Как выбрать транзисторы, которые справятся с задачей
Выбор активных элементов — транзисторов — является ответственным этапом, от которого напрямую зависят характеристики всего устройства. Нельзя просто взять любой транзистор; его параметры должны соответствовать нашему техническому заданию. Ключевые критерии выбора:
- Граничная частота (fгр): Это максимальная частота, на которой транзистор еще способен усиливать сигнал. Чтобы минимизировать частотные искажения в рабочем диапазоне, граничная частота транзистора должна быть значительно, в несколько раз, выше верхней частоты нашего сигнала (fгр >> Fв).
- Коэффициент усиления по току (h21э или β): Этот параметр показывает, во сколько раз ток коллектора превышает ток базы. Он должен быть достаточным для обеспечения необходимого усиления каскада.
- Максимально допустимые параметры: Максимальный ток коллектора (Iк.max) и максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ.max) должны с запасом превышать те значения, которые будут в нашей схеме в рабочем режиме.
Например, для нашей задачи может подойти распространенный биполярный транзистор КТ315 или его аналог. Анализ его справочных данных показывает, что его граничная частота и коэффициент усиления по току удовлетворяют требованиям для построения усилителя звуковых частот. Выбрав конкретные транзисторы, мы можем перейти к самому ответственному этапу — расчету их электрических режимов.
Расчет первого каскада. Задаем режим покоя
Чтобы усилитель работал корректно и без искажений, для каждого транзистора необходимо задать правильный режим покоя. Это его состояние при отсутствии входного сигнала. Параметры этого режима определяются выбором рабочей точки на вольт-амперных характеристиках транзистора. От ее положения зависит качество усиления.
Первым шагом является выбор тока коллектора в режиме покоя (Iк.п). Хорошей практикой считается выбор тока, который в 1.5-2 раза превышает ожидаемую амплитуду переменной составляющей тока коллектора. Это гарантирует, что транзистор не войдет в режим отсечки или насыщения при подаче сигнала.
После выбора Iк.п мы можем рассчитать номиналы всех резисторов каскада. Расчет ведется в следующей последовательности:
- Резистор в цепи эмиттера (Rэ): Этот резистор обеспечивает термостабилизацию режима работы. Его сопротивление выбирается таким образом, чтобы падение напряжения на нем было в пределах 1-2 В.
- Резистор в цепи коллектора (Rк): Его номинал определяет усиление каскада и положение рабочей точки.
- Резисторы базового делителя (R1 и R2): Эта пара резисторов задает необходимое напряжение смещения на базе транзистора, которое и определяет выбранный нами ток покоя Iк.п. Делитель должен быть достаточно «жестким», чтобы напряжение на базе оставалось стабильным при изменении температуры.
Мы стабилизировали каскад по постоянному току. Теперь нужно рассчитать его поведение при подаче переменного сигнала.
Определение ключевых параметров первого каскада по переменному току
Расчет режима покоя дал нам основу. Теперь мы определим динамические характеристики каскада, то есть то, как он будет усиливать наш полезный сигнал. Ключевыми параметрами являются входное, выходное сопротивление и коэффициент усиления.
Входное сопротивление (Rвх) каскада показывает, какую нагрузку он представляет для источника сигнала. Оно зависит от сопротивлений базового делителя R1 и R2, а также от входного сопротивления самого транзистора. Выходное сопротивление (Rвых), в свою очередь, определяется в основном сопротивлением коллекторного резистора Rк.
Зная эти параметры, мы можем рассчитать коэффициент усиления по напряжению (Kу). Он напрямую зависит от сопротивления в цепи коллектора (Rк) и внутреннего сопротивления эмиттерного перехода транзистора (rэ), которое, в свою очередь, обратно пропорционально току эмиттера: rэ ≈ 25.6 / Iэ (мА).
Наконец, рассчитываются емкости разделительных конденсаторов (C1, C2) и блокировочного конденсатора в цепи эмиттера (Cэ). Их задача — пропускать переменный сигнал без ослабления в заданной полосе частот. Номинал выбирается таким образом, чтобы их реактивное сопротивление на нижней граничной частоте (Fн) было значительно меньше сопротивления тех участков цепи, с которыми они соединены.
Расчет второго каскада с учетом согласования сопротивлений
Расчет второго каскада во многом повторяет логику расчета первого, но с одним критически важным отличием. Нагрузкой для первого каскада является не какое-то абстрактное сопротивление, а входное сопротивление второго каскада (Rвх2). Этот факт является центральным при проектировании многокаскадных схем.
Для эффективной передачи сигнала и максимального усиления необходимо выполнять правило согласования сопротивлений: выходное сопротивление предыдущего каскада должно быть меньше входного сопротивления последующего. В нашем случае, Rвых1 должно быть меньше Rвх2.
Процесс расчета второго каскада аналогичен первому:
- Выбирается ток покоя (Iк.п2), который может отличаться от тока первого каскада, например, быть больше для обеспечения большей амплитуды выходного напряжения на итоговой нагрузке Rн.
- Рассчитываются номиналы резисторов Rк2, Rэ2 и базового делителя для обеспечения выбранного режима.
- Определяются его динамические параметры: Kу2, Rвх2 и Rвых2. При этом в качестве нагрузки для второго каскада уже выступает конечное сопротивление Rн из технического задания.
Теперь, когда оба каскада рассчитаны по отдельности с учетом их взаимного влияния, мы можем свести все данные воедино и определить итоговые характеристики всего усилителя.
Расчет итоговых характеристик двухкаскадного усилителя
Финальные параметры всего устройства определяются на основе характеристик обоих каскадов.
Общий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада с учетом эффекта нагрузки:
Kобщ = Kу1 * Kу2
Этот результат — главное, чего мы добивались, и его нужно будет сравнить с требованием ТЗ.
Общее входное и выходное сопротивление всего устройства равно, соответственно, входному сопротивлению первого каскада (Rвх.общ = Rвх1) и выходному сопротивлению второго каскада (Rвых.общ = Rвых2).
Важный эффект, который необходимо учесть — сужение полосы пропускания. В многокаскадном усилителе общая полоса пропускания всегда уже, чем у каждого отдельного каскада. Если каскады примерно одинаковы, сужение можно оценить по формуле: ΔFобщ ≈ ΔFкаск * √(2^(1/n) — 1), где n — число каскадов. Это означает, что для получения заданной итоговой полосы пропускания каждый каскад должен быть спроектирован с «запасом» по этому параметру.
Анализ частотных искажений и построение АЧХ
Идеальный усилитель должен усиливать все частоты в своем рабочем диапазоне одинаково. В реальности этого не происходит, и на краях диапазона возникают частотные искажения. Их причина кроется в элементах схемы:
- В области низких частот (НЧ): Искажения вносят разделительные и блокировочные конденсаторы. С уменьшением частоты их реактивное сопротивление растет, что приводит к падению (завалу) усиления.
- В области высоких частот (ВЧ): Здесь главными виновниками являются внутренние паразитные емкости транзистора. С ростом частоты их шунтирующее действие увеличивается, что также ведет к завалу усиления.
На основе расчета определяются нижняя (Fн) и верхняя (Fв) граничные частоты — это частоты, на которых усиление падает до уровня 0,707 от номинального. Графическое представление зависимости коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). На ней наглядно видна рабочая полоса частот, где усиление равномерно, и завалы на НЧ и ВЧ.
Сводная таблица параметров и принципиальная схема
Завершающим этапом проектирования является систематизация всех полученных данных. Лучший способ для этого — составить итоговую принципиальную схему усилителя, на которой указаны все рассчитанные номиналы резисторов и конденсаторов.
Кроме того, для наглядной оценки проделанной работы и для удобства при защите курсового проекта, результаты сводятся в таблицу, где сравниваются заданные и расчетные параметры.
| Параметр | Задано по ТЗ | Получено расчетом |
|---|---|---|
| Коэффициент усиления, Kу | [Значение из ТЗ] | [Расчетное значение] |
| Нижняя граничная частота, Fн | [Значение из ТЗ] | [Расчетное значение] |
| Верхняя граничная частота, Fв | [Значение из ТЗ] | [Расчетное значение] |
| Входное сопротивление, Rвх | — | [Расчетное значение] |
| Выходное сопротивление, Rвых | — | [Расчетное значение] |
Заключение
В ходе выполнения курсового проекта была поставлена задача спроектировать двухкаскадный усилитель на биполярных транзисторах с заданными характеристиками. На основе проведенных расчетов был осуществлен выбор активных элементов, определены режимы работы каскадов по постоянному току и рассчитаны их ключевые параметры по переменному току.
Сравнение итоговых расчетных характеристик с техническим заданием показывает, что спроектированное устройство соответствует (или не соответствует) предъявленным требованиям. Полученный коэффициент усиления составил [значение], а полоса пропускания находится в пределах от [Fн] до [Fв]. В процессе работы были освоены фундаментальные методики расчета и анализа радиоэлектронных схем, что позволило закрепить теоретические знания и получить ценные практические навыки проектирования.
\n{сгенерированный тобой HTML-блок}\n