Проектирование двухкаскадного транзисторного усилителя: Методика выполнения курсовой работы

Введение. Как устроен успешный курсовой проект по схемотехнике

Проектирование усилителя похоже на строительство моста: важен не только финальный результат, но и каждый этап расчетов, доказывающий его надежность. Курсовой проект по этой теме — это не просто набор формул, а целостная инженерная и исследовательская задача, стоящая на двух китах: точный технический расчет и грамотно структурированная пояснительная записка. Многие студенты испытывают трудности, пытаясь соединить эти две части воедино.

Задача спроектировать транзисторный усилитель является одной из самых распространенных и фундаментальных в процессе обучения, поскольку она учит системному подходу. Цель этой статьи — провести вас по всему пути от анализа задания до финального оформления документа. Мы шаг за шагом разберем каждый этап, объединив теорию с практикой, чтобы вы могли не просто сдать работу, а по-настоящему понять логику проектирования.

Теперь, когда мы понимаем философию проекта, давайте превратим ее в конкретный план действий, начав с самого первого шага — анализа задания.

Шаг 1. Читаем и деконструируем задание на проект

Любой успешный проект начинается с внимательного изучения технического задания. Ваша цель — превратить сухой текст методички в четкий список параметров для проектирования. Правильный анализ задания на 50% определяет успех всей работы. Давайте разберем типовое задание и выделим его ключевые компоненты.

Обычно в задании указываются:

• Структура схемы: Например, каскады с общим истоком и общей базой (ОИ-ОБ). Это определяет базовую топологию, с которой вы будете работать.
• Типы транзисторов: Указываются конкретные модели, например, полевой MPF2608 и биполярный Q2N3133. Их характеристики станут основой для всех расчетов.
• Напряжение питания (Епит): Например, 10 В. Этот параметр ограничивает максимальные амплитуды напряжений в схеме.
• Параметры нагрузки (Rн, Cн): Например, 10 кОм и 100 пФ. Усилитель должен эффективно работать именно с этой нагрузкой.
• Нижняя граница частоты (fн): Например, 500 Гц. От этого значения зависит расчет разделительных конденсаторов.
• Температурный диапазон: Например, от -40°C до +60°C. Это критически важное требование, которое напрямую влияет на расчет цепей термостабилизации рабочей точки.

Когда все эти входные данные проанализированы и сведены в единый список, мы можем перейти к первому большому проектному решению — выбору и обоснованию принципиальной схемы усилителя.

Шаг 2. Выбираем и обосновываем принципиальную схему усилителя

Часто для достижения требуемых характеристик, особенно высокого коэффициента усиления, одного усилительного каскада бывает недостаточно. Именно поэтому в курсовых проектах так распространены двухкаскадные усилители. Их главное преимущество — возможность перемножения коэффициентов усиления каждого каскада, что позволяет получить значительное общее усиление.

Классическим решением для получения максимального усиления по напряжению является схема с двумя каскадами на биполярных транзисторах с общим эмиттером (ОЭ-ОЭ). Однако в задании может быть указана и другая комбинация, например, общий исток – общая база (ОИ-ОБ). Эта схема также имеет свои преимущества, сочетая высокое входное сопротивление первого каскада на полевом транзисторе с отличными высокочастотными свойствами второго каскада с общей базой.

Выбор конкретной схемы — это первый стратегический шаг. Вы не просто рисуете ее, а обосновываете в пояснительной записке, почему именно такая конфигурация подходит для выполнения поставленной задачи.

Схема выбрана. Теперь нужно выбрать «сердце» этой схемы — активные компоненты, то есть транзисторы.

Шаг 3. Подбираем транзисторы и анализируем их ключевые различия

Хотя в задании часто указаны конкретные модели транзисторов, в пояснительной записке важно продемонстрировать понимание, почему выбраны именно эти типы активных элементов. Основной выбор в современной схемотехнике лежит между биполярными (BJT) и полевыми (FET/MOSFET) транзисторами.

Это не взаимозаменяемые элементы, а компоненты с разными сильными и слабыми сторонами.

• Биполярные транзисторы (BJT): Их главное преимущество — высокая линейность и способность работать с большими токами. Они также часто обладают более низким уровнем собственных шумов, что критично для усилителей слабых сигналов.
• Полевые транзисторы (FET/MOSFET): Ключевая особенность — чрезвычайно высокое входное сопротивление, что позволяет им не нагружать источник сигнала. Кроме того, они обычно потребляют меньше энергии в статическом режиме.

Выбор транзистора — это всегда компромисс между желаемыми характеристиками усилителя. Для первого каскада часто выбирают FET, чтобы обеспечить высокое входное сопротивление, а для второго — BJT для достижения высокого усиления. Это решение должно быть четко обосновано в тексте работы. Мы выбрали схему и активные компоненты. Пришло время «оживить» их, рассчитав правильные режимы работы по постоянному току.

Шаг 4. Расчет режима по постоянному току, или как задать рабочую точку

Это один из самых ответственных этапов расчета. Задача — задать транзисторам такие начальные напряжения и токи (так называемую рабочую точку), чтобы при подаче переменного сигнала на вход он усиливался без искажений. Рабочая точка определяется двумя основными параметрами: током коллектора (Iк) и напряжением коллектор-эмиттер (Uкэ).

Ключевым требованием к рабочей точке является ее стабильность. Параметры транзистора могут «плавать» при изменении температуры, что недопустимо в заданном широком температурном диапазоне (например, -40°C … +60°C). Если рабочая точка сместится, усилитель начнет работать некорректно или вовсе выйдет из строя. Для обеспечения тепловой стабильности в схему вводят специальные цепи смещения и отрицательной обратной связи, чаще всего с помощью резистора в цепи эмиттера.

Алгоритм расчета выглядит так:

1. Выбираете ток коллектора Iк, исходя из требуемых характеристик.
2. Задаете напряжение Uкэ, обычно равное половине оставшегося напряжения питания, для максимального размаха выходного сигнала.
3. Рассчитываете номиналы всех резисторов в цепях смещения и нагрузки, которые обеспечат выбранные ток и напряжение.

После того как схема стабилизирована по постоянному току, можно переходить к ее основной функции — усилению переменного сигнала.

Шаг 5. Расчет ключевых параметров усилителя по переменному току

На этом этапе мы определяем, насколько хорошо наш усилитель справляется со своей главной задачей. Ключевых параметров, которые необходимо рассчитать, несколько:

• Коэффициент усиления по напряжению (KU): Показывает, во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше входного. В задании часто стоит требование «максимально возможного» усиления. Это означает, что при проектировании нужно выбирать такие номиналы и режимы работы, которые максимизируют этот параметр, не нарушая других условий (стабильность, неискаженная передача).
• Коэффициент усиления по току (KI): Аналогичный параметр, но для тока.
• Входное сопротивление (Rвх): Определяет, насколько сильно усилитель будет нагружать источник сигнала. Чем оно выше, тем лучше.
• Выходное сопротивление (Rвых): Показывает, насколько «сильным» является выход усилителя. Чем оно ниже, тем меньше выходное напряжение будет зависеть от сопротивления нагрузки.

Расчет этих параметров производится с использованием h-параметров (для биполярных транзисторов) или S-параметров (для полевых) из справочных данных. Важно понимать, что все эти характеристики взаимосвязаны. Например, попытка получить запредельно высокий коэффициент усиления может привести к снижению стабильности или сужению полосы пропускания. Мы рассчитали основные параметры, но для стабильной работы и предсказуемых характеристик схему нужно усовершенствовать.

Шаг 6. Вводим обратную связь для стабилизации и улучшения характеристик

Идеальный усилитель должен иметь стабильные параметры, которые не зависят от температуры, разброса характеристик транзисторов или напряжения питания. В реальности добиться этого без дополнительных мер невозможно. Главный инструмент для стабилизации — отрицательная обратная связь (ООС).

Суть ООС проста: часть выходного сигнала подается обратно на вход в противофазе. Это приводит к уменьшению общего коэффициента усиления, но дает ряд неоценимых преимуществ:

• Стабилизирует коэффициент усиления: Он становится меньше зависим от параметров самого транзистора и больше определяется номиналами стабильных пассивных элементов (резисторов).
• Расширяет полосу пропускания: Усилитель начинает одинаково хорошо усиливать сигналы в более широком диапазоне частот.
• Корректирует входное и выходное сопротивление.
• Снижает нелинейные искажения.

ООС — это своего рода плата за стабильность: мы сознательно немного теряем в усилении, но взамен выигрываем в надежности и предсказуемости работы всей схемы.

Расчеты завершены. Прежде чем переходить к оформлению, необходимо убедиться в их корректности с помощью моделирования.

Шаг 7. Проверка расчетов через моделирование в симуляторе

Теоретический расчет — это хорошо, но он не всегда учитывает все нюансы реальной схемы. Поэтому этап компьютерного моделирования в программах вроде Micro-Cap или Multisim является обязательным шагом проверки. Он позволяет «собрать» виртуальный прототип усилителя и посмотреть, как он будет работать.

В ходе моделирования необходимо проверить следующие характеристики:

1. Режим по постоянному току: Убедиться, что напряжения и токи в рабочих точках транзисторов соответствуют расчетным.
2. Коэффициент усиления: Подать на вход синусоидальный сигнал малой амплитуды и измерить амплитуду на выходе. Сравнить полученное значение KU с расчетным.
3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ): Построить график зависимости усиления от частоты и убедиться, что нижняя граница полосы пропускания fн соответствует заданию.

Результаты моделирования могут немного отличаться от расчетных из-за более точных моделей компонентов в симуляторе. Ваша задача — проанализировать эти расхождения, объяснить их причины и, если они велики, скорректировать расчеты. Техническая часть завершена и проверена. Теперь наша задача — грамотно упаковать всю проделанную работу в академический документ.

Шаг 8. Проектируем структуру пояснительной записки по стандартам

Пояснительная записка — это лицо вашего проекта. Даже гениальные расчеты не получат высокой оценки, если они представлены хаотично. Чтобы этого избежать, используйте стандартную и логичную структуру, которая обычно соответствует требованиям ГОСТ.

Вот выигрышный «скелет» вашего документа:

• Титульный лист: Оформляется по шаблону вашего вуза.
• Содержание: Автоматически генерируемый список всех разделов с указанием страниц.
• Введение: Кратко описывается цель проекта, его актуальность и поставленные задачи.

— Основная часть: Ядро вашей работы. Она должна быть разбита на логические главы:
— Анализ исходных данных и выбор схемы.
— Расчет режима по постоянному току и цепей термостабилизации.
— Расчет параметров усилителя по переменному току (KU, Rвх, Rвых).
— Расчет цепей обратной связи.
— Анализ результатов компьютерного моделирования.

• Заключение: Подводятся итоги, полученные результаты сравниваются с требованиями задания, делается вывод о выполнении проекта.
• Список литературы: Перечень всех использованных источников (учебники, справочники, ГОСТы).
• Приложения: Сюда выносятся спецификации на компоненты, листинги моделей из симулятора, громоздкие графики.

Со структурой определились. Теперь наполним ее содержанием, начав с самой важной, расчетной части.

Шаг 9. Наполняем основную часть. Как правильно описывать расчеты

Основная ошибка студентов при написании расчетной части — превращать ее в сплошной поток формул и чисел без каких-либо пояснений. Преподаватель должен видеть не калькулятор, а инженера. Ваша расчетная часть — это не справочник формул, а история вашего проектного решения.

Следуйте этим правилам:

• Структурируйте: Разбейте весь расчет на логические этапы, как в примере содержания (например, «2.1 Расчёт первого каскада», «2.2 Расчёт второго каскада»).
• Объясняйте: Каждая важная формула должна сопровождаться кратким пояснением, что именно вы сейчас вычисляете и почему. Указывайте, откуда взята формула (например, ссылка на источник в списке литературы).
• Комментируйте: Каждый расчетный блок должен начинаться с постановки локальной задачи (например, «Рассчитаем резистор R5 для обеспечения термостабилизации…») и заканчиваться кратким выводом («Таким образом, для обеспечения стабильной работы в заданном диапазоне температур выбираем резистор R5 номиналом 1 кОм»).
• Визуализируйте: Все схемы, графики и таблицы должны иметь номер, название и ссылку в тексте (например, «Принципиальная схема усилителя показана на Рисунке 1»).

Когда ядро записки готово, нужно создать для него правильное обрамление.

Шаг 10. Пишем введение и заключение, которые работают на вашу оценку

Введение и заключение — это те разделы, которые часто читают в первую и последнюю очередь. Они формируют общее впечатление о вашей работе, поэтому относиться к ним как к формальности нельзя. Это ваши стратегические инструменты для получения высокой оценки.

Структура идеального введения:

1. Актуальность: Одно-два предложения о том, почему усилители — важные устройства в современной электронике.
2. Цель работы: Четкая формулировка, взятая прямо из задания. Например: «Целью курсового проекта является проектирование и расчет двухкаскадного транзисторного усилителя с заданными параметрами».
3. Задачи для достижения цели: Перечисление шагов, которые вы предприняли. Например: «1. Проанализировать исходные данные. 2. Выбрать и обосновать принципиальную схему. 3. Рассчитать режимы по постоянному току…».

Структура сильного заключения:

1. Краткие итоги: Перечислите основные расчетные характеристики, которые вы получили (KU, Rвх, fн и т.д.).
2. Сопоставление с заданием: Сравните полученные параметры с требуемыми и сделайте вывод, соответствуют ли они.
3. Общий вывод: Финальная фраза о том, что цель проекта достигнута, а все поставленные задачи выполнены.

Текст готов. Остался финальный, но очень важный штрих — приведение документа в идеальный вид.

Шаг 11. Финальное оформление. Графическая часть, список литературы и приложения

Последний этап — это финальная «полировка» проекта, которая демонстрирует вашу аккуратность и внимание к деталям. Пройдитесь по этому чек-листу перед сдачей работы, объем которой обычно составляет 25-30 страниц.

• Графическая часть: Все схемы должны быть выполнены в чертежной программе (не от руки!) и соответствовать стандартам. Графики (например, АЧХ) должны иметь подписанные оси, название и четкую разметку.
• Список литературы: Убедитесь, что все источники, на которые вы ссылаетесь в тексте, присутствуют в списке, и что он оформлен по ГОСТ.
• Приложения: В приложения (Приложение А, Б, В…) выносятся вспомогательные материалы, которые загромождали бы основной текст: справочные данные на транзисторы (datasheets), подробные результаты моделирования, спецификация элементов.
• Сквозная нумерация: Проверьте, что все страницы, рисунки, таблицы и формулы имеют сквозную нумерацию по всему документу.
• Финальная вычитка: Обязательно перечитайте весь текст от начала до конца на предмет опечаток, грамматических ошибок и логических несостыковок. Свежий взгляд помогает заметить то, что вы упускали ранее.

Поздравляем! Ваш курсовой проект готов к защите.

Список использованной литературы

1. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства. Справочник. М.: Радио и связь, 1984 – 400 с.
2. Справочник транзисторов. Аналоги. Основные параметры и характеристики. \\ http://tranzistor.biz/