Структура и этапы расчета курсового проекта по схемотехнике усилителей

Погружение в задачу, или Как правильно прочитать техническое задание

Успешное выполнение курсовой работы по схемотехнике начинается не с поиска формул, а с глубокого и вдумчивого анализа технического задания (ТЗ). Этот этап — ключ к пониманию сути проекта, ведь именно в ТЗ зашифрованы все требования, которым должен соответствовать будущий усилитель. Ваша цель — деконструировать эти требования, увидеть за сухими цифрами их физический смысл и сформировать четкую стратегию дальнейших действий.

Давайте разберем типовые параметры, которые вы встретите в задании:

• Входное и выходное сопротивление (R_вх, R_вых): Эти параметры определяют, насколько хорошо ваш усилитель будет согласован с источником сигнала и нагрузкой. Например, требование высокого входного сопротивления может сразу натолкнуть на мысль об использовании полевого транзистора во входном каскаде или о применении отрицательной обратной связи (ООС) определенного типа.
• Коэффициент усиления (K_u, K_i): Показывает, во сколько раз усилитель увеличивает амплитуду напряжения или тока. От этого значения напрямую зависит, сколько каскадов усиления вам понадобится.
• Полоса пропускания (f_н, f_в): Диапазон частот, в котором усилитель работает корректно. Эти значения влияют на выбор емкостей разделительных конденсаторов (для нижней границы) и на подбор транзисторов с подходящими частотными свойствами (для верхней границы).
• Уровень нелинейных искажений (К_г): Характеризует точность воспроизведения формы сигнала. Если требуется низкий уровень искажений, это еще один весомый аргумент в пользу внедрения ООС.
• Диапазон рабочих температур: Часто в ТЗ указывается большой интервал температур, что является критически важным требованием. Это означает, что схема должна быть спроектирована так, чтобы ее параметры оставались стабильными при нагреве и охлаждении.

Таким образом, анализ ТЗ превращается из формальности в первый и самый важный этап проектирования. Вы не просто читаете цифры, вы переводите их на язык инженерных решений. Помните, что цель курсового проекта — это не только провести расчеты, но и аргументированно обосновать каждое принятое вами решение, доказав его соответствие исходному заданию.

Выбор структурной и принципиальной схемы как фундамент всего проекта

После того как требования технического задания полностью проанализированы, наступает время заложить фундамент будущего усилителя — выбрать его схему. Важно четко разделять два уровня проектирования: структурный и принципиальный.

Структурная схема — это взгляд на усилитель «с высоты птичьего полета». Она состоит из крупных функциональных блоков, таких как предварительный усилитель, оконечный (мощностной) каскад, цепи питания и т.д. Выбор структуры диктуется ТЗ. Например, если требуется большое усиление и работа на низкоомную нагрузку, логично предположить, что понадобится как минимум два каскада: первый — для усиления по напряжению, второй — для согласования с нагрузкой и обеспечения нужной мощности.

Принципиальная схема — это уже детальная реализация каждого блока на конкретных компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах. Здесь ключевую роль играет выбор схем включения транзисторов, так как каждая из них обладает уникальными свойствами:

• Схема с общим эмиттером (ОЭ): Обеспечивает наибольшее усиление как по току, так и по напряжению. Однако имеет невысокое входное и высокое выходное сопротивление. Это рабочая лошадка для большинства каскадов усиления напряжения.
• Схема с общим коллектором (ОК), или эмиттерный повторитель: Не усиливает напряжение (K_u ≈ 1), но дает значительное усиление по току. Обладает очень высоким входным и низким выходным сопротивлением. Идеально подходит для выходных каскадов, согласующих усилитель с нагрузкой.
• Схема с общей базой (ОБ): Не усиливает ток (K_i ≈ 1), но усиливает напряжение. Характеризуется низким входным сопротивлением и отличными частотными свойствами, поэтому часто применяется в высокочастотных устройствах.

Обоснование выбора схемы — это центральная часть пояснительной записки. Вы должны продемонстрировать логику своих действий. Например: «Согласно ТЗ, требуется высокое входное сопротивление (R_вх) и значительный коэффициент усиления по напряжению (K_u). Для обеспечения высокого R_вх входной каскад целесообразно выполнить на полевом транзисторе в схеме с общим истоком (аналог ОЭ для биполярных). Для дальнейшего усиления напряжения второй каскад будет реализован на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером».

Такой подход показывает, что принципиальная схема не выбрана случайно, а является результатом осознанного инженерного анализа, направленного на выполнение конкретных требований технического задания.

Расчет режима по постоянному току, который определяет всё

Когда принципиальная схема выбрана и нарисована, она представляет собой лишь «скелет» устройства. Чтобы «оживить» его и заставить правильно усиливать сигнал, необходимо задать каждому транзистору правильный режим работы по постоянному току, то есть определить его рабочую точку. Этот этап является базовым, и от его корректности зависит работоспособность всей последующей конструкции. Режим по постоянному току определяет все ключевые параметры усилителя.

Что такое рабочая точка? Это набор постоянных токов и напряжений (ток коллектора покоя I_кп, напряжение коллектор-эмиттер покоя U_кэп), которые существуют в схеме при отсутствии входного сигнала. Положение этой точки на выходных характеристиках транзистора критически важно. Если выбрать ее неправильно, например, слишком близко к области насыщения или отсечки, то при подаче входного сигнала верхушка или нижняя часть синусоиды будет «срезаться», что приведет к огромным нелинейным искажениям. В режиме класса А, который чаще всего используется в курсовых проектах, рабочую точку выбирают примерно посередине нагрузочной прямой, чтобы обеспечить максимальный неискаженный размах выходного напряжения.

Методика расчета режима по постоянному току — это последовательный процесс:

1. Выбор тока коллектора покоя (I_кп). Этот выбор является отправной точкой. Для маломощных каскадов его выбирают в диапазоне 1-2 мА, ориентируясь на справочные данные транзистора, где коэффициент усиления по току максимален.
2. Расчет сопротивления в цепи коллектора (R_к) и эмиттера (R_э). Напряжение на эмиттерном резисторе обычно выбирают равным (0.1-0.2) от напряжения питания для обеспечения хорошей температурной стабилизации. Исходя из этого и выбранного тока, по закону Ома рассчитываются R_э и R_к.
3. Расчет делителя напряжения в цепи базы (R_б1, R_б2). Этот делитель задает необходимое напряжение на базе, которое «открывает» транзистор и обеспечивает протекание выбранного тока коллектора. Ток, текущий через сам делитель, должен быть значительно больше тока базы (обычно в 5-10 раз), чтобы напряжение на базе не «проседало» из-за влияния транзистора.

Важно понимать, что все эти расчеты тесно взаимосвязаны. Изменение одного параметра неизбежно влечет за собой пересчет других. Именно поэтому данный этап требует особого внимания и аккуратности. Результаты, полученные здесь, — это фундамент, на котором будут строиться все последующие вычисления параметров усилителя уже для переменного, полезного сигнала.

Анализ усилителя в режиме малого сигнала для оценки его ключевых параметров

После того как мы установили статический режим работы, транзисторы готовы к своей основной задаче — усилению переменного сигнала. Теперь наша цель — проанализировать схему в режиме малого сигнала и рассчитать ее главные качественные показатели: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления. Эти расчеты покажут, насколько наша спроектированная схема соответствует требованиям ТЗ.

Для анализа работы транзистора с переменным сигналом его сложную нелинейную модель заменяют упрощенной линейной эквивалентной схемой. Чаще всего для этого используют так называемые h-параметры (гибридные параметры). Эта модель представляет транзистор в виде «черного ящика» с четырьмя параметрами, которые можно найти в справочниках или рассчитать, зная режим по постоянному току. Именно здесь проявляется важность предыдущего этапа: значения h-параметров напрямую зависят от тока коллектора покоя (I_кп).

Расчет ключевых параметров ведется пошагово:

1. Расчет коэффициента усиления по напряжению (K_u). Это, пожалуй, главный параметр усилителя. Для каждого каскада он рассчитывается по своей формуле, которая зависит от схемы включения (ОЭ, ОК, ОБ) и номиналов резисторов. Общий коэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов.
2. Расчет входного сопротивления (R_вх). Этот параметр показывает, какую нагрузку усилитель представляет для источника сигнала. Входное сопротивление усилителя в целом определяется входным сопротивлением первого каскада.
3. Расчет выходного сопротивления (R_вых). Определяет, насколько сильно будет падать выходное напряжение при подключении нагрузки. Выходное сопротивление всего усилителя определяется выходным сопротивлением последнего, оконечного каскада.

Также на этом этапе рассчитываются коэффициенты усиления по току (K_i) и мощности (K_p). После завершения всех вычислений наступает момент истины — сравнение полученных значений с теми, что были заданы в техническом задании. Если есть расхождения (а они почти всегда бывают), инженер должен принять решение: либо скорректировать номиналы элементов и провести перерасчет, либо использовать более мощные инструменты для «тюнинга» параметров, такие как отрицательная обратная связь.

Внедрение цепей стабилизации для обеспечения надежной работы

Мы рассчитали усилитель для работы в идеальных условиях. Однако в реальности параметры электронных компонентов, и в первую очередь транзисторов, сильно зависят от температуры. При нагреве у биполярного транзистора увеличивается обратный ток коллектора и коэффициент усиления, что приводит к смещению (или «уплыванию») рабочей точки. Это крайне негативное явление: в лучшем случае оно приведет к росту искажений, в худшем — к выходу транзистора из строя из-за теплового пробоя. Учитывая, что в ТЗ часто задан большой интервал рабочих температур, обеспечение стабильности становится одной из ключевых задач проектирования.

Проблема заключается в том, что рост температуры вызывает рост тока коллектора. Это, в свою очередь, приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на коллекторе, и еще большему нагреву транзистора — возникает порочный круг положительной обратной связи.

Для борьбы с этим явлением применяются методы стабилизации рабочей точки. Самым распространенным и эффективным из них является эмиттерная стабилизация. Суть этого метода заключается во включении резистора (R_э) в цепь эмиттера транзистора. На первый взгляд, это просто еще один элемент схемы, но его роль для стабильности огромна.

Работает это так:

1. Предположим, из-за нагрева ток коллектора (I_к) начинает расти.
2. Поскольку ток эмиттера практически равен току коллектора (I_э ≈ I_к), он тоже увеличивается.
3. Согласно закону Ома, падение напряжения на эмиттерном резисторе (U_э = I_э * R_э) также возрастает.
4. Это приводит к тому, что напряжение между базой и эмиттером (U_бэ = U_б — U_э) уменьшается, так как потенциал базы зафиксирован делителем, а потенциал эмиттера «поднялся».
5. Уменьшение напряжения U_бэ приводит к уменьшению тока базы, что, в свою очередь, противодействует первоначальному росту тока коллектора.

Таким образом, резистор в цепи эмиттера создает локальную отрицательную обратную связь по постоянному току, которая автоматически парирует попытки рабочей точки сместиться из-за температурных изменений. Расчет номинала этого резистора является компромиссом: чем он больше, тем лучше стабильность, но тем больше падение напряжения на нем и меньше допустимый размах выходного сигнала. Обычно его выбирают так, чтобы напряжение на нем в режиме покоя составляло 10-20% от напряжения питания.

Управление параметрами усилителя через отрицательную обратную связь (ООС)

Мы стабилизировали режим по постоянному току, но существует еще один универсальный и мощный инструмент, позволяющий кардинально улучшить практически все характеристики усилителя по переменному току. Этот инструмент — отрицательная обратная связь (ООС). Принцип ООС заключается в том, что часть выходного сигнала подается обратно на вход, причем в противофазе с входным сигналом, ослабляя его.

На первый взгляд, ослабление входного сигнала кажется вредным, ведь мы строим усилитель. Но цена, которую мы платим в виде снижения общего коэффициента усиления, многократно окупается целым рядом фундаментальных улучшений:

• Стабилизация коэффициента усиления: Коэффициент усиления схемы с глубокой ООС перестает зависеть от нестабильных параметров транзисторов и определяется только стабильными элементами цепи ООС (обычно это точные резисторы).
• Расширение полосы пропускания: Введение ООС «раздвигает» верхнюю и нижнюю граничные частоты, делая усиление более равномерным в широком диапазоне.
• Снижение нелинейных искажений: ООС эффективно подавляет гармоники, возникающие из-за нелинейности транзисторов, делая воспроизведение сигнала более точным.
• Управление входным и выходным сопротивлениями: Это одно из самых мощных свойств ООС. В зависимости от способа ее подключения, можно целенаправленно увеличивать или уменьшать R_вх и R_вых.

Существует четыре основных вида ООС, которые классифицируются по тому, как сигнал снимается с выхода (по напряжению или по току) и как подается на вход (последовательно или параллельно):

1. Последовательная по напряжению: Увеличивает R_вх, уменьшает R_вых.
2. Параллельная по напряжению: Уменьшает R_вх, уменьшает R_вых.
3. Последовательная по току: Увеличивает R_вх, увеличивает R_вых.
4. Параллельная по току: Уменьшает R_вх, увеличивает R_вых.

Выбор конкретного типа ООС напрямую диктуется техническим заданием. Если, например, ТЗ требует высокое входное сопротивление, выбор падает на один из последовательных типов ООС. Расчет цепи обратной связи сводится к определению ее коэффициента передачи (β), чтобы итоговый коэффициент усиления всей схемы (K_ос = K / (1 + βK)) соответствовал заданному.

Анализ частотных и нелинейных искажений как финальная проверка качества

Проектирование усилителя практически завершено. Мы задали режимы работы, рассчитали основные параметры и улучшили их с помощью ООС. Остался последний, но очень важный расчетный этап — проверить, насколько точно наш усилитель воспроизводит форму сигнала в рабочем диапазоне частот. Для этого необходимо проанализировать два основных вида искажений: частотные и нелинейные.

Частотные искажения

Эти искажения возникают из-за того, что коэффициент усиления реального усилителя неодинаков на разных частотах. Причиной этого являются реактивные элементы в схеме (емкости), сопротивление которых зависит от частоты. Возникают так называемые «завалы» на краях амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):

• Завал на низких частотах: Его причиной являются разделительные конденсаторы и конденсатор в цепи эмиттера. На очень низких частотах их емкостное сопротивление (X_C = 1/(2πfC)) становится большим, и на них падает значительная часть сигнала, не доходя до следующего каскада. Расчет нижней граничной частоты (f_н) позволяет убедиться, что она соответствует требованию ТЗ.
• Завал на высоких частотах: Здесь виноваты внутренние (межэлектродные) емкости транзистора и паразитные емкости монтажа. На высоких частотах их сопротивление, наоборот, становится очень низким, и они начинают шунтировать полезный сигнал, снижая усиление. Расчет верхней граничной частоты (f_в) показывает, до какой частоты усилитель может эффективно работать.

Нелинейные искажения

Если частотные искажения меняют амплитуду разных гармоник сложного сигнала, то нелинейные искажения создают новые гармоники, которых не было во входном сигнале. Их главная причина — нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора. Идеальный усилитель должен иметь линейную зависимость выходного тока от входного напряжения, но в реальности эта зависимость всегда немного искривлена.

Когда на вход подается чистая синусоида, из-за этой кривизны на выходе, помимо основной частоты, появляются ее «кратные» составляющие — вторая, третья и т.д. гармоники. Количественной мерой этих искажений служит коэффициент гармоник (К_г), который показывает, какая доля мощности выходного сигнала приходится на эти паразитные гармоники. Расчет этого коэффициента и его сравнение с заданным в ТЗ является финальной проверкой качества спроектированного усилителя.

Структурирование и оформление курсовой работы от титульного листа до списка литературы

Расчетная часть проекта завершена, и теперь необходимо грамотно представить результаты своей работы. Правильное оформление и структурирование пояснительной записки не менее важны, чем верные расчеты, так как это демонстрирует вашу инженерную культуру и умение систематизировать информацию. Типовая структура курсовой работы по схемотехнике усилителей является стандартной и логичной.

Вот чек-лист, по которому следует компоновать вашу работу:

1. Титульный лист: Оформляется строго по стандарту вашего учебного заведения.
2. Техническое задание (ТЗ): Копия вашего индивидуального задания.
3. Реферат (аннотация): Краткое изложение сути работы (1-2 абзаца): что было спроектировано, какие методы использовались, какие основные результаты получены.
4. Содержание: Перечень всех разделов с указанием страниц.
5. Введение: Здесь описывается актуальность темы, ставится цель работы (например, «Разработка и расчет предварительного усилителя с заданными параметрами») и перечисляются задачи, которые решались для достижения этой цели.
6. Основная часть: Это «сердце» вашей работы, которое должно включать все этапы проектирования в той же последовательности, в которой вы их выполняли:
   • Анализ технического задания.
   • Выбор и обязательное обоснование структурной и принципиальной схем.
   • Расчет режима по постоянному току для каждого каскада.
   • Расчет параметров в режиме малого сигнала (коэффициенты усиления, сопротивления).
   • Расчет цепей температурной стабилизации.
   • Расчет цепи отрицательной обратной связи (если она применялась).
   • Анализ частотных и нелинейных искажений.
7. Заключение: Здесь подводятся итоги. Необходимо сделать выводы о проделанной работе, сравнить полученные расчетные параметры с требуемыми по ТЗ и подтвердить, что поставленная цель достигнута.
8. Список литературы: Перечень всех источников (учебники, справочники, ГОСТы), которыми вы пользовались.

Неотъемлемой частью проекта является графическая часть, которая обычно включает чертеж принципиальной электрической схемы, выполненный по ГОСТу, и графики (например, АЧХ). Для проверки расчетов и построения графиков очень полезно использовать программы схемотехнического моделирования, такие как Micro-Cap или Multisim. Они позволяют «собрать» вашу схему в виртуальной среде и убедиться в ее работоспособности еще до сдачи проекта.

Список использованной литературы

1. Короткова Т.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебно-методическое пособие для слушателей 3 курса факультета заочного обучения специальности 210602.65 «Специальные радиотехнические системы». – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2013. – 61с.
2. Волович Г.И. и др. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. — М.: ДОДЭКА, 2007. — 528 с.
3. Бойко В., Гуржий А., Жуйков В. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства: Учебник- СПб: БХВ -Петербург, 2004 г. — 488 с.
4. Сиренький И.В., Рябинин В.В., Голощапов С.Н. Электронная техника. 2005. — 416 с.
5. Петухов В. М. Взаимозаменяемые транзисторы. Справочник. — М.: Радио-Софт, 2007.
6. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы. Справочник./ Аксенов А., Нефедов. — М.: Радио и связь. — 1998. — 596 с.