Как рассчитать усилитель для курсовой работы полное практическое руководство

Курсовая работа по расчету усилителя — это не абстрактное академическое упражнение, а симуляция реального инженерного проектирования. Главная задача здесь — не просто выполнить последовательность вычислений, а создать модель устройства, которое точно соответствует параметрам из технического задания. Голые расчеты, оторванные от понимания физических процессов, не имеют ценности. Ключевым инструментом, который позволяет превратить базовую, нестабильную схему в прецизионное и предсказуемое устройство, является отрицательная обратная связь (ООС). Именно грамотное проектирование цепи ООС становится центральной задачей инженера, так как она позволяет стабилизировать характеристики, снизить искажения и добиться требуемых показателей. Понимание ее роли — это первый шаг к успешной защите проекта.

Теперь, когда цель ясна и главный инструмент определен, мы можем приступить к первому фундаментальному шагу — выбору основы для нашего будущего усилителя.

Раздел 1. Выбор принципиальной схемы как фундамент всего проекта

Выбор принципиальной схемы — это не случайность, а первый и самый ответственный стратегический шаг в проектировании. От него зависят как потенциальные характеристики усилителя, так и сложность последующих расчетов. В подавляющем большинстве курсовых работ по усилительной технике базовой схемой служит усилитель на биполярных транзисторах, собранный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Такая популярность абсолютно оправдана.

Главное преимущество схемы с ОЭ — это максимальное усиление по напряжению, что чаще всего и является основной целью при проектировании. В то время как другие конфигурации, такие как схема с общим коллектором (ОК) или общей базой (ОБ), используются для специфических задач (например, согласования сопротивлений или работы на высоких частотах), схема с ОЭ представляет собой универсальное решение для получения высокого коэффициента усиления.

Часто в курсовых работах рассматривается типовая трехкаскадная структура:

• Входной каскад: обеспечивает основное усиление и формирует входное сопротивление.
• Промежуточный каскад: если требуется, дополнительно увеличивает усиление.
• Выходной каскад: обеспечивает усиление по току для работы на низкоомную нагрузку.

Таким образом, для защиты своего выбора в пояснительной записке можно сформулировать четкий тезис: «Для данной курсовой работы мы выбираем схему усилителя с общим эмиттером, так как она наилучшим образом соответствует задаче получения максимального усиления по напряжению при умеренной сложности реализации».

Когда скелет нашего устройства выбран, необходимо подать на него «питание» и зафиксировать в стабильном рабочем состоянии. Переходим к расчету режимов по постоянному току.

Раздел 2. Расчет режимов по постоянному току, или как обеспечить стабильность

Этот этап можно сравнить с закладкой фундамента для здания. Если расчет по постоянному току выполнен неверно, усилитель либо не будет работать вовсе, либо его характеристики будут непредсказуемо «плавать». Цель этого расчета — задать и стабилизировать рабочую точку транзистора. Рабочая точка — это режим покоя, то есть токи и напряжения на выводах транзистора при отсутствии входного сигнала. Ее правильное положение и, что еще важнее, стабильность, критически важны для корректного усиления.

Расчет ведется в строгой последовательности с использованием законов Кирхгофа для цепей постоянного тока. Алгоритм выглядит следующим образом:

1. Выбор тока коллектора покоя (Iкп): Это отправная точка всего расчета. Его значение выбирается исходя из требуемой выходной мощности и типа транзистора.
2. Определение напряжений на элементах: Задается напряжение на коллекторе (обычно половина напряжения питания для максимального размаха выходного сигнала) и напряжение на эмиттере (для обеспечения термостабилизации).
3. Расчет сопротивлений: На основе выбранных токов и напряжений по закону Ома вычисляются номиналы резисторов в цепи коллектора, эмиттера и в цепях делителя напряжения, задающего смещение на базе.

Ключевая задача, решаемая на этом этапе, — обеспечить независимость рабочей точки от факторов нестабильности. В первую очередь, это температура окружающей среды и неизбежный разброс параметров (например, коэффициента усиления по току β) у разных экземпляров одного и того же типа транзистора. Именно для этого в схему вводится эмиттерный резистор, который создает локальную отрицательную обратную связь по постоянному току, эффективно стабилизируя режим работы каскада.

Теперь, когда наш транзистор находится в стабильном и предсказуемом режиме покоя, можно перейти к анализу его основной функции — усилению переменного сигнала.

Раздел 3. Анализ по переменному току. Каковы исходные возможности усилителя?

После того как мы обеспечили стабильный режим покоя, наступает время оценить «сырой» потенциал нашей схемы — ее характеристики по переменному току без учета глобальной отрицательной обратной связи. Этот анализ создает критически важную точку отсчета, на фоне которой станет очевидна вся польза от последующего введения ООС. На данном этапе мы рассчитываем, на что способен наш усилитель «как есть».

Основная задача — определить три ключевых параметра для переменного сигнала:

• Коэффициент усиления по напряжению (Ku): Показывает, во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше входного. На этом шаге его значение получается максимально возможным для данной схемы.
• Входное сопротивление (Rвх): Определяет, какую нагрузку усилитель создает для источника сигнала.
• Выходное сопротивление (Rвых): Характеризует способность усилителя работать на различную нагрузку без изменения своих свойств.

Расчет этих параметров производится на основе эквивалентной схемы усилителя для малого сигнала, где транзистор заменяется его h-параметрической моделью. Важно понимать, что полученный на этом этапе коэффициент усиления, хоть и может быть очень большим, имеет серьезные недостатки. Он сильно зависит от индивидуальных параметров конкретного экземпляра транзистора (в первую очередь от параметра h21э или β) и нестабилен при изменении температуры. Любая замена транзистора или колебания условий эксплуатации приведут к значительному изменению усиления. Именно этот вывод служит мощным аргументом в пользу необходимости следующего, решающего шага.

Мы получили высокий, но нестабильный коэффициент усиления. Теперь наступает ключевой момент проектирования: мы сознательно пожертвуем частью этого избыточного усиления, чтобы кардинально улучшить все остальные, более важные параметры устройства.

Раздел 4. Проектирование цепи ООС. Улучшаем характеристики ценой усиления

Проектирование цепи отрицательной обратной связи — это ядро всей курсовой работы и квинтэссенция инженерного подхода. Здесь мы переходим от простого усиления к созданию прецизионного устройства. Основной тезис этого этапа: ООС — это осознанный компромисс, при котором мы обмениваем избыточное усиление на стабильность и качество.

Глубокая отрицательная обратная связь кардинально изменяет практически все характеристики усилителя. Ее ключевые эффекты:

• Стабилизация коэффициента усиления: Усиление начинает определяться не параметрами транзистора, а номиналами стабильных пассивных элементов (резисторов) в цепи ООС.
• Расширение полосы пропускания: Усилитель начинает одинаково эффективно усиливать сигналы в более широком диапазоне частот.
• Снижение нелинейных искажений: ООС эффективно подавляет искажения, вносимые нелинейностью характеристик транзистора.
• Изменение входного и выходного сопротивлений: В зависимости от типа ООС, можно целенаправленно увеличивать или уменьшать эти параметры для лучшего согласования с источником сигнала и нагрузкой.

Существует несколько видов ООС, которые классифицируются по способу съема сигнала (по напряжению или по току) и способу его подачи в цепь усиления (последовательно или параллельно). Выбор конкретного типа зависит от задачи. Например, для стабилизации выходного напряжения при меняющейся нагрузке выбирают ООС по напряжению. Для создания источника тока — ООС по току.

Методика расчета цепи ООС сводится к следующему: зная требуемый по техническому заданию коэффициент усиления (K_треб) и рассчитанный ранее «сырой» коэффициент усиления (Ku), определяют необходимую глубину обратной связи. Затем, исходя из выбранного типа ООС и формулы для коэффициента усиления с обратной связью, рассчитывают номиналы резисторов, образующих эту цепь. Именно эти простые пассивные компоненты теперь будут диктовать, как будет работать вся схема.

После того как все расчеты на бумаге завершены, необходимо проверить их жизнеспособность с помощью современных инструментов моделирования.

Раздел 5. Моделирование схемы и подготовка графической части

Моделирование в специализированных программах (например, Multisim, Micro-Cap или LTspice) — это не формальность для курсовой работы, а обязательный этап проверки, который в реальной инженерии экономит время и деньги, позволяя выявить ошибки до сборки прототипа. Этот шаг позволяет «оживить» схему и убедиться, что теоретические расчеты соответствуют ее реальному поведению.

Для полноценной проверки и подготовки графической части к пояснительной записке необходимо провести несколько видов анализа:

1. Анализ АЧХ (амплитудно-частотной характеристики): Это основной график, который показывает зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала. По нему проверяют два ключевых параметра: соответствие усиления в рабочей полосе частот расчетному значению и ширину самой полосы пропускания.
2. Анализ ФЧХ (фазо-частотной характеристики): Показывает сдвиг фаз между выходным и входным сигналами в зависимости от частоты. Этот график критически важен для оценки устойчивости усилителя.
3. Анализ переходных процессов (Transient Analysis): Моделирование прохождения через усилитель сигнала определенной формы (например, синусоиды). Это позволяет визуально оценить наличие искажений («срезанные» вершины синусоиды) и убедиться, что выходной сигнал не имеет нежелательных колебаний.

Результаты этих симуляций — графики АЧХ, ФЧХ и осциллограммы сигналов — являются обязательной частью курсового проекта. Они не только наглядно подтверждают правильность ваших расчетов, но и демонстрируют ваше владение современными инструментами проектирования.

Выполнив все расчеты и проверив их на модели, мы подошли к финалу. Осталось лишь грамотно оформить результаты и подвести итоги проделанной работы.

Заключение. Формулирование итоговых выводов

Качественное заключение — это финальный аккорд, который демонстрирует, что поставленная в начале курсовой работы цель была полностью достигнута. Его структура должна быть логичной и убедительной, построенной по принципу «Цель -> Результат -> Вывод».

Сначала следует кратко напомнить исходные требования из технического задания. Например: «Целью работы являлось проектирование усилителя со следующими параметрами: коэффициент усиления не менее 50, полоса пропускания от 100 Гц до 20 кГц, входное сопротивление более 10 кОм».

Затем необходимо привести итоговые расчетные параметры, которые были получены после введения отрицательной обратной связи и подтверждены моделированием. Например: «В результате расчетов и моделирования был спроектирован усилитель со следующими характеристиками: коэффициент усиления составил 52, полоса пропускания — от 95 Гц до 25 кГц, входное сопротивление — 12 кОм».

Наконец, делается однозначный вывод, сравнивающий требуемое и полученное. Важно подчеркнуть, какая именно часть проекта сыграла решающую роль: «Сравнение полученных характеристик с техническим заданием показывает, что все требования выполнены. Ключевую роль в достижении требуемой стабильности коэффициента усиления и расширении полосы пропускания сыграла спроектированная цепь отрицательной обратной связи по напряжению, которая ценой снижения избыточного усиления позволила стабилизировать параметры устройства. Задача проектирования успешно решена«.

Список источников информации

1. В.З. Слуцкий,Б.И. Фогельсон «Импульсная техника и основы радиолокации» Воениздат . МО Москва 1975
2. Б.А. Катаранов» Электротехника и электроника» ч.2 Электроника. Воен. Издат.
3. И.П. Жеребцов «Основы электроники» Энергоатомиздат 1989
4. И.П. Степаненко «Основы теории транзисторных схем. М. Энергия 1977 г.
5. Е.А. Москатов. «Электронная техника» Таганрог 2005 г.
6. В.Л. Савиных «Физические основы электроники» Новосибирск 2003г.