Задача № 1
1. Приведите структурную схему усилителя с заданными каскадами; на схеме укажите заданные напряжения.
2. Рассчитайте указанный коэффициент усиления.
3. Перечертите заданную характеристику, укажите её название. Поясните физический смысл заданных качественных показателей, и с помощью приведённой характеристики рассчитайте их.
Дано: состав структурной схемы – КПУ, ПОК, ОК.
Параметры для расчёта: Uвх ус
=10мВ, Uвых ус
= 0,5В, Uвых кпу
= 100мВ.
Найти: Ккпу.
, ДРЧ Мf
=100 Гц
Решение:
1) Структурная схема усилителя с заданными каскадами
Uвх ПОК
Uвх ОК
Uвых КПУ
Uвых ПОК
|
|
|
|
|
|
|
|
UИС
UВХ КПУ
UВЫХ ОК
UН
2) Расчёт коэффициента усиления (Ккпу
) по заданным величинам напряжений.
Коэффициент усиления, показывает во сколько раз КПУ, усиливает входное напряжение. За входное напряжение КПУ берем значение Uвх ус
=10мВ, так как входное устройство является элементом согласования каскадов усилителя и усилительными свойствами не обладает.
3) Амплитудно-частотная характеристика усилителя:
К
60
50 К ср
40
0,707КСР
30
20
10
f кГц
0 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 12,9
АЧХ усилителя отображает зависимость К от частоты, на ней видно, что в диапазоне частот от 0,05 до 0,2 кГц коэффициент возрастает, затем в диапазоне от 0,2 до 3.2 кГц коэффициент не изменяется, а затем начинает уменьшаться.
ДРЧ (диапазон рабочих частот) – диапазон частот, в котором коэффициент усиления К уменьшается не более, чем на 1 дБ, то есть в 1.41 раза.
Поэтому на уровне , проводим вспомогательную линию, параллельную оси f . Точки пересечения этой линии с АХЧ проецируем на ось f. Получаем искомый ДРЧ от нижней частоты fН
до fВ
.
По примеру из методического пособия (рис.8), для решения задачи находим из графика среднее значение КСР
. КСР
=50
Затем находим 0,7КСР
= 0.7 50 = 35, на этом уровне проводим прямую параллельную оси f.
Из получившихся расчетов делаем вывод, что предложенная в задаче АЧХ усилителя находится в диапазоне рабочих частот и данный диапазон лежит в пределах от
fН
=0,075 кГц и до fВ
=11,6 кГц.
ДРЧ усилителя от fН
=0,075 кГц и до fВ
=11,6 кГц.
Рассчитаем значение
КСР
=50 = определили из графика, по графику также определяем значение Кf
для частоты 100 Гц оно равно 40 (Кf
=40).
Рассчитываем по формуле значение
Задача № 3
1. Укажите назначение операционного усилителя (ОУ) и его преимущества.
2. Приведите схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, поясните назначение элементов схемы.
3. Рассчитайте элементы схемы и постройте ее АЧХ.
Дано: Активный фильтр нижних частот. fСР
= 1 кГц, КФНЧ
=100, RИС
=1 кОм
Определить: 1) указать назначение операционного усилителя и его преимущества;
2) привести схему на операционном усилителе, выполняющую заданную функцию, пояснить назначение элементов схемы;
3) рассчитать элементы схемы и постройте ее АЧХ.
Решение:
1) Назначение и преимущества операционного усилителя.
Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций с входными сигналами: усиления, сложения, вычитания, умножения, интегрирования и т.д.
OУ выполняется в виде интегральных схем. В состав схем входят дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопротивление, малый шум; каскад предварительного усиления и усилитель мощности (эмиттерный повторитель).
Для ОУ характерны большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление, широкий диапазон рабочих частот, низкий уровень шума.
2) Активный фильтр нижних частот на ОУ:
ССВ
RСВ
R1
DA
R2
RН
UВЫХ
UВХ
R1
и RСВ
– задают коэффициент усиления схемы;
R2
согласует неинвертирующий вход ОУ с источником сигнала;
RСВ
и ССВ
определяют частоту среза фильтра.
3) Расчет элементов схемы и построение АЧХ.
Чтобы согласовать инвертирующий вход ОУ с источником сигнала значение R2
выберем равным RИС
. RИС
по условию задачи равно 1 кОм. Можно записать
R2
= RИС
=1кОм
Коэффициент передачи фильтра рассчитаем по формуле
Величина сопротивления R1
выбирается из расчета от 1 до 3 кОм. Пусть R1
= 2 кОм.
Тогда ( КФНЧ
=100 по условию задачи).
Для расчета емкости ССВ
сначала рассчитываем круговую частоту среза
вычисляем [ рад/с]
Частота среза определяется цепочкой RСВ
и ССВ
и равна
, отсюда
Рассчитаем частоту , на которой КФНЧ
= 0
Строим график:
Для построения графика от значений ω был взят десятичный логарифм от полученных ранее значений.
lg ωСР
= lg 6280 = 3,8 ;lg ω0
= lg 126∙104
= 6,1
К
60
50
40
30
20
10
0 6280 126∙104
ω (рад/с)
ωСР
ω0
lg ω, дек
1 2 3 4 5 6 7 8
<
Рассчитать каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе КТ312А
n-p-n - типа, включенном с общим эмиттером, с последовательной отрицательной обратной связью по току.
Дано: Ек
= 15В, КООС
= 10, FH
= 75Гц, RH
= 10кОм, IК
max
ДОП
= 30мА, h21э
min
= 10,
h21э
max
= 100, rб
= 100 Ом.
Рассчитать: элементы схемы и рабочий режим транзистора.
Решение:
Принципиальная схема резистивного усилителя напряжения:
ЕК
+ −
RК
СР
RД1
СР
VT
UВЫХ
RН
UВХ
RД2
RЭ
СЭ
1. Сопротивление нагрузки коллекторной цепи RК
кОм (стандарт 620 Ом), где IKmax
= КЗ
IК
max
ДОП
= = 0.75 IKmax
ДОП
=0,75∙ 30=22,5 (мА) где КЗ
коэффициент запаса по току IК
.
Обычно КЗ
= 0,7…0,8. приняли для задачи КЗ
=0,75
2. Сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ
.
Требуемая стабилизация режима работы достигается, если Rэ
≈ 0,1RK
Rэ
≈ 0,1∙ 610 = 61 Ом. Выберем стандарт Rэ
= 62 Ом.
3. Эквивалентное сопротивление делителя Rд1 ,
Rд2
:
Rдел
= RЭ
∙ (Si – 1),
где Si – коэффициент нестабильности в реальных схемах Si=2…5. Примем среднее значение Si= 3,5.
Rдел
= 61 ∙ (3,5 – 1) = 61 2,5 = 152,5 Ом.
4. Определяем рабочий режим транзистора:
- минимальный коллекторный ток
IKmin
= 0.1∙ IKmax
= 0.1∙ 0.75∙ 30 = 2.25мА.
- максимальный коллекторный ток:
IKmax
=0.75∙ IK
max
доп
= 0,75 ∙ 30 = 22,5 мА.
- максимальное коллекторное напряжение ( UK
Э
max
)
- минимальное значение UКЭ
,
где Uкэнас
= 0,8В, так как для кремниевых транзисторов такое значение напряжения насыщения.
Параметры рабочего режима транзистора в рабочей точке:
- выходное напряжение UКЭРТ
– напряжение на коллекторе в рабочей точке:
Выходной ток - ток коллектора в рабочей точке:
Входной ток в рабочей точке - ток базы
,
где h21э
– средне- геометрическое значение коэффициента передачи тока., тогда входной ток
Входное напряжение – напряжение на базе транзистора в рабочей точке UБЭРТ
:
,
где UБЭ0
– пороговое напряжение биполярного транзистора. Для кремниевых транзисторов UБЭ0
= 0,7 В; rБ
=100 Ом из данных задачи
- расчёт делителя Rд1
и Rд2
Стандартное значение Rд2
=180 Ом 10%
Стандартное значение Rд1
=1,6 кОм 5%
- значение емкости разделительного конденсатора определяется, исходя из нижней частоты диапазона усиливаемого сигнала
стандартное значение 0,2 мкФ
- Расчет емкости блокировочного конденсатора:
Стандартное значение : 330 мкФ10%
расчет коэффициента усиления каскада
коэффициент получился меньше заданного. Возьмем величину RК
из стандартного ряда сопротивлений равной 680 Ом и рассчитаем вновь:
что соответствует требованию задания.
Задание № 5
Привести схему автоколебательного мультивибратора, указать его назначение. Рассчитать длительность импульсов tИ1
и tИ2
, период следования импульсов Т и частоту следования импульсов ƒ. Построить временные диаграммы Uк1
= ƒ(t) и Uк2
= ƒ(t).
Дано: RК1
= 100 Ом; RК2
= 82 Ом; R1
= 2кОм; R2
= 3кОм; C1
= C2
= 10нФ; E = 15В.
Рассчитать: tИ1
, tИ2
, Т, ƒ.
Решение:
Схема автоколебательного мультивибратора
+ Е −
RК1
R2
R1
RК2
С2
С1
VT1
VT2
UВЫХ1
UВЫХ2
Мультивибратор – это релаксационный генератор. Мультивибратор формирует импульсы не синусоидальной формы – на выходе мультивибратора могут быть импульсы прямоугольной или пилообразной форм. Мультивибратор имеет накопитель энергии – конденсатор и электронный ключ – транзистор – переключение которого обусловлено запасом энергии в конденсаторе. Параметры выходных импульсов определяются параметрами элементов схемы. Мультивибраторы применяются в устройствах автоматики, измерительной и вычислительной техники.
2. Расчёт длительности импульсов проводится по формуле tИ
= 0,7 RC
расчет tИ1
=0,7 R1
C1
расчет tИ2
=0,7 R2
C2
Длительность фронтов импульсов зависит от времени заряда емкости и определяется по формулам:
Период следования импульсов:
Т = tИ1
+ tИ2
= 14 + 21 = 35мкс
Частота следования импульсов:
Амплитуда импульсов: по среднему значению
Временные диаграммы выходных сигналов: Uк1
= ƒ(t) и Uк2
= ƒ(t).
Для построения: tИ1
=14 мкс;tИ2
=21 мкс
tФ1
= 2,5 мкс tФ2
= 2,05 мкс
Um
=12В
UК1
tИ1
16
12
8
4
0
5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 60 t,мкс
tФ1
UК2
16 tИ2
12
8
4
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t, мкс
tФ2
Литература
1. Электронная техника. Программа, методические указания.. М, 2003
2. Электронные приборы и усилители. Программа, методические указания …М, 1995