Курсовая работа (т): Принципиальная схема усилителя на основе полевых и биполярных транзисторов

Принципиальная схема усилителя на основе полевых и биполярных транзисторов

Содержание

Техническое задание

Исходные данные

Введение

. Разработка структурной схемы

. Разработка принципиальной схемы

. Разработка интегральной микросхемы

.1 Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

.2 Разработка топологии

.3 Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы

Заключение

Список литературы

Техническое задание

Разработать принципиальную схему усилителя на основе полевых и биполярных транзисторов и реализовать устройство в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИС).

Исходные данные

электронный усилитель сопротивление микросхема

1.       Напряжение источника питания U_ПИТ = - 9 В.

2.       Коэффициент усиления по напряжению: Кu = 8.

.        Входное сопротивление: R_ВХ = 2 МОм.

.        Выходное сопротивление: R_Н = 0,6 кОм.

.        Выходное номинальное напряжение U_НОМ = 1 В.

.        Нижняя рабочая частота: f_Н = 50 Гц.

.        Верхняя рабочая частота: F_В = 10 кГц.

.        Коэффициент искажений на нижней частоте: М_Н = 3 дБ.

.        Коэффициент искажений на верхней частоте: М_В = 3 дБ.

.        Тип входа: Н (несимметричный).

.        Тип выхода: С (симметричный).

Введение

Аналоговыми называются устройства, у которых сигналы являются непрерывными функциями времени. К основным классам аналоговых устройств относятся: усилители, аналоговые фильтры и генераторы, электронные и автоматические регуляторы, аналоговые перемножители напряжений, преобразователи, вторичные источники питания.

В зависимости от конкретной области применения аналоговые устройства подразделяются на измерительные, телевизионные, радиоприемные, телефонные, радиовещательные и др. Дополнительными признаками для классификации являются диапазон рабочих частот и потребляемая мощность. В зависимости от используемой элементной базы аналоговые устройства подразделяются на электровакуумные, транзисторные и интегральные. Наиболее перспективными являются интегральные аналоговые устройства, обладающие высокой надежностью, малой массой, объемом, экономичностью.

В курсовой работе разрабатывается аналоговое устройство - усилитель на основе ГИС. Электронный усилитель - устройство, предназначенное для увеличения мощности электрического сигнала с сохранением его формы. Усилители являются наиболее распространёнными устройства в радиоэлектронной аппаратуре. Реализация усилителя в виде микросхемы актуальна. По технологии изготовления ИМС различают два направления: полупроводниковые и гибридные ИМС. ГИС содержит плёночные пассивные элементы и навесные активные элементы и имеет ряд преимуществ: возможность получения любых значений пассивных элементов, малую температурную зависимость параметров, невысокими затратами при организации производства, простотой изготовления плат. Поэтому проектировать усилитель целесообразнее на ГИС.

1. Разработка структурной схемы

Для того чтобы обеспечить заданный режим работы усилителя составляется структурная схема на основе типовой (рисунок 1.1).

Устройство содержит входное устройство ( Вх.У ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) к входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала к входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах.

Рисунок 1.1

Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления.

Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания (ИП) обеспечивает питание активных элементов усилителя.

Для обеспечения стабилизации требуемых параметров вводится цепь отрицательной обратной связи.

Основными признаками для классификации усилителей являются диапазон рабочих частот и параметры, характеризующие его усилительные способности: ток, напряжение, мощность. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частотные и фазовые искажения. Усилители мощности характеризуются выходной мощностью и КПД.

Анализируя исходные данные, техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя мощности с использованием полевого и биполярного транзисторов со спектром частот канала ТЧ.

2. Разработка принципиальной схемы

Основным каскадом усиления является резисторный (рисунок 2.1), который выполнен на полевом транзисторе VT1 с управляющим р-n-переходом р - типа, включенный по схеме с общим истоком ОИ, что позволяет добиться максимальную мощность на выходе и высокого входного сопротивления, следовательно, осуществлять работу с высокоомными источниками входного сигнала. Для предотвращения попадания постоянной составляющей в цепь источника сигнала на входе предусмотрен разделительный конденсатор С_Р1. Для согласования с R_ВХ = 2 МОм в схеме предусмотрен резистор в цепи затвора R_З. Полевой транзистор работает при нулевом смещении и в классе А (линейный режим). Нагрузкой каскада по постоянному току является резистор стока R_С, параллельно которому включается корректирующий конденсатор С_К, служащий для расширения полосы пропускания в области верхних частот. Между каскадами предусмотрена гальваническая непосредственная связь.

Второй каскад собран на биполярном транзисторе VT2 типа р-n-р, включенный по схеме с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором. Такой способ подключения нагрузки обеспечивает симметричный выход. Каскад имеет название с разделённой нагрузкой. Для установки режима VT2 здесь требуется высокоомные резисторы Rд₁ и Rд₂. Использование делительной цепочки R_Д1 и R_Д2 усложняет топологию гибридной ИМС и удорожает ее стоимость, поэтому в выбранной схеме их нет. R_К - сопротивление коллектора необходимо для задания режима работы по постоянному току в выходной цепи. R_Э - резистор в цепи эммитера, является элементом обратной связи и одновременно автоматического смещения. Местную обратную связь применяют для стабилизации режима работы каскада. Краткая характеристика элемента ООС: отрицательная по знаку, последовательная по току, частотнонезависимая, по обеим составляющим сигнала.

Связь между усилителем и нагрузкой осуществляется через выходное устройство в качестве, которого используется разделительный конденсатор Ср₂, Ср₃.

В схеме предусмотрен источник сигнала U_Г (генератор) с внутренним сопротивлением R_Г.

Усилитель не может нормально функционировать без источника питания U_П.

Принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и симметричным выходом приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Усилитель с несимметричным входом и симметричным выходом и БТ включенным по схеме с ОК

3. Разработка интегральной микросхемы

.1 Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых произвожу расчёт требуемого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений пассивных элементов.

Рассчитываем параметры элементов выходного каскада. Транзистор выходного каскада VT2 выбирается по току покоя I_к.о., который должен в 2¸3 раза превышать ток нагрузки:

 . (1)

Отсюда,

.

Для выходного контура, используя ЗНК, составляю уравнение:

 (2)

Для схемы с разделённой нагрузкой в качестве выходного применется фазоинверсный каскад для которого справедливы соотношения:

; .

Выбираю биполярный транзистор структуры p-n-p, пользуясь приложением 4 [1], марки 2Т3704-1. На рисунке 3.1 приведены входные и выходные ВАХ 2Т3704-1.

На выходных характеристиках БТ строю нагрузочную прямую и определяю положение рабочей точки (А). Координаты точки РТ I_К.рт = 4,72 мА, U_КЭ.рт = 4,5 В, I_Б.рт = 43 мкА, U_БЭрт = 0,78 В.

В каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора, эмиттера:

.

Рисунок 3.1 - Семейство входных (а) и выходных (б) ВАХ БТ 2Т3704-1

Для проведённых расчётов проверяем выполнение ЗНК для выходного контура второго каскада:

Коэффициент усиления каскада с разделенной нагрузкой складывается из коэффициента передачи эмиттерного повторителя и коэффициента усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

К_U2=K_ЭП+K_ОЭ . (3)

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:

 , (4)

. (5)

Для расчёта коэффициента усиления каскада на VT2 для этого необходимо определить коэффициент усиления по току h_21Э, входное сопротивление h_11Э, R_ЭП, R_ЭЭ.

Значение параметра h_21Э определяется с использованием семейства выходных характеристик в районе точки покоя РТ (рисунок 3.2б).

 (6)

Значение параметра h_11Э определяют по входной характеристике БТ (рисунок 3а):

 (7)

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

, (8)

где  . (9)

;

;

;

.

К_U2 = K_ЭП + K_ОЭ = 0,944 + 0,924 = 1,868.

Для первого каскада более подходит ПТ марки 2П201А р - типа [1], его выходные вольт - амперные характеристики ВАХ приведены на рисунке 3.2.

По условию задано напряжение питания - 9 В, поэтому через точку по оси напряжений 9 В и U_ЗИ = 0 В проводим нагрузочную прямую. Рабочая точка или точка покоя имеет координаты I_С.рт = 0,74 мА и U_СИ.рт. = U_RЭ +U_{БЭ р.т.} =2,25+0,78 = 3,03 В при U_ЗИ = 0 В.

Выбор рабочей точки при U_ЗИ = 0 В гарантирует упрощение принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в использовании сопротивления в цепи тока R_u, и конденсатора большей емкости С_u, устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.

Линия нагрузки однозначно определяет выбор сопротивления нагрузки R_C:

, (10)

Далее рассчитываем значение коэффициента усиления по напряжению первого каскада К_U1. Если рабочая точка выбирается в пологой области выходных ВАХ ПТ, то коэффициент усиления по напряжению первого каскада рассчитывается по формуле:

К_U1 = SR_C , (11)

где S - крутизна ПТ в рабочей точке (находится по семейству стоковых характеристик).

Рисунок 3.2 - Семейство ВАХ транзистора 2П201А

Крутизна рассчитывается для рабочей точки (рисунок 3.1) по формуле:

, (12)

По формуле 12 определяю:

.

Произведём перерасчёт К_U1 по формуле с использованием Ri,так как РТ находится на крутом участке выходных ВАХ ПТ.

Внутреннее сопротивление ПТ рассчитываем с использованием выходных ВАХ рисунка 3.2:

.

Если рабочая точка выбрана неудачно (в крутой области выходных характеристик), а также при малом входном сопротивлении второго каскада упрощенной формулой пользоваться нельзя, т.к. фактически усиление напряжения первым каскадом будет равно:

_U1=s(r_c //r_I //r_ВХ) , (формула 13)

где выражение в скобках представляет собой параллельное соединение

сопротивления в цепи стока R_C, внутреннего (выходного) сопротивления полевого транзистора R_I и входного сопротивления транзистора следующего каскада r_bx. Входное сопротивление эмиттерного повторителя определяется по формуле:

.

Усилитель двухкаскадное устройство, поэтому общий коэффициент передачи определяется:

.

Полученное значение К_U = 12.256 немного больше требуемое

К_U.ТРЕБ. = 8, избыток усиления компенсируем изменением значения сопротивления источника сигнала формула (14) [1]:

Где К_ВХ - требуемый коэффициент усиления рассчитываю по формуле:

. (14)

, (13)

В результате сопротивление источника равно: Rг = 0,106 МОм. По шкале номинальных значений ряда Е24 Rг = 0,11 МОм.

Сопротивление затвора по условию: R_З = R_ВХ = 2 МОм.

Рассчитываю ёмкости конденсаторов по формулам (8,9,10) [1]. Коэффициент частотных искажений в области нижних частот разделяют отдельно на 1-ый и 2-ой каскады, соответственно:

М_Н1= 0,3 дБ (1,035);

М_Н2 = 2,7 дБ (1,365).

Ёмкость первого разделительного конденсатора:

Ёмкость второго и третьего разделительных конденсатора:

Ёмкость корректирующего конденсатора:

 (17)