Широкополосный усилитель с подъемом АЧХ (29007-1)

Посмотреть архив целиком

38





Министерство образования Российской Федерации.


ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)



Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)








ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
С ПОДЪЁМОМ АЧХ

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Схемотехника»








Студент гр. 148-3

_______Д.С. Ломакин

________дата

Руководитель

Доцент кафедры РЗИ

_______А.А. Титов



Томск 2001

Реферат


Курсовая работа 35 с., 13 рис., 1 табл., 5 источников.

УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ПОЛОСА РАБОЧИХ ЧАСТОТ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

В данной курсовой работе исследуется широкополосный усилитель с подъёмом АЧХ, а также корректирующие и стабилизирующие цепи.

Цель работы - приобретение навыков расчета номиналов элементов усилительного каскада, подробное изучение существующих корректирующих и стабилизирующих цепей, умения выбрать необходимые схемные решения на основе требований технического задания.

В процессе работы были осуществлены инженерные решения (выбор транзисторов, схем коррекции и стабилизации), расчет номиналов схем.

В результате работы получили принципиальную готовую схему усилительного устройства с известной топологией и номиналами элементов, готовую для практического применения.

Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительных устройств.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2000 и представлена на дискете 3,5. (в конверте на обороте обложки).


Задание


Диапазон частот от 10 МГц, до 200 МГц

Допустимые частотные искажения Мн 3 дБ, Мв 3 дБ

Коэффициент усиления 30 дБ

Источник входного сигнала Rг=50 Ом

Амплитуда напряжения на выходе Uвых=5 В

Величина нагрузки Rн=50 Ом

Условия эксплуатации t= +10  +60C

Линейный подъём АЧХ на 5дБ


Содержание


1. Введение 4

2. Основная часть 5

2.1. Определение числа каскадов 5

2.2. Распределение искажений на ВЧ 5

2.3. Расчёт оконечного каскада 5

2.3.1. Расчет рабочей точки 5

2.3.2. Выбор транзистора 8

2.3.3. Расчёт эквивалентных схем транзистора 9

2.3.4. Расчет цепей питания и термостабилизации 11

2.3.5. Расчёт выходной корректирующей цепи 14

2.3.6. Расчёт межкаскадной корректирующей цепи 16

2.4. Выбор входного транзистора 18

2.5. Расчёт предоконечного каскада 19

2.5.1. Расчёт рабочей точки 19

2.5.2. Эмиттерная термостабилизация 19

2.5.3. Расчёт элементов ВЧ коррекции и коэффициента усиления 20

2.6. Расчёт входного каскада 22

2.6.1. Расчёт рабочей точки 22

2.6.2. Однонаправленная модель входного транзистора 22

2.6.3. Эмиттерная термостабилизация 23

2.6.4. Расчёт элементов ВЧ коррекции и коэффициента усиления 24

2.7. Расчёт разделительных и блокировочных конденсаторов 25

3. Заключение 30

Список использованной литературы 31

Схема принципиальная 32

Спецификация 33


1. Введение


Основная цель работы - получение необходимых навыков практического расчета радиотехнического устройства (усилителя-корректора), обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов расчета отдельных компонентов электрических схем.

Усилители электрических сигналов применяются во всех областях современной техники и народного хозяйства: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, системах звукового вещания, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, радиолокации, ЭВМ. Также они нашли широкое применение в автоматических и телемеханических устройствах, используемых на современных заводах. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний, сохраняя их форму. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Т. о., усилительные элементы обладают управляющими свойствами.

Устройство, рассматриваемое в данной работе, может широко применяться на практике.

Устройство имеет немалое научное и техническое значение благодаря своей универсальности и широкой области применения.


2. Основная часть


2.1. Определение числа каскадов


Так как на одном каскаде невозможно реализовать усиление 30дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используем сложение каскадов. Считаем, что каждый каскад в среднем даёт 10дБ, и так как необходимо получить 30дБ, то:

Таким образом, число каскадов равно трём.


2.2. Распределение искажений на ВЧ


По заданию, допустимые искажения АЧХ, вносимые данным устройством, равны 3дБ. Так как используем 3 каскада, то допустимые искажения АЧХ, вносимые одним каскадом, равны 1дБ.


2.3. Расчёт оконечного каскада

2.3.1. Расчет рабочей точки


1). Возьмём сопротивление коллектора равное сопротивлению нагрузки (Rк=Rн).

Согласно закону Ома:

Uвых=IвыхRн (2.1)

Отсюда найдём ток на выходе каскада:

Iвых= Uвых /Rн=5/50=0,1. (2.2)

Выходная мощность:

Рисунок 2.1. - Схема оконечного некорректированного каскада.


Ток на коллекторе транзистора определяется из выражения:

(2.3)

Так как остаточное напряжение выбирается 2-3 В, возьмём Uост=2 В.

Uкэ0 – напряжение рабочей точки

Iк0 – ток рабочей точки.

Таким образом, рабочая точка:.

Найдём напряжение питания:

Еп=Uкэ0 +RкIк0=7+500,22=18 В. (2.4)

Построим нагрузочные прямые:


Рисунок 2.2. – Нагрузочные прямые


На рисунке 3.2. i(u) - нагрузочная прямая по постоянному току (красная)

y(u) - нагрузочная прямая по переменному току (синяя)


Сопротивление по переменному току:

Ом. (2.5)

Амплитуда выходного напряжения:

Uвых=Iк0Rн/2=0,2225=5,5 В. (2.6)

Рассчитаем мощность:

Pпотр=Iк0Eп=0,2218=3,96 Вт (2.7а)

Pрас=Iк0Uкэ0=0,227=1,54 Вт. (2.7б)



2). Вместо сопротивления коллектора поставим дроссель (Rк – дроссель Lк).

Рисунок 2.3. - Схема оконечного дроссельного каскада.


В данном случае Еп=Uкэ0=7 В, так как на коллекторе нет активного сопротивления.

Построим нагрузочные прямые для этого случая.

Iк0Rн=0,1150=5,5В.


Рисунок 2.4. – Нагрузочные прямые


На рисунке 3.4. z(u) - нагрузочная прямая по постоянному току (красная)

U=7- нагрузочная прямая по переменному току (пунктирная)


По формулам (2.7а) и (2.7б) рассчитаем мощность:

Pпотр=0,117=0,77 Вт

Pрас=0,117=0,77 Вт.

Сравним эти каскады:



Таблица 2.1 – сравнение каскадов


Еп , В

Ррасс ,Вт

Рпотр , Вт

Iк0 , А

Uкэ0 , В

Rк=Rн

18

1,54

3,96

0,22

7

Rк Др.

7

0,77

0,77

0,11

7


Так как напряжение питания и мощности дроссельного каскада меньше, чем у каскада с Rк = Rн , то возьмём каскад с дросселем на коллекторе.


2.3.2. Выбор транзистора


Выбор транзистора осуществляется исходя из условий:

Iк.доп >1,2Iк0

Uкэ.доп >1,2Uкэ0

Pк.доп >1,2Pк0

fт310fв ,

где индекс “доп” означает максимально допустимое значение,

Iк – ток коллектора,

Uкэ – напряжение между коллектором и эмиттером,

Pк – мощность, рассеиваемая на коллекторе,

fв – верхняя частота.

Подставим численные значения:

Iк.доп >0,132 А

Uкэ.доп >8,4 В

Pк.доп >0,924 Вт

fт6002000 МГц

Исходя из этих требований, выберем в качестве выходного транзистора транзистор КТ939А. Электрические параметры транзистора КТ939А [1]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (типовое значение):

=113

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ при Uкэ=12В, Iк=200мА:

fТ=3060МГц

Ёмкость коллекторного перехода при Uкб=12В:

СUкэ=3,9пФ

Постоянная времени цепи ОС на ВЧ при Uк=10В, Iэ=50мА, f=30МГц:

с=4,6пФ

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ939:

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора

Рк=4Вт

Рабочая точка:

Iк0=0,11 А

Uкэ0=7 В

Eп=7 В


2.3.3. Расчёт эквивалентных схем транзистора


В данном пункте рассчитываются эквивалентные схемы транзистора, низкочастотная - схема Джиаколетто и высокочастотная – однонаправленная модель.

1). Схема Джиаколетто [2]


а). Сначала найдём Сu кэ , чтобы найти Rб.

Так как в справочнике Сu кэ найдена при напряжении 12 В, а нам необходима при 10 В, то используем такую формулу:

, (2.8)

где СUкк1 – ёмкость коллектор-эмиттерного перехода, рассчитанная при Uкэ1,

Uкэ2 – напряжение, при котором необходимо найти СUкк2.

Подставим численные значения в формулу (2.8):

Ф.


Теперь найдём Rб по формуле:

(2.9)

Подставим численные значения:

Ом.

б). Сопротивление эмиттера

Ом. (2.10)

Здесь Iэ – в мили Амперах.

в). Проводимость база-эмиттер

Ом -1. (2.11)

г). Ёмкость эмиттерного перехода

Ф. (2.12)

д). Крутизна

(2.13)

(2.14)

е).

Ом. (2.15)

ж). В соответствии с формулой (2.8):

Ф.


Элементы схемы Джиаколетто:

gб=0,934 Ом-1

gбэ=16,810-3 Ом-1

gi=13,310-3 Ом-1

Cэ=100 пФ

Ск=5,1 пФ


Рисунок 2.5 - Эквивалентная схема Джиаколетто


2). Однонаправленная модель [3]

Lвх=Lэ+Lб=0,2+1=1,2 нГн

Rвх=rб=1,07 Ом

Rвых=Ri=gi –1=75,2

Свых=Ск=5,1 пФ

G12ном=(fmax/fтек)2=(3060/200)2=15,32=234,09

Рисунок 2.6 - Однонаправленная модель



2.3.4. Расчет цепей питания и термостабилизации


1). Эмиттерная термостабилизация [4]

Найдём мощность, рассеиваемую на Rэ:

Рабочая точка: Iк0=0,11 А

Uкэ0=7 В

Для эффективной термостабилизации падение напряжения на Rэ должно быть порядка 3-5В. Возьмём Uэ=3В. Тогда мощность, рассеиваемая на Rэ определяемая выражением (2.16), равна:

PRэ=Iк0Uэ=0,113=0,33 Вт. (2.16)

Рисунок 2.7 - Схема оконечного каскада с эмиттерной термостабилизацией


Найдём необходимое Еп для данной схемы:

Еп=URэ+ Uкэ0+ URк=3+7+0=10 В. (2.17)

Рассчитаем Rэ, Rб1, Rб2:

Ом, (2.18)

мА, (2.19)

ток базового делителя:

Iд=10Iб=9,73 мА, (2.20)

Ом, (2.21)

Ом. (2.22)

Найдём Lк, исходя из условий, что на нижней частоте полосы пропускания её сопротивление много больше сопротивления нагрузки. В нашем случае:

мкГн. (2.23)


2). Активная коллекторная термостабилизация [4]

Рисунок 2.8 – Схема активной коллекторной стабилизации


Напряжение UR4 выбирается из условия: В.

Возьмём UR4=1,5 В.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на R4:

PR4=UR4IК02=1,50,11=0,165 Вт. (2.24)

Найдём ЕП:

ЕП=Uкэ 02+UR4=7+1,5=8,5 В, (2.25)

где Uкэ 02 – напряжение в рабочей точке второго транзистора.

Ом (2.26)

Первый транзистор выбирается исходя из условия, что статический коэффициент передачи тока базы 01=50100.

Примем 01=75.

Ток базы второго транзистора находится по формуле (2.19):

мА.

В. (2.27)

кОм. (2.28)

В соответствии с формулой (2.19):

А.

Ток базового делителя первого транзистора рассчитывается поформуле (2.20):

Iд1=10Iб1=1019,510-6=0,195 мА.

кОм. (2.29)

кОм. (2.30)

Так как усилитель маломощный, то возьмём эмиттерную термостабилизацию.


2.3.5. Расчёт выходной корректирующей цепи


Рисунок 2.9 - Выходная корректирующая цепь


Нормировка элементов производится по формулам (2.31):

, (2.31)

где Rнор и wнор – сопротивление и частота, относительно которых производится нормировка,

L, C, R – значения нормируемых элементов

Lн, Cн, Rн – нормированные значения.


Нормируем Свых (относительно Rн и wв) в соответствии с (2.31)

СвыхН=СвыхRнwв=5,110-12502200106=0,32

В таблице 7.1 [4] находим нормированные значения L1 и С1, соответствующие найденному СвыхН. Ближайшее значение СвыхН=0,285, ему соответствуют:

С=0,3

L=0,547

=1,002.

Денормирование элементов производится по следующим формулам:

(2.32)

По (2.32) разнормируем С и L :

нГн,

пФ.

Найдём ощущаемое сопротивление транзистора:

Rощ=Rн/=50/1,002=49,9 Ом (2.33)



2.3.6. Расчёт межкаскадной корректирующей цепи


Чтобы обеспечить подъём АЧХ, воспользуемся межкаскадной корректирующей цепью четвертого порядка [5].

Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 2.10 - Каскад с межкаскадной корректирующей цепью четвёртого порядка.


По заданию необходимо осуществить подъём АЧХ на 5 дБ.

Так как неравномерность АЧХ всего устройства составляет 1,5дБ, а число каскадов равно трём, то на каждый каскад приходится неравномерность АЧХ=0,5дБ.

Нормированные значения элементов корректирующей цепи взяты из таблицы 9.1, исходя из заданных частотных искажений [5].

Так как транзистор биполярный, то его входная ёмкость Свх=

Рассчитаем нормированное значение выходной ёмкости первого транзистора (Свых1) по формуле (2.31).

Здесь нормируем относительно выходного сопротивления промежуточного (первого) транзистора и верхней частоты.

Свых1Н=Свых1Rвых12fв=5,110-1275,22200106=0,482

Найдём элементы коррекции с учетом Свых1Н:

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

(2.39)

Разнормируем элементы коррекции в соответствии с (2.32):

нГн

Ом

пФ

пФ

нГн.

Найдём коэффициент усиления выходного каскада:

(2.40)

где Rвх.н – входное сопротивление оконечного транзистора, нормированное относительно выходного сопротивления предоконечного транзистора,

Gном12 – коэффициент усиления транзистора, находится по формуле (2.41)

, (2.41)

fмах – максимальная частота транзистора,

fв – верхняя частота заданной полосы пропускания.

Подставим в формулу (2.40), и получим:

раз = 16,3дБ.




2.4. Выбор входного транзистора


Транзистор входного каскада должен иметь такую же полосу частот, но, так как выходной каскад даёт достаточно высокий коэффициент усиления, то коэффициент усиления входного транзистора можно взять поменьше, чем у транзистора выходного и предоконечного каскадов [1].

Электрические параметры транзистора 2Т911А:

Коэффициент усиления по мощности при Uкэ=28В, Тк40С, на частоте f=1,8ГГц при Рвых=0,8Вт:

Gном1,2=2

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при Uкэ=5В, Iэ=200мА (типовое значение):

=40

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ при Uкэ=12В, Iк=200мА:

fТ=3060МГц

Ёмкость коллекторного перехода при Uкб=28В:

СUкэ=4пФ

Постоянная времени цепи ОС на ВЧ при Uкб=10В, Iэ=30мА, f=5МГц:

с=25пФ

Предельные эксплуатационные данные транзистора 2Т911А:

Средняя рассеиваемая мощность в динамическом режиме

Рк=3Вт

По всем параметрам нам подходит транзистор 2Т911А.


Подставив в формулу (2.41) справочные значения коэффициента усиления и верхней частоты транзистора, найдём максимальную частоту:

,

где fвТР – граничная частота транзистора.

Таким образом fмах=1,8109=2,5 ГГц

Подставив в формулу (2.41) найденное значение максимальной частоты и верхнюю частоту заданной полосы, найдём усиление:


Найдём выходное сопротивление транзистора (Rвых):

Uкб=55 В, Iк=400 мА

Ом.


2.5. Расчёт предоконечного каскада

2.5.1. Расчёт рабочей точки


В данном каскаде используем транзистор КТ939, то есть такой же, как и в выходном каскаде.

Чтобы для всего усилительного каскада использовалось одно и тоже питание, рабочая точка для этого транзистора имеет такое же напряжение, но ток меньше, чем у выходного каскада в ‘коэффициент усиления конечного каскада’ раз.

Uкэ0=7 В,

мА.

Таким образом рабочая точка: Iк0=16,7 мА

Uкэ0=7 В

Эквивалентные схемы транзистора представлены в пункте 2.3.3.


2.5.2. Эмиттерная термостабилизация


Возьмём напряжение на эмиттере Uэ=3 В.

Мощность, рассеиваемая на Rэ находится по формуле (2.16):

PRэ=16,73=50,1 мВт.

Еп для данной схемы находится по формуле (2.17):

Еп=3+7+0=10 В.

Рассчитаем Rэ, Rб1, Rб2 в соответствии с формулами (2.18)-(2.22)

Ом,

мА,

ток базового делителя: Iд=10Iб=1,48 мА,