Широкополосный усилитель (12s)

Посмотреть архив целиком

46



Министерство образования Российской Федерации



ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)








Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)





Широкополосный усилитель


Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине “Схемотехника аналоговых устройств”


РТФ КП 468714.001 ПЗ




Студент гр. 180

___________Т. А. Сизиков

___________________дата


Руководитель

Доцент кафедры РЗИ

_____________А.А. Титов

___________________дата






2003




Реферат


Курсовой проект 48 стр., 1 табл., 20 рис., 8 ист.


ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, РАБОЧАЯ ТОЧКА, ДРОССЕЛЬНЫЙ КАСКАД, ВХОДНАЯ ЦЕПЬ, НАГРУЗОЧНЫЕ ПРЯМЫЕ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, ЭМИТТЕРНАЯ КОРРЕКЦИЯ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДЖИАКОЛЕТТО.

Объектом разработки является широкополосный усилитель.

Цель данной работы – приобретение практических навыков в расчете усилителей на примере конкретной задачи.

В процессе работы производился анализ различных схем реализации усилительного устройства, расчет его параметров и элементов. В результате была разработана схема усилителя, отвечающая требованиям технического задания.


Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft World 2000, а рисунки в графическом редакторе Paint Brush.



























Техническое задание


Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

1 Рабочая полоса частот: 0,8-30 МГц

2 Допустимые частотные искажения

в области нижних частот не более 1,5 дБ

в области верхних частот не более 3 дБ

3 Коэффициент усиления 30 дБ

4 Амплитуда выходного сигнала Uвых=8В

5 Диапазон рабочих температур: от +25 до +50 градусов Цельсия

6 Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом




Содержание


1 Введение 5

2 Структурная схема усилителя 6

2.1 Определение числа каскадов 6

3 Распределение искажений АЧХ 6

4 Расчет выходного каскада 7

4.1 Расчет рабочей точки 7

4.1.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада 7

4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада 11

4.2 Выбор транзистора выходного каскада 13

4.3 Расчет эквивалентных схем транзистора 14

4.3.1 Расчет схемы Джиаколетто 14

4.3.2 Расчет высокочастотной однонаправленной модели 17

4.4 Расчет цепей термостабилизации 18

4.4.1 Эмиттерная термостабилизация 18

4.4.2 Пассивная коллекторная термостабилизация 20

4.4.3 Активная коллекторная термостабилизация 21

4.5 Расчет некорректированного каскада 24

4.5.1 Анализ каскада в области верхних частот 24

4.5.2 Расчет искажений, вносимых входной цепью 27

4.6 Расчет элементов эмиттерной коррекции 29

5 Расчет входного каскада 32

5.1 Расчет рабочей точки 32

5.2 Выбор транзистора входного каскада 33

5.3 Расчет эквивалентных схем транзистора 33

5.4 Расчет схемы термостабилизации 34

5.5 Расчет не корректированного каскада 35

5.6 Расчет элементов эмиттерной коррекции 36

5.7 Расчет искажений, вносимых входной цепью 38

6 Расчёт коллекторных дросселей и разделительных ёмкостей 40

7 Амплитудно-частотная характеристика усилителя 43

8 Заключение 45

Список использованных источников 46

Схема электрическая принципиальная 47

Перечень элементов 48



1 Введение


В данном курсовом проекте рассчитывается широкополосный усилитель СВЧ. В настоящее время такие усилители могут применяться в осциллографии, в исследованиях прохождения радиоволн в различных средах, в том числе прохождения различных длин волн в городских условиях. Также в последнее время весьма актуальна задача поиска и обнаружения подслушивающе–передающих устройств (“жучков”). Одним из основных требований в данном случае является обеспечение необходимого усиления принимаемого сигнала в широкой полосе частот. Но так как коэффициент усиления транзистора на высоких частотах составляет единицы раз, то при создании усилителя необходимо применять корректирующие цепи, обеспечивающие максимально возможный коэффициент усиления каждого каскада усилителя в заданной полосе частот.



2 Структурная схема усилителя


2.1 Определение числа каскадов


Так как на одном каскаде трудно реализовать усиление 30дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используем сложение двух каскадов. Учитывая, что входная цепь ослабляет общий коэффициент усиления всего усилителя считаем, что каждый каскад в среднем даёт усиление в 9 раз, или 19,085 дБ.


С
труктурная схема усилителя, представленная на рисунке 2.1, содержит кроме усилительных каскадов источник сигнала и нагрузку.




Рисунок2.1-Структурная схема усилителя



3 Распределение искажений АЧХ


Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения в области верхних не более 3дБ и в области нижних частот не более 1.5дБ. Так как используется два каскада, то получаем, что каждый может вносить не более 1.5дБ искажений в общую АЧХ. Так как наибольшие искажения в АЧХ усилителя обычно вносит входная цепь, то распределим их с запасом, т.е. YB для каждого каскада возьмем по 0.5дБ а на входную цепь оставим 2дБ.

Эти требования накладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.


4 Расчет выходного каскада


4.1 Расчет рабочей точки


Рабочей точкой называются ток и напряжение на активном элементе при отсутствии входного воздействия.

Рассмотрим две схемы реализации выходного каскада: резистивную и дроссельную. Выбор той или иной схемы осуществим на основе полученных данных расчета. Критерий выбора – оптимальные энергетические характеристики схемы.


4.1.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада


Принципиальная схема резистивного каскада и эквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.1,а и 4.1,б соответственно.





Рисунок 4.1,а - Принципиальная схема резистивного каскада

Рисунок 4.1,б- Эквивалентная схема по переменному току



Сопротивлением по переменному току для резистивного каскада будет являться параллельное соединение сопротивлений Rk и Rн (рисунок 4.1,б):

(4.1)

Принимая сопротивление коллекторной цепи транзистора Rk равным сопротивлению нагрузки Rн (Rн = 50 Ом), согласно формуле (4.1), получаем:


По известному сопротивлению нагрузки по переменному току и выходному напряжению можно найти выходной ток:

(4.2)

В результате ток равен:

Зная выходное напряжение и ток, определим координаты рабочей точки согласно следующим формулам:

, (4.3)

где Iко – ток в рабочей точке;

Iвых – выходной ток;

Iост - остаточный ток, принимается равным 0.1*Iвых.


, (4.4)

где Uкэо – напряжение в рабочей точке;

Uвых – выходное напряжение;

Uнас - начальное напряжение нелинейного участка выходных

характеристик транзистора, выбирается от 1В до 2В.


Полагая Uнас=1.5В, по формулам (4.3) и (4.4) находим:



Напряжение источника питания для схемы, представленной на рисунке 4.1,а, будет составлять сумму падений напряжений на сопротивлении Rк и транзисторе:

. (4.5)

Перепишем выражение (4.5) в следующем виде:


. (4.6)

Выражение (4.6) есть ни что иное как уравнение прямой (в данном случае ток Iкo является функцией аргумента Uкэо), которая называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой и будет изменяться рабочая точка.

Для проведения прямой выберем две точки с координатами (Еп,0) и (0,Iкmax):


В сигнальном режиме строится нагрузочная прямая по переменному току. Для построения данной прямой зададимся некоторым приращением тока и соответствующим приращением напряжения, учитывая, что в данном случае сопротивление нагрузки будет определяться выражением (4.1):


. (4.7)

Для упрощения расчетов примем . Тогда после подстановки в выражение (4.7) числовых значений получаем:


Нагрузочные прямые по постоянному и переменному токам представлены на рисунке 4.2.


Рисунок 4.2 – Нагрузочные прямые для резистивного каскада


Мощности, рассеиваемая на транзисторе, потребляемая каскадом и выходная, определяются согласно следующим выражениям:


, (4.8)

, (4.9)

. (4.10)


По формулам (4.8), (4.9) и (4.10) вычисляем соответствующие мощности:



Коэффициент полезного действия (КПД) рассчитывается по формуле

(4.11)


Подставляя в (4.11) числовые значения, получаем:




4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада


В отличие от предыдущего каскада дроссельный имеет в цепи коллектора вместо сопротивления Rк дроссель Lдр.

Принципиальная схема дроссельного каскада и эквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.3,а и 4.3,б соответственно.





Рисунок 4.3,а- Принципиальная схема дроссельного каскада

Рисунок 4.3,б- Эквивалентная схема по переменному току


Поскольку для сигнала дроссель является холостым ходом, то в данном случае сопротивление нагрузки по переменному току будет равно сопротивлению нагрузки:


Расчет рабочей точки производится по тем же выражениям, что и для предыдущего каскада.

По формуле (4.2) рассчитаем выходной ток:


Тогда согласно выражениям (4.3) и (4.4) рабочая точка будет иметь следующие координаты:


Так как дроссель по постоянному току является короткозамкнутым проводником, то напряжение питания будет равным падению напряжения на транзисторе:


Таким образом получаем все необходимые данные для построения нагрузочной прямой по постоянному току.

Для построения нагрузочной прямой по переменному току примем приращение коллекторного тока равным току в рабочей точке:


Тогда согласно выражению (4.7) соответствующее приращение напряжения будет равно:



Нагрузочные прямые по постоянному и переменному токам представлены на рисунке 4.4.




Рисунок 4.4- Нагрузочные прямые для дроссельного каскада


Мощности, рассеиваемая на транзисторе, потребляемая каскадом и выходная, аналогично определяются по выражениям (4.8), (4.9) и (4.10):


Видно, что мощность рассеивания равна потребляемой.


По формуле (4.11) рассчитаем КПД дроссельного каскада:




Проведем сравнительный анализ двух схем. Энергетические характеристики резистивного и дроссельного каскадов представлены в таблице 4.1.


Параметр

Еп, В

Ррас, Вт

Рпот, Вт

Iко, мА

Uкэо, В

,

Резистивный каскад

26.6

3.168

9.363

352

9

13.7

Дроссельный каскад

9

1.584

1.584

176

9

40.4

Таблица 4.1 – Энергетические характеристики резистивного и дроссельного каскадов


Сравнивая энергетические характеристики двух каскадов, можно сделать вывод, что лучше взять дроссельный каскад, так как он имеет наименьшее потребление, напряжение питания и ток, а также более высокий КПД.


4.2 Выбор транзистора выходного каскада


Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:


предельный допустимый ток коллектора

; (4.12)

предельное допустимое напряжение коллектор-эмиттер

(4.13)

предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе

; (4.14)

граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

. (4.15)


Требованиям (4.12), (4.13), (4.14) и (4.15) удовлетворяет транзистор КТ911А [3]. Основные технические характеристики этого транзистора приведены ниже.


Электрические параметры:

-граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;

-постоянная времени цепи ОС при UКБ=10В, IЭ=30мА ОС=25пс

-емкость коллекторного перехода при В