Усилитель многоканальной системы передачи

Усилитель многоканальной системы передачи

|Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций |

|им.проф. М.А.Бонч-Бруевича |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

|КУРСОВОЙ ПРОЕКТ |

|“Усилитель многоканальной системы передачи” |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

|Студент: Зайцев П.Ю. |

|Группа: МВ-75 |

|Проверил: |

|Друзина Н.Р. |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

|Санкт-Петербург 1999 |

1.1 Введение.

Данное курсовое проектирование заключается в теоретической реализации

многокаскадного усилителя по заданным параметрам. Проектирование следует

начать с эскизного расчета усилителя.

1. Эскизный расчет усилителя (п.2).

Выбрать транзистор выходного каскада (п.2.2).

Рассчитать режим работы выходного каскада (п.2.2).

Рассчитать требуемую глубину ОС F (п.2.3).

Выбрать транзисторы предварительных каскадов и рассчитать коэффициент

трансформации входного трансформатора n` (п.2.4).

Рассчитать число каскадов усилителя N (п.2.4).

Проверить выполнение условия стабильности коэффициента усиления и

уточнить глубину ОС (п.2.5) .

2. Построение и расчет цепи усиления (К – цепи) по постоянному току (п.3).

Построить схему К – цепи усилителя (п.3.1, 3.2).

Выбрать режим работы транзисторов предварительных каскадов и нанести

выбранные токи и напряжения в цифрах на схему К – цепи (п.3.2).

Рассчитать сопротивления резисторов схемы (п.3.2).

Выполнить расчет нестабильности режима работы схемы (п.3.3).

3. Расчет коэффициентов усиления и параметров АЧХ (п.4.).

Рассчитать коэффициенты усиления каскадов и общий коэффициент усиления.

Уточнить число каскадов.

Рассчитать частоты полюсов передаточной функции К – цепи. Уточнить типы

транзисторов предварительных каскадов.

4. Расчет пассивных узлов структурной схемы усилителя (п.5).

Выбрать и рассчитать входную и выходную цепи.

Рассчитать элементы цепи ОС.

5. Расчет и построение характеристик передачи по петле ОС (п.6).

Рассчитать высокочастотного обхода и асимптотические потери Ат (п.6.2).

Построить ЛАХ Т(f) оптимального среза и сделать вывод о достаточной

глубине ОС при выбранных запасах устойчивости (п.6.3).

6. Составление принципиальной схемы усилителя, выводы по результатам

проектирования (п.7).

3 Задание параметров.

Вариант задания параметров берем из таблицы П.4.I. приложения 4 в

методических указаниях по курсовому проектированию.

Т.о. вариант № 34, Р2 = 60 мВт. R2 = 150 Ом. R1 = 150 Ом. Rвх F = 150 Ом.

Rвых F = 150 Ом. KF = 60. SF = 0,5 дБ. fн = 6 кГц. fв = 0,28 МГц. kГF =

0,04%. E0 = -24В. tc maz = +40 0C.

Для более наглядоного вида приведем все выше заданные технические

параметры в виде таблицы:

Таблица № П.1.2.

|№ |Величина |Вид |Значение |Единицы |

| | | | |измерения |

|1 |Выходная мощность |Р2 |60 |мВт |

|2 |Входное |R1 |150 |Ом |

| |сопротивление | | | |

|3 |Выходное |R2 |150 |Ом |

| |сопротивление | | | |

|4 |Входное |R1 F |150 |Ом |

| |сопротивление с ОС | | | |

|5 |Выходное |R2 F |150 |Ом |

| |сопротивление с ОС | | | |

|6 |Коэффициент усиления|КF |60 | |

| |с ОС | | | |

|7 |Результирующая |SF |0,5 |дБ |

| |нестабильность | | | |

| |коэффициента | | | |

| |усиления с ОС | | | |

|8 |Частота нижнего |fH |6 |КГц |

| |среза | | | |

|9 |Частота верхнего |fВ |0,28 |МГц |

| |среза | | | |

|10 |Коэффициент гармоник|kГF |0,04 |% |

|11 |Напряжение питания |Е0 |-24 |В |

|12 |Максимально |tc max |+40 |t0C |

| |допустимая | | | |

| |температура | | | |

| |переходов | | | |

Эскизный расчет.

1 Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью.

Коэффициент усиления усилителя с глубокой одноканальной обратной связью

(рис. 2.1) определяется параметрами пассивных цепей.

[pic]. (2.1)

Структурная схема усилителя без цепи ОС (цепь усиления) показана на рис 2.2

Цепь усиления должна коэффициент усиления, достаточный для получения

заданного значения КF и необходимо значения глубины ОС F. Цепь усиления

содержит 2 – 4 каскада и функционально разделяется на выходной каскад и

предварительные каскады усиления.

Цепь ОС представляет собой пассивный 4-х полюсник с вносимым коэффициентом

передачи В0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного

шестиполюсника на зажимах 6-6 R`г. (рис. 2.1), а эквивалентным генератором

с внутренним сопротивлением R``г – выходной шестиполюсник. (на зажимах 5-

5).

2 Выбор транзисторов и расчет режима работы.

Расчет усилителя принято вести, начиная с выходного каскада. Он выполняется

по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2.3), которой транзистор

включается по схеме с общим эмиттером, имеющей наибольшей коэффициент

усиления мощности, и работает в режиме «А».

Транзистор выходного каскада выбирается по двум основным условиям:

Рк max ( ан( Ркр max, [pic], где Ркр max = (4…5)P2, ан = 1,4…2, [pic] .

Здесь Ркр max – максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на

коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме «А» и потерь мощности

сигнала в выходной цепи; Рк max – максимально допустимая рассеивая

мощность на коллекторе (берется из справочных данных на транзистор); ан

-коэффициент запаса, введение которого предполагает использование

транзисторов в облегченном режимах для повышения надежности; h21 min и h21

max – крайние значения коэффициента передачи тока из справочных данных;

fT** – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ; fh21 –

частота среза по параметру h21.

Произведем расчет и сделаем выбор транзистора. Однако надо учитывать, что

транзистор будем питать отрицательным зажимом источника питания, не так как

показано на рисунке 2.3, а положительный зажим будем подавать на “землю”.

Отсюда следует, что транзистор должен быть p-n-p, потому как если это будет

n-p-n транзистор, то переходы будут смещены в обратном направлении, а

значит ток по цепи коллектор – эмиттер течь не будет, в случае если это p-n-

p транзистор переходы будут открыты и ток будет протекать.

Расчет: Р2 = 60 мВт; fв = 280 кГц; Ркр мах = 4(60 = 240 мВт; ан( Ркр мах

=300(1,8 = 430 мВт. Рк мах = 1 Вт.

Рк мах ( ан( Ркр мах. Из p-n-p транзисторов подходит КТ629А по мощности,

проверяем частотные свойства. fh21 = 4,1 МГц > 3(0,28 = 0,84 МГц. (

Подходит по всем условиям.

Режим работы транзистора, определяемый током покоя коллектора Iк и

постоянной составляющей напряжения на переходе Uкэ, должен быть таким,

чтобы во внешней нагрузке обеспечивалось необходимая номинальная мощность

сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали

максимально допустимых. По мощности и заданному напряжению источника

питания Е0 определяем режим работы выходного транзистора:

Uкэ = а(Е0 = 0,63(Е0 = 15 В. (2.4).

Iк = Ркр max/Uкэ = 240/15 = 16 мА. (2.5).

Где а = 0,6…0,8 – коэффициент, учитывающий, что часть напряжения источника

питания упадет на резисторе цепи эмиттера по постоянному току. Должны

выполняться следующие условия применительно к выбранному транзистору:

Uкэ max ( 2Uкэ, 50 > 15(2 = 30; (2.6);

iк max ( ан(Iк, 1000 > 16(1,8 = 28,8; (2.7);

tпр max ( (0,9…0,95)(tп max; (2.8).

Максимально допустимые значения Рк мах, iк max, Uкэ max от температуры

перехода, определяемых величин тепловых сопротивлений: промежутков переход

– окружающая среда (Rпс), переход – корпус (Rпк), корпус – окружающая среда

(Rкс). При выборе транзистора желательно обойтись без внешнего теплосвода.

В этом случае:

tпр мах = tc мах + Rпс(Pkp max = 40 + 120(0,24 = 68,8 0С; (2.9).

Проверяем условие (2.8): 68,80С < 0,9(1350С = 121,50С. Все условия (2.6,

2.7, 2.8) были соблюдены, а так же в реальной схеме можно обойтись без

теплосвода, так как условие (2.8) соблюдено.

Приведем параметры выбранного транзистора в виде таблице:

Таблица П.2.1.

|Транзис|Pk |fh21,|fT, |Uкэ|ik |tп,|Rпс|IКБ0|Ск, |rб`C|h21 |h21 |

|тор |max,| |МГц |max|max|0C |, |, |пФ |k, | |max/|

| |Вт |МГц | |, В|, A| |0С/|мкА | |пс | |min |

| | | | | | | |Вт | | | | | |

| | | | | | | | | | | |min| |max| |

|КТ629А |1,0 |4,1 |250 |50 |1,0|135|120|5 |25 |200 |25 |61 |150|6,0 |

По найденным значениям Uкэ и Iк находим оптимальное сопротивление нагрузки

выходного транзистора для переменного тока.

Rн = ((Uкэ/(iIk = 15(0,8/0,8(16 = 937,5 Ом (2.13).

Где ( - коэффициент использования коллекторного напряжения (для транзистора

средней и высокой мощности), ( = 0,7…0,8; (i – коэффициент использования

коллекторного тока (i = 0,8…0,95.

Вычислим коэффициент трансформации выходного (КПД трансформатора равен 1):

[pic]; (2.14).

Проверим выполнение условие:

[pic]мВт > 1,2(P2 = 1,2(60 = 70 мВт. (2.15)

Условие выполнено, переходим к следующему пункту.

3 Расчет необходимого значения глубины обратной связи.

Основное назначение ОС заключается в уменьшении нелинейных искажений и

повышении стабильности коэффициента усилителя. Требования по линейности

оказываются, как правило, более жесткими и определяют необходимое значение

глубины ОС.

[pic] (2.16).

где kГF = 0,04 - коэффициент гармоник усилителя с ОС, приведенный в задании

параметров.

kГ = коэффициент гармоник усилителя без ОС, который следует принять равным

ориентировочно (2…3)%.

Нелинейные искажения усилителя определяются выходным каскадом, к входу

которого приложено наибольшее напряжение сигнала.

4 Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных

каскадов.

Для расчета общего числа каскадов N усилителя (рис 2.2) следует выбирать

транзисторы предварительных каскадов из серии маломощных транзисторов,

проверив их только по одному условию – частоте. Подходят все транзисторы p-

n-p типа fh21 ( (1,5…3)fВ. В каскадах предварительного усиления

целесообразно использовать одинаковые транзисторы.

При проектировании входного каскада следует выбирать условия работы,

соответствующие малому значению коэффициента шума и, в частности

обеспечивать оптимальное для транзистора входного каскада значение

сопротивления источника сигнала. Поэтому связь цепи усиления с источником

сигнала целесообразно делать трансформаторной (рис. 2.2). коэффициент

трансформации входного трансформатора n` выбирается из условия получения

оптимального по шумам сопротивления источника сигнала RГ1 опт для

транзистора входного каскада.

[pic]; (2.17).

Величина RГ1 опт зависит от частотных свойств транзистора (RГ1 опт =

200…500, при fТ ( 0,1 ГГц; RГ1 опт = 100…300, при 0,1( fТ ( 1 ГГц; RГ1 опт

= 50…150, при fТ ( 1 ГГц;).

Число предварительных каскадов усиления и типов транзисторов для них

определяется следующими двумя критериями:

1) коэффициент усиления без ОС К должен быть достаточным для обеспечения

заданного значения КF при требуемой величине F;

2) транзисторы этих каскадов должны быть достаточно высокочастотными,

чтобы выполнялись условия устойчивости (п.6).

Условие (1) выполняется, если

N ( 1 + lgM/lg(b(h21); (2.18).

Где M = n`Rвх(1+R1/ Rвх)KFF/[n``R2(1-R1/ Rвх F)h21 N]; (2.19).

b – коэффициент, учитывающий потери в межкаскадных цепях, b = 0,5…0,75;

h21 – параметр транзисторов предварительных каскадов, а h21 N – параметр

выходного транзистора. Входного сопротивление усилителя без ОС Rвх (

h11,1/(n`)2, где h11,1 = 300…3000 Ом. При согласовании входного

сопротивления усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала

(R1 = Rвх F).

M = (h11,1 + RГ1 опт)KFF/(2n`n``R2h21N); (2.20).

Для выполнения условия (20) достаточно, чтобы:

[pic]; (2.21).

Производим выше приведенные расчеты:

M = (300 + 125)(60(50/(2( 2,5( 0,91(150(61) = 30,53; (2.20).

N ( 1+lg30,53/lg[0,75(37] = 1 + 1 ( 2; ( N = 2; (2.18).

[pic]; (2.21).

Все условия (2.18 … 2.21) были соблюдены.

Из выражения (2.18) определяем число каскадов, равное двум.

5 Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления.

Нестабильность коэффициента усиления связана с разбросом параметров

элементов и отклонением режима работы активных элементов схемы из–за

изменения температуры окружающей среды и напряжения источника питания.

Поскольку режимы работы стабилизируются, а разброс номинальных значений

пассивных элементов невелик, то основная нестабильность SF вызывается

значительным разбросом коэффициента усиления по току транзисторов в схеме с

общим эмиттером h21.

[pic].

Относительная нестабильность коэффициента усиления усилителя с ОС в F раз

меньше, чем относительная нестабильность коэффициента усиления усилителя

без ОС. Стабильность коэффициента усиления будет л удовлетворять

требованиям технического задания, если

[pic]; (2.22).

Здесь SF – результирующая относительная нестабильность коэффициента

усиления, выраженная в дБ и соответствующая его изменениям от минимального

до максимального значений; FMS – местной ОС, а если ее нет, то FMS = 1.

Проверим условие (2.22): F = 50 > 0,75(20(2(lg(70/20) + lg(150/25))/0,5 =

39,67.

Приведем в виде таблицы параметры выбранного транзистора:

Таблица П.2.2.

|Транзис|Pk |fh21,|fT, |Uкэ|ik |tп,|Rпс|IКБ0|Ск, |Rб`C|h21 |h21 |

|тор |max,| |МГц |max|max|0C |, |, |пФ |k, | |max/|

| |мВт |МГц | |, В|, | |0С/|мкА | |Пс | |min |

Страницы: 1, 2, 3