Усилитель широкополосный

Усилитель широкополосный

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации

(РЗИ)

УСИЛИТЕЛЬ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

“Схемотехника аналоговых электронных устройств"

РТФ КП.468731.001 ПЗ

Выполнил

студент гр. 142-1:

_______ Б. В. Храмцов

_______ марта 2005г.

Проверил

Доктор технических наук, профессор

каф. РЗИ:

_______ А.А. Титов

_______ марта 2005г.

Томск 2005

РЕФЕРАТ

Курсовая работа 31 с., 21 рис, 1 табл., 4 источника.

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, РАБОЧАЯ ТОЧКА, ВЫБОР

ТРАНЗИСТОРА, СХЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА,

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДЖИАКОЛЕТТО, ДРОССЕЛЬНЫЙ КАСКАД.

Объектом исследования является широкополосный усилитель мощности.

В данной курсовой работе рассматриваются условия выбора транзистора,

методы расчета усилительных каскадов, корректирующих цепей, цепей

термостабилизации.

Цель работы – приобрести навыки расчета транзисторных усилителей

мощности.

В результате работы был рассчитан широкополосный усилитель мощности,

который может использоваться в качестве усилителя мощности стандартных

сигналов, а также в качестве усилителя, применяющегося для калибровки

усилителей мощности телевизионных передатчиков.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft World

2003, с использованием графического редактора PAINT и представлена на

дискете 3,5”.

| | |

| | |

|СОДЕРЖАНИЕ | |

| | |

|1. Введение |5 |

|2. Расчет структурной схемы усилителя |6 |

|2.1 Определение числа каскадов |6 |

|2.2 Распределение искажений по каскадам |6 |

|3. Расчет оконечного каскада |7 |

|3.1 Расчет требуемого режима транзистора |7 |

|3.1.1 Расчет параметров резистивного каскада |7 |

|3.1.2 Расчет дроссельного каскада |8 |

|3.2 Выбор транзистора |10 |

|3.3 Расчет и выбор схемы термостабилизации |11 |

|3.3.1 Эмиттерная термостабилизация |11 |

|3.3.2 Пассивная коллекторная термостабилизация |12 |

|3.3.3 Активная коллекторная термостабилизация |13 |

|3.4 Расчет эквивалентной схемы замещения |14 |

|3.5 Переход к однонаправленной модели транзистора |16 |

|4. Расчет промежуточного каскада |18 |

|4.1 Расчет рабочей точки для промежуточного каскада |18 |

|4.2 Выбор транзистора для промежуточного каскада |19 |

|4.3 Расчет эквивалентных схем замещения |20 |

|4.4 Расчет эмиттерной термостабилизации |21 |

|4.5 Переход к однонаправленной модели транзистора |22 |

|4.6 Расчет промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией |24 |

|5. Искажения, вносимые входной цепью |26 |

|6. Расчет результирующей характеристики |27 |

|7. Заключение |28 |

|Список использованных источников |29 |

|РТФ КП.468.731.001.ПЗ Схема электрическая принципиальная |30 |

|РТФ КП.468.731.001.ПЗ Перечень использованных элементов |31 |

| | |

| | |

| | |

| | |

| | |

| | |

| | |

| | |

| | | | | |РТФ КП 468731.001 П3 |

| | | | | | |

|Из|Лис|N0 |Подп.|Дат| |

|м.|т. |докум. | |а | |

|Разраб|Храмцов | | |Усилитель широкополсный |Лит. |Лист|Лис|

|. |Б.В. | | |Пояснительная записка | | |тов|

|Н. | | | | | |

|контр.| | | | | |

|Утв. | | | | | |

1 Введение

Сейчас в электронной технике часто используются разнообразные

усилительные устройства. В любом теле-радиоустройстве, в компьютере есть

усилительные каскады.

В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя

напряжения на основе операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с полосой

пропускания в несколько мегагерц с непосредственной связью между каскадами

(т.е. без Ср), с большим коэффициентом усиления, высоким входным и малым

выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума, при хорошей

температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи

обратной связи (ОС).

ОУ предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми

величинами, при работе в схеме с глубокими отрицательными обратными связями

(ООС). При этом под аналоговой величиной подразумевается непрерывно

изменяющееся напряжение или ток

Основной целью данного курсового проекта является разработка

широкополосного усилителя.

В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального

выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав

устройства, расчёт цепей усилителя.

По заданию усилитель должен усиливать сигнал в полосе частот от 4 до

40 МГц с частотными искажениями не более 2 дБ на верхних и 3дБ нижних

частотах. Нелинейные искажения усилителя необходимо оценить.

2 Расчет структурной схемы усилителя

2.1 Определение числа каскадов

Чтобы обеспечить амплитуду выходного сигнала, заданную в техническом

задании, нужно выбрать многокаскадный усилитель, так как одного

усилительного элемента недостаточно. Поэтому определим число каскадов для

обеспечения выходного сигнала.

Структурную схему многокаскадного усилителя можно представить как

Рисунок 2.1 - Структурная схема усилителя

K - коэффициент усиления, дБ;

Ki - коэффициент усиления i-го каскада, дБ; i = 1,...,n; n - число

каскадов.

Для ШУ диапазона ВЧ с временем установления порядка десятков

наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая, что все

каскады с одинаковым Ki равным 10 децибел, то есть:

[pic]

(2.1)

2.2 Распределение искажений по каскадам

Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных

искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется как:

[pic],

(2.2)

где Yв - результирующий коэффициент частотных искажений в области

ВЧ, дБ.

Yвi - коэффициент частотных искажений I-го каскада, дБ.

Суммирование в формуле (2.2) производится n+1 раз из-за

необходимости учета влияния входной цепи, образованной Rг, Rвх, Cвх

(рисунок 2.1).

Распределять искажения можно равномерно, при этом:

Yвi = Yв/(n+1) = 2/(2+1) дБ = 0,66 дБ = 0,926119 раз

(2.3)

3 Расчет оконечного каскада

Выходной каскад работает в режиме большого сигнала, поэтому расчет

его ведем так, чтобы обеспечить заданную амплитуду выходного напряжения при

допустимых линейных (в области верхних частот или малых времен) и

нелинейных искажениях.

Расчет начнем с выбора транзистора и режима его работы.

3.1 Расчет требуемого режима транзистора

Задание определённого режима транзистора по постоянному току

необходимо для обеспечения требуемых характеристик всего каскада.

Для расчета требуемого режима транзистора необходимо определиться с

типом каскада, для этого рассчитаем оба: и резистивный и дроссельный

каскады и сравним их.

Затем выберем наиболее оптимальный тип каскада.

3.1.1 Расчёт параметров резистивного каскада

Для расчета используем параметры из задания: Rн=50 Ом, [pic],

сопротивление коллекторной цепи возьмем равной Rк = Rн = 50 Ом.

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.1,а, эквивалентная

схема по переменному току на рис. 3.1,б.

[pic] а) б)

Рисунок 3.1 – Принципиальная и эквивалентная схемы резистивного

каскада

1) Найдем ток и напряжение в рабочей точке:

[pic],

(3.1)

где [pic] - напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на

переходе коллектор эмиттер;

[pic] - напряжение на выходе усилителя;

[pic] - остаточное напряжение на транзисторе.

2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:

[pic] (3.2)

3) Постоянный ток коллектора:

[pic], (3.3)

где [pic] - постоянная составляющая тока коллектора;

[pic] - сопротивление нагрузки по сигналу.

4) Выходная мощность усилителя равна:

[pic] (3.4)

5) Напряжение источника питания равно:

[pic] (3.5)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:

[pic] (3.6)

7) Мощность, потребляемая от источника питания:

[pic]

(3.7)

8) КПД:[pic] (3.8)

3.1.2 Расчёт дроссельного каскада

В дроссельном каскаде в цепи коллектора вместо сопротивления

используется индуктивность, которая не рассеивает мощность и требует

меньшее напряжение питания, поэтому у этого каскада выше КПД.

Используем требуемые параметры задания: Rн=50 Ом, [pic].

Принципиальная схема дроссельного каскада по переменному току

изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2-Схема дроссельного каскада по переменному току.

1) Найдем напряжение в рабочей точке:

[pic]

(3.9)

2) Постоянный ток коллектора:

[pic]

(3.10)

3) Выходная мощность усилителя:

[pic]

(3.11)

4) Напряжение источника питания равно:

[pic] (3.12)

5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

[pic]

(3.13)

6) Мощность, потребляемая от источника питания:

[pic]

(3.14)

7) КПД:[pic] (3.15)

Таблица 3.1 - Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.

| |Еп,В|Iко,А|[pic],Вт|Uкэо,В |[pic],Вт|[pic],Вт|[pic],%|

|Резистивный |17 |0,22 |3,74 |6 |0,25 |1,32 |6,685 |

|каскад | | | | | | | |

|Дроссельный |11,5|0,11 |1,265 |6 |0,25 |0,66 |19,763 |

|каскад | | | | | | | |

Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что лучше

выбрать дроссельный каскад.

3.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом

следующих предельных параметров:

1) Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

[pic],

(3.16)

где [pic] из технического задания.

Найдем граничную частоту усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

[pic]

(3.17)

2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:

[pic]

(3.18)

3) Предельно допустимого тока коллектора:

[pic] (3.19)

4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:

[pic] (3.20)

Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ.

Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ913А.

Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n генераторный

сверхвысокочастотный.

Предназначенный для работы в схемах усиления мощности,

генерирования, умножения частоты в диапазоне 200 – 1000 МГц в режимах с

отсечкой коллекторного тока.

Выпускается в герметичном металлокерамическом корпусе с полосковыми

выводами.

Основные параметры транзистора:

1) Граничная частота коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:

fГ =900 МГц;

2) Постоянная времени цепи обратной связи:

?с=18пс;

3) Емкость коллекторного перехода при Uкб=28В:

Ск=7пФ;

4) Емкость эмиттерного перехода:

Cэ=40пФ;

5) Максимально допустимое напряжение на переходе К-Э:

Uкэ max = 55В;

6) Максимально допустимый ток коллектора:

Iк max = 0,5А;

Выберем следующие параметры рабочей точки:

Т.к. транзистор хорошо работает только начиная с 6В то примем [pic].

3.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их

использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие

требования предъявляются к температурной стабильности каскада. В данной

работе рассмотрены три схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная

коллекторная, и активная коллекторная. Рассчитаем все три схемы, а затем

определимся с выбором конкретной схемы стабилизации.

3.3.1 Эмиттерная термостабилизация

Эмиттерная термостабилизация широко используется в маломощных

каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её

простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо

стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении

на эмиттере более 5В.

[pic]

Рисунок 3.3-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры элементов данной схемы:

1) Необходимое напряжение питания:

Еп=URэ+Uкэ0+Iк0*Rк

(3.21)

Значение источника питания необходимо выбирать из стандартного ряда,

поэтому выберем напряжение URэ с учетом того, что Еп=10В, Rк=0Ом:

2)Напряжение на Rэ:

URэ=Eп-Uкэ0+Iк0*Rк=10В-6В=4В

(3.22)

3) Сопротивление эмиттера:

[pic]

(3.23)

4) Напряжение на базе транзистора:

Uб=URэ+0,7В = 4,7В

(3.24)

5) Базовый ток транзистора:

Iб=[pic]

(3.25)

6) Ток делителя:

Iд=5(Iб=5,5мА,

(3.26)

где Iд – ток, протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2.

Сопротивления делителей базовой цепи:

7) Rб1=[pic]

(3.27)

8) Rб2=[pic]

(3.28)

Наряду с эмиттерной термостабилизацией используются пассивная и

активная коллекторные термостабилизации.

3.3.2 Пассивная коллекторная термостабилизация

Данный вид термостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4)

используется на малых мощностях и менее эффективен, чем две другие, потому

что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через

транзистор подаётся на базу через базовый делитель.

[pic]

Рисунок 3.4 - Схема пассивной коллекторной термостабилизации

Расчет заключается в выборе URк и дальнейшем расчете элементов схем

по формулам:

Выберем URк=5В;

1) Еп = URк + Uкэ0=5В+6В=11В,

Страницы: 1, 2