Реферат: Усилитель широкополосный

Реферат: 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”.

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:

                                                                                          (2.1)

2.2 Распределение искажений по каскадам

Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется как:

,                                                                                                   (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, , 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.

                               а)                                                               б)

Рисунок 3.1 – Принципиальная и эквивалентная схемы резистивного каскада

1) Найдем ток и напряжение в рабочей точке:

,                                                                                (3.1)

где  - напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;

        - напряжение на выходе усилителя;

        - остаточное напряжение на транзисторе.

2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:

                                                         (3.2)

3) Постоянный ток коллектора:

,                             (3.3)

где  - постоянная составляющая тока коллектора;

        - сопротивление нагрузки по сигналу.

4) Выходная мощность усилителя равна:

                                                        (3.4)

5) Напряжение источника питания равно:

                                                    (3.5)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:

                                              (3.6)

7) Мощность, потребляемая от источника питания:

                                                              (3.7)

8) КПД:                                            (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, .

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:

                                                                       (3.9)

2) Постоянный ток коллектора:

                                                                        (3.10)

3) Выходная мощность усилителя:

                                                                    (3.11)

4) Напряжение источника питания равно:

                                                        (3.12)

5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

                                                              (3.13)

6) Мощность, потребляемая от источника питания:

                                                          (3.14)

7) КПД:                                          (3.15)

Таблица 3.1 - Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.

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:

,                                                                                            (3.16)

где  из технического задания.

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

                                                            (3.17)

2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:

                                                                (3.18)

3) Предельно допустимого тока коллектора:

                                                         (3.19)

4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:

                                                        (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:

τс=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 .

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.

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:

                                                                       (3.23)

4) Напряжение на базе транзистора:

Uб=URэ+0,7В = 4,7В                                                                                 (3.24)

5) Базовый ток транзистора:

Iб=                                                                          (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=                                                         (3.27)

8) Rб2=                                                               (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.

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,                                                              (3 29)

где URк - падение напряжения на Rк.

2) Сопротивление коллектора:

                                                                      (3.30)

3) Сопротивление базы: Rб=                                            (3.31)

4) Ток базы:

                                                                             (3.32)

3.3.3 Активная коллекторная термостабилизация

Активная коллекторная термостабилизация используется в мощных каскадах и является очень эффективной, её схема представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Активная коллекторная термостабилизация

Для расчета схемы термостабилизации необходимо сначала выбрать напряжение на резисторе Rк, а затем рассчитать токи и напряжения на втором транзисторе, и следующим шагом рассчитать значения элементов схемы:

1)                                                                        (3.33)

2) Uкэ0vt2=Uкэ0vt1/2 = 6В/2 = 3В                                                                (3.34)

3) URб2=Uкэ0vt2-0,7В = 3В-0,7В = 2,3В                                                    (3.35)

4) Iк02=Iб01=110мА                                                                                    (3.36)

5) Iк01=Iб01*β01=110мА*100 = 11А                                                            (3.37)

6) Rб2=URб2/Iк02=2,3В/110мА = 20,9Ом                                                   (3.38)

7) Uб2=Uкэ0vt1-0,7В=6В-0,7В = 5,3В                                                        (3.39)

8) Iдел=10Iбо2=110мА*10/100 = 11мА                                                      (3.40)

9) R1=Uб2/Iдел=5,3В/11мА = 481,818Ком                                                (3.41)

10) R3= UR2/Iдел=(1+0,7)В/11мА =1 54,545Ом                                       (3.42)

Из рассмотренных схем видно, что наиболее эффективной будет схема с эмиттерной термостабилизацией, т.к. каскад выходной и следовательно мощный, и диапазон усиливаемых частот не очень большой, то нет необходимости в другом виде термостабилизации.

3.4 Расчёт эквивалентной схемы замещения

При использовании транзисторов до (0,2 - 0,3)fт возможно применение  упрощенных эквивалентных  моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных.

Эквивалентная схема биполярного транзистора представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

1) Найдем ёмкость коллекторного перехода:

                                  (3.43)

2) Рассчитаем сопротивление базы:

Страницы: 1, 2