Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное

образовательноеучреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра «Приборостроение и наноэлектроника»

Курсовой проект

Проектирование широкополосного усилителя

В.Д. Скачко

Красноярск 2017



СОДЕРЖАНИЕ

• 1. Техническое задание
• 2. Анализ технического задания
• 3. Расчёт числа каскадов, выбор типа ИС и транзисторов
• 4.Расчёт выходного каскада
• 5. Расчёт промежуточного каскада
• 6. Расчёт входного каскада
• 7.Расчёт и построение АЧХ
• 8.Расчёт коэффициента гармоник
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение А
• Приложение Б
• Приложение В


1. Техническое задание

Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала:E = 2 мВ,

Активное сопротивление нагрузки: R_н= 100 кОм,

Емкостное сопротивление нагрузки: С_н= 50 пФ,

Частотные искажения (НЧ): M_н= 2.8 дБ,

Частотные искажения (ВЧ): М_в=3.0 дБ,

Минимальная рабочая температура: T_н= -5 С,

Максимальная рабочая температура: Т_в= 40 С,

Внутреннее сопротивление источника:R_ист= 400 Ом,

Нижняя граничная частота: f_н= 20 Гц,

Верхняя граничная частота: f_в= 12 МГц,

Нелинейные искажения: K_г= 3%,

Амплитуда выходного сигнала: Е_вых= 2.5 В.

Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.

В связи с тем, что входное сопротивление не задано, возьмём его равным 1500 Ом. число каскад коррекция эмиттерный

2. Анализ технического задания

При коэффициенте усиления ??_вых/?? = 1250усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций типа ОЭ - ОБ с использованием коррекции эмиттерной противосвязью, которая дополнительно стабилизирует коэффициент усиления каскада.

В связи с тем, сопротивление нагрузки велико, выходной каскад следует выполнить по схеме ОЭ - ОБ на маломощном транзисторе, а предоконечный каскад на интегральной микросхеме К265УВ6. Структурная и функциональная схемы исследуемого усилителя представлены в приложении Б под рисунками 13 и 14 соответственно.

3. Расчёт числа каскадов, выбор типа ИС и транзисторов

Зная коэффициент запаса, определим расчетный коэффициент усиления:

K_З = 1.5 - коэффициент запаса;

= 2.375*10³ Ом

Определим требуемое число активных каскадов при максимальном коэффициенте усиления:

K_М = 40 -максимально возможное усиление одно-двухтранзисторных ИС.

=2.803

N=2.803- округлим число активных каскадов доN=3.

Требования, которые следует предъявить к отдельным каскадам:

а) коэффициент усиления каскада:

=13.342 дБ

б) коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

= 1.122 дБ

в) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

г) нестабильность усиления:

= 0.033 = 3.33%

д) коэффициент нелинейных искажений выходного каскада:

??гвых=??г=3%.

Определим необходимую площадь усиления каждого каскада. Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления:

=2.998

По графику (приложение А, рисунок 12) находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией:

Kп = 0.59

По графику (приложение А, рисунок 11) найдём выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах, задаваясь глубиной коррекции равной 0.9:

Y'_в= 1.9

Окончательный выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:



Необходимая верхняя граничная частота каждого каскада:

Необходимая площадь усиления каждого каскада:

=183.5 МГц

Так как П> 100МГц, то такая площадь усиления может быть обеспечена усилительной секцией ОЭ - ОБ с применением коррекции эмиттерной противосвязью. В качестве усилительного элемента необходимо использовать ИС К265УВ6.

Учитывая малость выходного напряжения при высокоомной нагрузке, на тот же тип интегральной схемы ориентируемся и в выходном каскаде.

4. Расчет выходного каскада

Схема электрическая принципиальная ИС К265УВ6, по которой проводится расчет выходного каскада расположена в приложении В, рисунок -15.

Выходная емкость транзистора:

С_бк=2.5 пФ

Емкость монтажа:

С_м=2.5 пФ

Постоянная составляющая коллекторного тока:

I_к = 4.4 мА

Найдем коллекторное сопротивление, minиmax:

=870.18 Ом

=856.55 Ом

Согласование с внешней нагрузкой обеспечивается выбором коллекторного сопротивления, а т.к.,, то сопротивление нагрузки коллектора выбирается в указанных пределах:

R_KТ= 860 Ом

Находим сопротивление нагрузки транзистора:

=853 Ом

Определим ЭДС источника питания:

Допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности характеристик:

I_K= 0.1I_K= 0.44 мА

Амплитуды переменной и постоянной составляющих коллекторного тока равны.

Остаточное напряжение на коллекторе:

U_ост= 2 В

Напряжение смещения на эмиттере транзистора:

U_Э = - 0.6 В

Тогда ЭДС равна:

Полученное значение округляем до большего типового значения E_K= 12 В.

Определим сопротивление базового делителя:

R₁ = 6200 Ом

R₃ = 3000 Ом

Суммарное сопротивление в эмиттере:

R₂ = 620 Ом

R₄ = 100 Ом

R₅ = 84 Ом

R_эо = R₂ + R₄ +R₅ = 804 Ом

Напряжение смещения:

Е_см = 6.3В

Напряжение на базе:

Необходимое смещение на базе транзистора:

U_БЭ = 0.6 В

Найдем коллекторные токи транзисторов:

=4.4 мА

I_к2=I _к1 = 4.4 мА

Найдем напряжение коллектор - эмиттер транзисторов:

=Eк+Uбэ-Iк2ЧRкт=3.135 В



ля выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

где U_Кдоп-максимальное допустимое напряжение на коллекторе транзистора

I_Кдоп -максимальныйдопустимый коллекторный ток транзистора

P_Кдоп -максимальная допустимая рассеиваемая мощность транзистора

Справочные данные транзистора КТ331Б - удовлетворяющим указанным требованиям:

min= 40	СЭ = 12 пФ	rК= 300 кОм	IKmax= 20 мA
max= 120	СК= 5 пФ	r=0	Pкmax= 15 мВт
fT= 250МГц	IК0 = 0,2 мкА	IКИ = 3 мА	= 1.5
ОС = 120 пс	UKmax= 15 В	UКИ = 5 В	Псогл=120

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

в= ???????????????? =69.282;

Верхняя граничная частота транзистора:

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Рассчитаем сопротивление эквивалентного генератора:

Для этого примем сопротивление коллектора соответствующее типовому значению для нашей микросхемы:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

С₀ = С_нд+С_БК+С_М =55 пФ

Для выходного каскада достижимая площадь усиления оценивается по формуле:

=204.6 МГц

Поскольку достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены.

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Оценим нестабильность усиления каскада:

дK=1%

Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33%

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Коэффициент коррекции:

При

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

- для входной разделительной

- для блокировочной

- для выходной разделительной

ф_рвх =б₃Чф_рвых =4.7 мс

ф_эо= б₂Чф_рвых =0.1175 мс

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной емкости:

R_энвых=R_нд+R_кпред= 100670 Ом

для входной разделительной емкости:

Разделительная емкость каскада:

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:



5. Расчет промежуточного каскада, выполненного на ИС К265УВ6

Схема электрическая принципиальная ИС К265УВ6, по которой проводится расчет промежуточного каскада такая же, как и в выходном каскаде, расположена в приложении В, рисунок 15.

Номинальные сопротивления рабочей схемы:

R1 = 6200 Ом R4 = 100 Ом R7 = 200 Ом R_K = 1300Ом

R2 = 620 Ом R5 = 84 Ом R8 = 100 Ом R_K1 = 670 Ом

R3 = 3000 Ом R6 = 470 Ом R_Э0 = 804 Ом

Рассчитаем сопротивление генератора промежуточного каскада:

R_Г = R_Н = 503.25 Ом - совпадает с сопротивлением генератора выходного каскада.

Рассчитаем сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления выходного каскада:



Требуемое входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

С₀ = С_БК2 + С_М =5.201 пФ

Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:

Оценим нестабильность усиления каскада:

0.014

Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33%

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

=

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

б1=1

б2=0.5

Постоянные времени каждой из емкостей:

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для входной разделительной емкости:

для блокировочной емкости:

Разделительная емкость каскада:

Емкость блокировочного конденсатора промежуточного каскада:

6. Расчет входного каскада,выполненного на ИС К265УВ6

Входной каскад выполняем на точно такой же микросхеме, как выходной и промежуточный каскады (К256УВ6)., только в расчетах учитывается сопротивление источника сигнала. Схема входного каскада расположена в приложении В, рисунок 15.

Рассчитаем сопротивление генератора входного каскада:

Рассчитаем сопротивление нагрузки входного каскада:

Требуемое входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:



Оценим нестабильность усиления каскада:

0.0034

Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33%

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:



Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

б1=2

б2=0.5

Постоянные времени каждой из емкостей:

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для входной разделительной емкости:

для блокировочной емкости:



Разделительная емкость каскада

Емкость блокировочного конденсатора промежуточного каскада:

7. Расчет и построение амплитудно-частотных характеристик

Область низких частот:

f = 0 ч 450 Гц

Для выходного каскада:



Рисунок 1 - АЧХ выходного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для выходного каскада:

Yвых(fн)=

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада:

Для промежуточного каскада:



Рисунок 2 - АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для промежуточного каскада:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для промежуточного каскада:

Для входного каскада:



Рисунок 3 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для входного

каскада:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для входного каскада:



Общая амплитудно-частотная характеристика усилителя на нижних частотах:

Y(fн)=Yвх(fн)ЧYпр(fн)ЧYвых(fн)

Рисунок 4 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте:

Y(fн)=Yвых(fн)ЧYпр(fн)ЧYвых(fн)=0.92

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:



Область верхних частот:

f = 10⁵ ч 10⁸ Гц

??= (?1) = 0.373

Для выходного каскада:

Рисунок 5 - АЧХ выходного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для выходного каскада:



Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для выходного каскада:

Для промежуточного каскада:

Рисунок 6 - АЧХ промежуточного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:



Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:

Для входного каскада:

Рисунок 7 - АЧХ входного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для входного

каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для входного каскада:

Общая амплитудно-частотная характеристика усилителя на верхних частотах:

Y(fв)=Yвых(fв)ЧYпр(fв)ЧYвых(fв)

Рисунок 8 - АЧХ входного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте:

Y(fв)=Yвых(fв)ЧYпр(fв)ЧYвых(fв)=0.972

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте:

Произведём расчёт частотных искажения для сравнения с ТЗ:

8. Расчет коэффициента гармоник

Построим нагрузочные характеристики постоянному и переменному току. Для линии нагрузки по постоянному току:

Расчет напряжения КЭ:

Uкэ = 0 R' = Rк+Rэ = 744.47 Ч10³ Ом

Uкэ= 15 Iк = 0

Расчет линии нагрузки по переменному току:



Рисунок 9 - Нагрузочная характеристика транзистора выходного каскада

Рисунок 10 - Входная статическая характеристика

Рассчитываем нелинейные искажения:

Найдем значения токов коллектора:

Iк0=8 мА, Iкmax=12 мА, Iкmin=2 мА, Iк1=10 мА, Iк2=6 мА

Найдем значения токов базы:

Iб0=0,04 мА, Iбmax=0,06 мА, Iбmin=0,01 мА, Iб1=0,05 мА, Iб2=0,03 мА.

Определим величину напряжения база-эмиттер:

Uбэ0=0,5 В, Uбэmax=0,6 В, Uбэmin=0,32 В, Uбэ1=0,57 В, Uбэ2=0,45 В.

Рассчитаем значение ЭДС входного сигнала:

Е_б=I_бЧ(R_г+ R_б+ R_э)+ U_бэ

Е_б0=0,524 В, Е_бmax=0.636 В, Е_бmin=-0,326 В, Е_б1=0,6 В, Е_б2=0,468 В.

Определим амплитуду гармоник:

E_m1=

E_m2=

E_m3=

E_m4=

Рассчитаем коэффициент гармоник усилителя:

К_г=

Найдем максимальный коэффициент усиления:



Коэффициент гармоник с учетом обратной связи:



Заключение

В курсовом проекте был произведён расчёт широкополосного усилителя гармонических сигналов. Рассчитанный усилитель удовлетворяет исходным данным и имеет коэффициенты частотных искажений не более допустимых в области верхних и нижних частот.Соблюдены условия задания в частотной области.

Оценка термостабильности усилителя показывает что нестабильность усиления всего усилителя равна 7,9%, что не превышает допустимые 10%. Полученные графики АЧХ в области верхних и нижних частот, а также рассчитанные по ним коэффициенты частотных искажений на граничных частотах удовлетворяют требованиям задания.



Список использованных источников

В.В. Волошенко, А.Г. Григорьев, В.И. Юзов - «Аналоговые устройства: Программа курса, задания и методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта», г. Красноярск, КГТУ,1996г.

Юзов В.И. -«Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет каскадов и секций). Методические указания по курсу «Усилительные устройства», г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. -«Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет элементов коррекции и термостабилизации). Методические указания по курсу «Усилительные устройства»,. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. -«Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов). Методические указания по курсу 'Усилительные устройства», г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. - «Усилительные устройства». Учебное пособие, г. Красноярск, КПИ, 1982г.



Приложение А

Графики оценки площади усиления при различных видах коррекции

Рисунок 11 - Выигрыш в площади усиления при простой параллельной коррекции

Рисунок12 - Потери в площади усиления при эммитерной коррекции, по сравнению с простой параллельной коррекцией



Приложение Б

Структурная и функциональная схемы усилителя

Рисунок13 - Структурная схема усилителя

Рисунок 14 - Функциональная схема усилителя

Приложение В

Электрическая принципиальная схема

Рисунок 15 - Схема электрическая принципиальная ИС К265УВ6

Рисунок16 - Схема электрическая принципиальная усилителя (DA - К265УВ6)

Размещено на Allbest.ru