Усилительное телекоммуникационное устройство
Обоснование структурной схемы усилителя. Определение числа каскадов и распределение частотных и нелинейных искажений между элементами. Расчёт двухтактного трансформаторного выходного каскада разделительных и шунтирующих конденсаторов, параметров цепи.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.12.2010 |
| Размер файла | 471,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Оглавление
Содержание технического задания
1. Предварительный расчет и описание структурной схемы.
1.1 Выбор и обоснование структурной схемы.
1.2 Определение числа каскадов усилителя.
1.3 Распределение частотных и нелинейных искажений между элементами усилителя без учета цепи общей ООС.
2. Электрический расчет:
2.1 Проектирование оконечных каскадов. Общие сведения.
2.2 Расчёт двухтактного трансформаторного выходного каскада.
2.3 Расчет разделительных и шунтирующих конденсаторов.
2.4 Расчет нелинейных искажений.
3. Расчет каскадов предварительного усиления.
3.1 Расчет резисторного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером.
4. Проектирование входного каскада.
5. Расчет параметров цепи обратной связи.
5.1 Расчет согласующих устройств на входе и выходе цепи ОС.
5.2 Расчёт элементов цепи ООС.
5.2.1 Расчёт нерегулируемого частотно-зависимого АК.
5.2.2 Расчет переменного амплитудного корректора.
5.2.3 Расчёт частотно-независимого корректора.
Содержание технического задания
Индивидуальное задание на проектирование содержит перечень общих для всех типов усилителей технические показатели, которые различаются своими значениями в зависимости от конкретного типа усилителя и условий его работы.
|
pH |
RH |
EИ |
RИ |
KГ |
TMIN |
FН |
FВ |
M |
В |
ВВ |
TMAX |
|
|
дБм |
Ом |
мВ |
Ом |
раз |
С |
кГц |
кГц |
дБ |
дБ |
дБ |
С |
|
|
20 |
300 |
50 |
135 |
0,01 |
-35 |
60 |
108 |
3 |
3 |
-9 |
55 |
pH - измерительный уровень номинальной выходной мощности для одного канала тональной частоты.
RH - сопротивление нагрузки, выделяется мощность pH.
EИ - номинальное значение ЭДС источника сигнала.
RИ - внутреннее сопротивление источника сигнала.
kГ - коэффициент гармоник на максимальной частоте усиления.
TMIN - минимальная температура рабочего диапазона окружающей среды.
FН - нижняя граница частоты рабочего диапазона.
FВ - верхняя граница частоты рабочего диапазона.
M - уровень частотных искажений усилителя без обратной связи на нижней и верхней частотах (неравномерность АЧХ усилителя без ОС).
В - пределы регулировки АЧХ на граничных частотах.
ВВ - разница в усилении на верхней граничной частоте относительно нижней (перекос уровней)
TMAX - максимальная температура рабочего диапазона окружающей среды.
На рис.1,1 приведены амплитудно-частотные характеристики усиления усилителя без обратной связи S0 и с обратной связью с указанием требований к ним.
Рис.1.1
1. Предварительный расчет
1.1 Выбор и обоснования структурной схемы
При проектировании усилительных устройств телекоммуникаций, мы показываем, что из условия обеспечения устойчивости усилительного устройства общей частотно зависимой отрицательной обратной связью (ООС) должно быть охвачено не более трех усилительных каскадов. В этом случае схему усилителя можно представить так:
1. ИС - источник сигнала.
2. ОУК - оконечный усилительный каскад.
3. ПУ - каскады предварительного усиления.
4. ООС - цепь общей отрицательной обратной связи.
5. СУ - согласующие устройства.
6. ИП - источник питания.
7. ФП - фильтры в цепях питания.
8. Н - нагрузка.
Рис. 1.1 Структурная схема усилителя.
Цепь общей отрицательной обратной связи служит для снижения искажений, стабилизации усиления и формирования заданной амплитудно-частотной характеристики усилителя и ее регулировки. Фильтры служат для устранения паразитных обратных связей через общий источник питания.
При обосновании структурной схемы должен быть принят во внимание ряд соображений:
1. Входное и выходное согласующее устройства, согласно заданию на курсовое проектирование, должны быть выполнены по трансформаторной схеме.
2. Каскады предварительного усиления выполняются по наиболее простой схеме на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером и резистивно-емкостной связью. Непосредственная связь между каскадами в обязательном порядке применяется для связи входного и последующего каскадов.
3. Напряжение источника питания выбирается равным наибольшему из требуемых для питания отдельных каскадов усиления. Обычно это напряжение питания оконечного усилительного каскада, при этом оно должно соответствовать ближайшему значению из ряда номинальных значений напряжений источников питания: 1.2; 2.4; 3.0; 4.0; 5.0; 6.0; 9.0; 12.0; 15.0; 20.0; 24.0; 27.0; 30.0; 48.0; 60.0 вольт.
1.2 Определение числа каскадов усилителя
При определении числа каскадов усилителя исходят из требуемого усиления по напряжению.
Определим требуемую мощность группового сигнала на выходе усилителя:
где Fв и Fн - границы частотного диапазона в кГц, 4 кГц - полоса частот, занимаемая одним каналом тональной частоты.
Напряжение на выходе усилителя равно:
Количество каналов тональной частоты:
Определим общий коэффициент усиления усилителя по напряжению:
Реальное значение коэффициента усиления без обратной связи значительно больше. Оно должно учитывать как наличие обратных связей так и разброс параметров активных и пассивных элементов, их стабильность и др. С учетом этого общий коэффициент усиления равен:
где запас по коэффициенту усиления =1.5…2 (в моём случае 1.75).
Глубина обратной связи:
где и
Число каскадов усиления N определяется исходя из . Считается, что каскады выполненные по схеме с общим эмиттером, имеют коэффициент усиления по напряжению в пределах K1=20…40 (в нашем случае 40). В результате общее число каскадов усиления составит:
где N1 - число каскадов, включенных по схеме с общим эмиттером, определяется через формулу:
Так как N2 является количеством каскадов, включенных по схеме с общим коллектором, в нашем усилителе не используется, то им можно пренебречь.
1.3 Распределение частотных и нелинейных искажений между элементами без учета цепи общей ООС
Частотные характеристики многокаскадного транзисторного усилителя без ООС в области низких частот определяется только параметрами реактивных элементов внешних цепей - емкостями конденсаторов, а в случае использования трансформаторов - индуктивностью их первичной обмотки.
Таблица № 3.1
|
Элементы усилителя |
Кол-во |
|
|
|
Разделительный конденсатор |
2 |
0.2 |
|
|
Цепь эмиттерной стабилизации |
3 |
0.3 |
|
|
Входной, выходной трансформаторы |
2 |
1.0 |
Сумма частотных искажений от всех элементов:
где - допустимые частотные искажения, вносимые j-м элементом.
Рассчитаем коэффициент , определяем из выражения:
где Атр, Ар, Аэ- коэффициенты, связанные с величиной частотных искажений в области НЧ для трансформатора, разделительного конденсатора и цепи эмиттерной стабилизации соответственно.
Нелинейные искажения усилителя определяются в основном искажениями, вносимыми оконечным каскадом, т.к. он работает при наибольшей амплитуде сигнала.
2. Электрический расчёт
2.1 Проектирование оконечных каскадов
усилитель каскад трансформатор конденсатор
Общие сведения
Выбор каскада осуществляется исходя из следующих выходных данных усилителя: выходная мощность Pz; сопротивление нагрузки Rн; допустимый уровень М частотных искажений усилителя без ОС на частотах Fн, Fв; допустимым уровнем нелинейных искажений; а также работа в экономичном режиме.
В данной работе будет рассчитываться трансформаторный каскад, т.к. они имеют высокий КПД, симметричный выход, он позволяет также оптимизировать условия работы оконечного каскада для получения максимальной выходной мощности при высоком КПД и низком уровне нелинейных искажений. Трансформаторные каскады бывают одноактные и двухтактные.
Одноактные выходные каскады применяются при выходной мощности менее 0,1-0,2 Вт. В таких каскадах транзисторы включаются в основном по схеме с ОЭ и работают в режиме А.
Двухтактные выходные каскады применяются при выходной мощности более 0,1-0,2 Вт. Их достоинством явл. использование экономичного режима В или близкого к нему режима АВ с высоким КПД. При этом за счёт компенсации чётных гармоник значительно снижаются нелинейные искажения.
Так как в нашем случае выходная мощность усилителя более 0.1 - 0.2 Вт то мы применяем двухтактный трансформаторный выходной каскад.
2.2 Расчёт двухтактного трансформаторного выходного каскада
Типовая схема двухтактного трансформаторного каскада, усилительные элементы которого включены по схеме с общим эмиттером, приведена на рис 2.1.
Рис.2.1
Особенностью каскада является работа каждого плеча в режиме АВ. Плечи усилителя являются симметричными и работают поочерёдно, следовательно, расчёт каскада можно вести для половины периода по семействам статических характеристик усилительного элемента одного плеча схемы, получая при этом данные, относящиеся ко всему каскаду за период сигнала.
Последовательность расчёта.
1. Рассчитаем мощность, отдаваемую транзистором одного плеча в первичную обмотку трансформатора Т2 за полупериод сигнала:
где
2. Найдем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе одного транзистора:
[Вт]
3. Тип транзистора оконечного каскада выбирается по величине мощности рассеивания на коллекторе каждого транзистора, .
Т.к. выходная мощность не большая, то достаточно условия естественного охлаждения транзистора (без теплоотвода). В нашем случае мы выбираем транзистор средней мощности, низкочастотный который должен удовлетворять условию:
где - постоянная рассеиваемая мощность коллектора (указывается в справочнике);
- максимальная температура перехода (указывается в справочнике);
- максимальная температура окружающей среды;
- тепловое сопротивление переход окружающая среда;
Я выбрал транзистор КТ3102А малой мощности высокочастотный, т.к. у этого транзистора:
= 0.250 [Вт] при = -35…+25
изменяется по линейному закону при = +25…+85 по
формуле:
Построим график зависимости =f():
, [Вт]
0,250
0.175
0.1
25 55 85 ,
Рис. 2.2
При вычислении на температуре = +55 с получившимися данными, = 0.054 [Вт], в то время как на температуре = +55 , полученное по справочным данным транзистора, равно = 0.175 [Вт], отсюда можно сделать вывод: т.к. полученная нами в ходе расчетов максимальная мощность рассеивания на коллекторе транзистора входит в предельные значения по справочнику, поэтому этот транзистор можно применять в данной схеме.
4. Для выбора режима работы транзистора по постоянному току по семейству выходных статических характеристик Iк = f(Uкэ) определяются границы линейной области. Минимальной напряжение на коллекторе Uкmin должно соответствовать началу линейного участка выходных характеристик. Обычно Uкmin=0,5..1,0 [В] для маломощных транзисторов и 1..3 [В] для мощных транзисторов. Положение рабочей точки А определяется напряжением коллектора и током отсечки базы. Пренебрегая падением постоянного напряжения на первичной полуобмотки трансформатора Т2, примем; что напряжение коллектора в рабочей точке равно напряжению источника питания Еп.
Еп=(0,35..0,45)Uкэ.доп=0,4*50=20 [В]
Uкэ.доп=50 [В] , Uкэо=20 [B]
fh21э
h21э=
Амплитуда коллекторного напряжения и пиковое значение тока коллектора равны
[B]
[A]
При этом должно выполнятся условие
[мА]
Iк.доп= 100 [мА]
Определим координаты точки В на выходных статических характеристик (Uкmin;Iк.мах)
Iк
0 Uкmin Uкj Uк0 Eп Uкэ
Рис. 2.3 График выходной статической характеристики.
5. Через точки А и В проводится нагрузочная прямая АВ. Наклон нагрузочной прямой определяет приведённое сопротивление нагрузки, т.е. сопротивление нагрузки одного плеча выходной цепи переменному току:
[Ом]
6. По входной статической характеристике IБ=f(UБЭ) выбранного транзистора для Uк=5 [В] определяется рабочая область.
Iб Uк = 5 [B]
Iб.мах В1
Iбj
Iбо
Uбо Uбэj Uбэ.мах Uбэ
Рис. 2.4 График входной статической характеристики.
Для этого по выходным характеристикам для точки В с координатами (Uк.min, Iк.max) определяется IБ.max, а затем по входной характеристике соответствующее значение UБЭ.max=(точка В1).
7. Оконечный каскад, работающий в режиме В, в следствии нелинейности характеристик прямой передачи iк=f(UБЭ) вносит большие нелинейные искажения. Для их уменьшения на входной электрод усилительного элемента целесообразно подавать небольшое напряжение смещения. Для определения величины этого напряжения строят характеристику прямой передачи точек, в том числе А и В, для них определяются токи коллектора Iкj и соответствующие им токи базы IБj. По входной характеристике для точек базы определяются соответствующие напряжение смещения UБЭj. По полученным значениям Iкj и UБЭj строится характеристика прямой передачи. Точки пресечения касательной к кривой iк=f(UБЭ) с осью абсцисс определяет напряжение смещения UБ0 и ток покоя IК0. Из рис.4.4 находится IБ0, соответствующее значению UБ0.
8. На основании рис. 4.4 с учётом рассчитанного значения UБ0=0,45 [B] определяются:
[B];
амплитуда входного тока
[мА];
пиковое значение входного сопротивления транзистора по переменному току
Rвх.m=Uвх.max/Iвх.m=0,25/0,325=769 [Ом]
9. Расчёт параметров выходного трансформатора:
коэффициент трансформации одного плеча:
сопротивление первичной полуобмотки трансформатора, работающего в режиме В, и вторичной обмотки, работающей в режиме А, рассчитываются по формулам:
индуктивность первичной обмотки:
,
где Атр - коэффициент определяемый на этапе предварительного расчета.
- индуктивность вторичной обмотки
- индуктивность рассеяния
10. Расчёт элементов цепи смещения тока базы:
[Ом]
Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем R2=390[Ом]
[Ом]
Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем
R1=16000[Ом] [мА]
11. Среднее значение коллекторного тока в каждом плече двухтактного каскада равно:
[A]
12. КПД выходного трансформаторного двухтактного каскада:
13. Для расчёта предоконечного каскада находим:
входное сопротивление оконечного каскада, которое эквивалентно сопротивлению нагрузки для предоконечного каскада
RВХ.ОК=RВХRБ/(RВХ+RБ)=[Ом]
где RБ - сопротивление делителя в цепи базы, равное
RБ=R1R2/(R1+R2)=[Ом]
мощность возбуждения оконечного каскада, которая определяет выходную мощность предоконечного каскада
Pок=UБm2/2RВХ.ОК [мкВт]
[B]
14. Коэффициент усиления оконечного каскада по напряжению в области средних частот:
kH=UKm/UВХm=19,3/0,2=96,5
1.3 Расчет разделительных и шунтирующих конденсаторов
Частотные искажения усилительного каскада в области низких частот определяется емкостью шунтирующих конденсаторов в цепи эмиттера Сэ, емкостью разделительных конденсаторов Ср и параметрами согласующих трансформаторов.
1. Расчет емкости разделительных конденсаторов:
где Rк - выходное сопротивление предыдущего каскада.
Rвх - входное сопротивление последующего каскада с учетом сопротивления базового делителя Rб.
Ар - коэффициент, связанный с величиной частотных искажений в области низких частот для разделительного конденсатора.
2. Расчет емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера Сэ, включаемого параллельно сопротивлению Rэ.
где Sэ - сквозная крутизна тока эмиттера:
Rи - сопротивление источника сигнала по отношению к базе транзистора, равное параллельному соединению сопротивлений базового делителя и выходного сопротивления предыдущего каскада.
Rвх - входное сопротивление транзистора.
Аэ - коэффициент, связанный с величиной частотных искажений в области низких частот в цепи эмиттера.
1.4 Расчет нелинейных искажений
Расчет коэффициента гармоник оконечного каскада, являющегося основным источником нелинейных искажений, проводится графическим методом пяти ординат с помощью сквозной динамической характеристики iк = (eист), которая строится на основе нагрузочной прямой переменного тока и входной характеристики транзистора.
Определим ЭДС источника сигнала входной цепи:
где Rист - выходное сопротивление переменному току предоконечного каскада с учетом цепей смещения и стабилизации Rист = Rвх.ок = 186.3 [Ом].
Данные расчета запишем в виде таблицы:
Таблица № 4.1
|
Iк, [мА] |
Iб, [мА] |
Uбэ, [В] |
еист, [В] |
||
|
Imax |
170 |
1 |
0.35 |
0.53 |
|
|
Io |
150 |
0.5 |
0.3 |
0.4 |
|
|
Imin |
10 |
0.1 |
0.25 |
0.26 |
На основании данных таблицы строится сквозная динамическая характеристика в координатах eист, Iк и определяется амплитуда напряжения источника сигнала.
Определяется амплитуда напряжения источника сигнала:
Строим динамическую характеристику:
Iк
I'к.max
I'1
I'K0
eист.0 eист0+ eист.m/2 eист.max
Рис. 2.5
Сопротивление источника сигнала равно Rист=(Rвых+r1)n2, где Rвых - выходное сопротивление предоконечного каскада; r1, n - сопротивление первичной обмотки межкаскадного трансформатора и его коэффициента трансформации по отношению к половине вторичной обмотки. Гармонические составляющие выходного тока Iim находятся по формулам :
Определяя токи Iкmax, I2, I1, Iкmin, Iк0 с учётом разброса параметров усилительных элементов плеч по выражениям:
Imax=(1+b)I'кmax=(1+0.05)170=178.5 [мА]
Imin=-(1-b)I'кmin=-(1-0.05)170=-161.5 [мА]
I1=(1+b)I'1=(1+0.05)150=157.5 [мА]
I2=-(1-b)I'1=-(1-0.05)150=-142.5 [мА]
Iко=[мА],
где b - коэффициент асимметрии, зависящий от типа усилительных элементов, используемых в плечах каскада, и от условий их работы, при включении усилительного элемента по схеме с ОЭ значения коэффициента выбирают b<0.1;
токи I'кmax, I'1, I'ко соответствуют расчётным амплитуде, её половине и токе покоя входного сигнала eист , см. рис. 4.5.
Коэффициент гармоник усилителя без цепи ООС рассчитывается по формуле:
Исходя из полученного значения коэффициента гармоник, определяется глубина общей ООС:
где kг - коэффициент гармоник в %, заданный в ТЗ.
Пересчитаем количество каскадов.
Общий коэффициент усиления равен:
где запас по коэффициенту усиления =1.5…2 (в нашем случае берем 1.5).
Число каскадов усиления N определяется исходя из . Считается что каскады выполненные по схеме с общим эмиттером, имеют коэффициент усиления по напряжению в пределах K1=20…40 (в нашем случае 40). В результате общее число каскадов усиления составит:
где N1 - число каскадов, включенных по схеме с общим эмиттером, определяется через формулу:
Так как N2 является количеством каскадов, включенных по схеме с общим коллектором, в нашем усилителе не используется, то им можно пренебречь.
3. Расчет каскадов предварительного усиления
3.1 Расчет резисторного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ
Для усилителя с выходным двухтактным трансформаторным каскадом, работающим в режиме АВ, в качестве предвыходных каскадов могут использоваться однотактный трансформаторный каскад, резисторный каскад с разделённой нагрузкой или дифференциальный усилительный каскад.
Типовая схема резисторного каскада:
Рис. 3.1
1. Выбор режима работы транзистора по постоянному току.
Амплитуда тока сигнала в цепи коллектора связана с амплитудой напряжения на входе следующего каскада UВХ.СЛm и его входным током IВХm соотношением:
где RБ - сопротивление делителя в цепи базы следующего каскада.
Постоянная составляющая тока коллектора вычисляется как:
2. Падение напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и величина самого сопротивления равны:
3. Величина напряжения коллектор - эмиттер Uкэо рассчитывается:
4. Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора:
5. Тип транзистора каскада предварительного усиления выбирается по величине мощности рассеивания на коллекторе каждого транзистора, .
Т.к. выходная мощность не большая, то достаточно условия естественного охлаждения транзистора (без теплоотвода). В нашем случае мы выбираем транзистор средней мощности, низкочастотный который должен удовлетворять условию:
где - постоянная рассеиваемая мощность коллектора (указывается в справочнике);
- максимальная температура перехода (указывается в справочнике);
- максимальная температура окружающей среды;
- тепловое сопротивление переход-окружающая среда;
Я выбрал транзистор МП25Г малой мощности низкочастотный, т.к. у этого транзистора:
= 0.2 [Вт] при = -60…+70 ,
а у нас по расчетным данным
при = -40…+30
6. Т.к. предоконечный каскад и каскады промежуточного усиления работают в малосигнальном линейном режиме, расчет их параметров ведется аналитически.
Определяем IБ0:
где
Входное сопротивление транзистора:
где rБ - распределенное сопротивление базы.
Б = 25.6 [мВ] - термический потенциал.
Сопротивление эмиттерного перехода:
Постоянное напряжение перехода база - эмиттер равно UБЭ = 0.3 [B] для германиевых транзисторов.
7. Расчет сопротивлений резисторов базового делителя производится с учетом обеспечения заданной нестабильности положения точки покоя (рабочей точки) каскада усиления. Стабилизация осуществляется за счет напряжения отрицательной обратной связи по постоянному току. Для каскада с ОЭ и эмиттерной стабилизацией изменение тока покоя коллектора при нормальной работе усилительного каскада сохраняется при изменении тока коллектора на 10-30%. Исходя из этого:
рабочий диапазон температур окружающей среды:
На основе сделанных расчетов полное сопротивление делителя в цепи базы и его отдельных составляющих R1 и R2 равно:
8. Сопротивление в цепи коллектора:
9. Сопротивление нагрузки по переменному току:
где Rвх.сл - входное сопротивление следующего каскада.
10. Коэффициент усиления каскада по напряжению
11. Амплитуда входного напряжения:
12. Входное сопротивление каскада:
13. Амплитуда входного тока:
4. Проектирование входного каскада
Исходными данными для расчета первого каскада усиления являются: напряжение источника питания Eп; сопротивление нагрузки Rн, равное входному сопротивлению следующего каскада; амплитуда переменной составляющей тока IБm и напряжения UБm на сопротивлении Rн (при наличии нескольких однотипных каскадов промежуточного усиления величины IБm(UБm) рассчитываются исходя из количества каскадов и коэффициента усиления каскада kн1 по напряжению в области средних частот).
Принципиальная схема входного каскада:
Рис. 4.1
Выбор режима работы транзистора и расчет параметров элементов схемы проводится в следующем порядке.
1. Транзистор работает в режиме А, при коллекторный ток в рабочей точке Iко (ток покоя) выбирается значительно больше, чем ток, потребляемый входной цепью следующего каскада:
Следует иметь в виду, что Iко для германиевых транзисторов должен быть не менее 3…4 [мА]. Так как величина Iко, рассчитанная по формуле, получилась значительно меньше, поэтому, что бы не допустить ухудшения некоторых параметров транзистора при малых токах коллектора выберем Iко = 4 [мА].
2. Достаточно эффективная стабилизация тока покоя каскада обеспечивается, если принять величину падения напряжения на резисторе в цепи эмиттера:
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, равна:
где напряжение коллектор - эмиттер в рабочей точке равна
,
но не менее 3 [В].
3. Тип транзистора входного каскада выбирается по величине мощности рассеивания на коллекторе каждого транзистора, .
Т.к. выходная мощность не большая, то достаточно условия естественного охлаждения транзистора (без теплоотвода). В нашем случае мы выбираем транзистор средней мощности, низкочастотный который должен удовлетворять условию:
где - постоянная рассеиваемая мощность коллектора (указывается в справочнике);
- максимальная температура перехода (указывается в справочнике);
- максимальная температура окружающей среды;
- тепловое сопротивление переход-окружающая среда;
Я выбрал транзистор МП25Г малой мощности низкочастотный, т.к. у этого транзистора:
= 0.2 [Вт] при = -60…+70
а у нас по расчетным данным
при = -40…+30
Выходные и входные характеристики данного типа транзистора выглядят следующим образом.
Iк Iб.мах
Iк.мах
Iко Iбо
Iк.min Iб.min
0 Uкmin Uкэо Uкэ.мах Uкэ
Рис. 4.2
Iб Uк = 5 [B]
Iб.мах
Iбj
Iбо
Uбо Uбэj Uбэ.мах Uбэ
Рис. 4.3
На основе данных в справочнике статических характеристик мы находим переменную составляющую напряжения базы:
4. Сопротивление резистора в цепи коллектора, сопротивление в цепи эмиттера, сопротивление нагрузки переменному току и коэффициент усиления по напряжению рассчитываются по формулам:
где входное сопротивление транзистора, рассчитывается на основании справочных данных и режима работы по постоянному току:
где rБ - распределенное сопротивление базы.
Б = 25.6 [мВ] - термический потенциал.
Расчет сопротивлений резисторов базового делителя производится с учетом обеспечения заданной нестабильности положения точки покоя (рабочей точки) каскада усиления. Стабилизация осуществляется за счет напряжения отрицательной обратной связи по постоянному току. Для каскада с ОЭ и эмиттерной стабилизацией изменение тока покоя коллектора при нормальной работе усилительного каскада сохраняется при изменении тока коллектора на 10-30%. Исходя из этого:
рабочий диапазон температур окружающей среды:
На основе сделанных расчетов полное сопротивление делителя в цепи базы и его отдельных составляющих R1 и R2 равно:
Коэффициент трансформации входного трансформатора рассчитывается из условия согласования сопротивления источника сигнала со входным сопротивлением первого усилительного каскада:
где входное сопротивление:
- КПД входного трансформатора. Обычно принимают =0.9
Активное сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора выбираются равными:
Блокировочный конденсатор в цепи базы выбирается из условия:
где - сопротивление источника сигнала, пересчитанное к базе транзистора входного каскада и рассчитывается по формуле:
Частотные искажения усилительного каскада в области низких частот определяется емкостью шунтирующих конденсаторов в цепи эмиттера Сэ, емкостью разделительных конденсаторов Ср и параметрами согласующих трансформаторов.
1. Расчет емкости разделительных конденсаторов:
где Rк - выходное сопротивление предыдущего каскада.
Rвх - входное сопротивление последующего каскада с учетом сопротивления базового делителя Rб.
Ар - коэффициент, связанный с величиной частотных искажений в области низких частот для разделительного конденсатора.
2. Расчет емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера Сэ, включаемого параллельно сопротивлению Rэ.
где Sэ - сквозная крутизна тока эмиттера:
Rи - сопротивление источника сигнала по отношению к базе транзистора, равное параллельному соединению сопротивлений базового делителя и выходного сопротивления предыдущего каскада.
Rвх - входное сопротивление транзистора.
Аэ - коэффициент, связанный с величиной частотных искажений в области низких частот в цепи эмиттера.
5. Расчет параметров цепи обратной связи
5.1 Расчет согласующих устройств на входе и выходе цепи ОС
Отрицательная обратная связь предназначена для обеспечения требуемого нелинейного искажения kг и формирования заданной амплитудно-частотной характеристики усилителя.
Подключение цепи ООС к усилителю должно осуществляться только с помощью мостовых согласующих устройств.
Структурная схема усилителя с обратной связью мостового типа показана на рис. 5.1. При таком типе ОС входное и выходное согласующее устройства (СУ) выполнены в виде шестиполюсников (сбалансированных мотов). Условия баланса для входного и выходного мостов определяются равенствами:
Z1/Z2=Z3/Z4, Z'1/Z'2=Z'3/Z'4,
где Z1,Z2,Z4 и Z'1,Z'2,Z'4 - элементы входного и выходного СУ, Z3 и Z'3 - входное и выходное сопротивления активной -цепи.
Внешние нагрузки Rи, Rн, а также вход и выход цепи ОС включены в разные диагонали моста. Так как при балансе моста передача сигнала и одной диагонали в другую отсутствует, то цепи внешних нагрузок и обратной связи оказываются взаимно независимыми. Из этого следует:
внешние нагрузки Rи, Rн не влияют на передачу по петле обратной связи и глубина ОС F не зависит от нагрузки усилителя;
входное и выходное сопротивления усилителя не зависят от коэффициента передачи цепи ОС и от глубины ОС;
входное и выходное сопротивления усилителя определяются только параметрами элементов входного выходного СУ соответственно.
На рис. 5.2 показаны наиболее распространенные структурные схемы усилителей с комбинированной ОС, которые явл. Конкретной реализацией общей схемы, изображенной на рис. 5.1.
Рис. 5.1
Отношение коэффициентов трансформации между обмоткой ОС и основной обмоткой m/n (m'/n') рекомендуется выбирать равным 0,1..0,5. Наименьшее значение этого соотношения ограничивается величиной kmin , а наибольшее - величиной потерь сигнала во входной и выходной цепях.
Т.к. у нас нечётное число каскадов мы выбираем схему с полным охватом трансформаторов ОС. Эта схема может применяться как при чётном, так и при нечётном числе каскадов с ОЭ, так как поворот фазы сигнала можно проводить за счёт входного либо выходного трансформатора. В этой схеме можно значительно снизить требования к трансформаторам, так как они охвачены ОС. Однако реактивности трансформаторов, включённые в петлю ОС, создают дополнительный фазовый сдвиг, из-за чего снижается допустимое значение глубины ОС. Поэтому данную схему рекомендуется применять для сравнительно низкочастотных усилителей, в которых, с одной стороны, трансформаторы имеют большие габаритные размеры, дороги и сложны в изготовлении, с другой стороны, имеется возможность обеспечения достаточно глубокой ОС за счёт применения высокочастотных транзисторов.
Рассчитаем балансное и входное сопротивления согласующего устройства:
n=0.28 m=0.56
n'=1.98 m'=3.96
[Ом]
[Ом]
RОС=mRи=0,56300=168 [Ом]
R'ОС=m'Rи=3,96300=1188 [Ом]
Рассчитаем k1/B1 и k2/B2:
k1/B1 =1
k2/B2=
k1/B1 и k2/B2 необходимы при расчёте АЧХ усилителя, охваченного ОС.
5.2 Расчёт элементов цепи ООС
Типовая схема цепи ОС (рис. 7.3) включает в себя последовательно соединённые четырёхполюсники 1..4, где блок 3 - постоянный (нерегулируемый) амплитудно-частотный корректор, обеспечивающий заданный перекос в АЧХ; блок 2 - переменный корректор, позволяющий осуществить коррекцию АЧХ усилителя в области верхних и нижних частот; блоки 1,4 - постоянные частотно-независимые корректоры обеспечивающие требуемую глубину ООС и согласование цепи ОС с мостовыми цепями на входе и выходе.
1 2 3 4
6
5
Roc R'oc
Рис. 5.3
Затухание, вносимое всеми блоками:
Где К56(f) - коэффициент передачи цепи ОС;-сквозной коэффициент передачи усилителя с ОС, определённый по данным технического задания, выраженный в разах и децибелах соответственно; К1, К2 - коэффициенты передачи по напряжению между сечениями 1-3, 4-2 соответственно; В1, В2 - коэффициенты передачи по напряжению между сечениями 6-3, 4-5 соответственно.
5.2.1 Расчёт нерегулируемого частотно-зависимого АК
Для реализации нерегулируемого амплитудного корректора наиболее экономична Т-образно перекрытая схема звена (рис. 5.4)
Z1
R R
Z2
Рис. 5.4
Схемы звеньев амплитудного корректора (АК) первого порядка, когда двухполюсники Z1 и Z2 содержат один реактивный элемент, приведены на рис. 5.5
Частотные характеристики затухания корректоров в зависимости от нормированной частоты х показаны на рис.7.6, где кривая 1 соответствует корректору по схеме рис.7.5а, а кривая 2 - рис.7.5б. Расчёт элементов корректора проводится исходя из диапазона корректируемых частот Fн, Fв, и требуемой неравномерности АЧХ усилителя в полосе частот Bв.
По знаку изменения затухания выбирается соответствующая схема амплитудного корректора.
Рис. 5.6
Расчёт параметров корректора по схеме рис.7.5б:
1. Определим крутизну изменения затухания
[дБ]
2. Зная абсолютное значение крутизны изменения затухания, рассчитаем максимальное затухание, вносимое одним звеном корректора:
[дБ]
3. Определим постоянную передачи корректора при максимальном значении затухания:
k=100.05=
4. Определим частоту, на которой затухание корректора равно половине максимального:
5. Сопротивление R в поперечной ветви корректора, равное его характеристическому сопротивлению, выбирается из условия согласования характеристического сопротивления корректора с параметрами соседних блоков 2 и 4.
Целесообразно величину сопротивления R выбирать из условия:
R=(RосR'ос)0,5=(1681188)0,5=446,7 [Ом]
6. Сопротивление R2 и индуктивность L2 в продольной ветви корректора равны соответственно R2=R/(k-1)=446.7/(1.04-1)=1116.8 [Ом]
L2=[Гн]
7. Сопротивление R1 и ёмкость C1 в поперечной ветви корректора равны
R1=R(k-1)=446.7(1.04-1)=17.868 [Ом]
С1= [мкФ]
8. Определим полное затухание частотно-зависимого АК
5.2.2 Расчет переменного амплитудного корректора
В настоящее время в технике связи находят широкое применение полупеременные амплитудные корректоры, характеристики которых могут изменятся в определённых пределах при изменении управляющего элемента, обычно резистора. Характеристики корректора могут изменятся вручную или автоматически.
По виду частотных характеристик переменные АК делятся на четыре класса:
1 класс: g0=const; g~(w)=const - корректоры плоской регулировки;
2 класс: g0=const; g~(w)= - переменная составляющая зависит от частоты;
3 класс: g0=; g~(w)=const;
4 класс: g0=; g~(w)=.
По заданию на курсовой проект необходимо рассчитать корректор второго класса, у которого пределы регулирования частотных характеристик затухания симметричны относительно среднего значения и равны на нижней и верхней частотах. Такой переменный АК может быть реализован в виде корректора Боде или в виде корректора Освальда.
На рис.5.7 представлен АК Боде 2-го класса, содержащий дополнительные четырёхполюсники, нагруженные на управляющие резисторы RА,RБ.
При условии RБ=R2/RА корректор с переменным затуханием будет иметь постоянные входное и выходное сопротивления, равные R'.
Порядок расчёта элементов корректора Боде.
1. [Нп], [дБ]
[Нп]
2. Определим частоту симметрии .
3. Определим R1,R2,R0,R01,R02:
R=446.7 [Ом]
Rб=R2/RA, x=
RA=R0
R=R0=446.7 [Ом]
R=
R=R1R2/(-R2)
-R1R-R2=0
Решая квадратное уравнение полечим, что
R01=R0=446.7 [Ом]
R02=[Ом]
[Нп]
4. Определим значения индуктивности и ёмкости звена фазового корректора ДЧ:
[мГн]
[мкФ]
5. Определим RA,RБ:
x=8.26
RA=446.6 [Ом]
[Ом]
5.2.3 Расчёт частотно-независимого корректора
Частотно-независимые корректоры в цепи ОС предназначены для обеспечения требуемой глубины ОС, а также для обеспечения согласования цепи ОС с согласующими шестиполюсниками.
Рассчитаем затухания блоков 1, 4 (см. рис. 7.3):
[Нп]
[дБ] или 4,6 [Нп]
Схема построения частотно-независимого корректора представлена на рис. 5.7
R3
r1 r2
R1 R2
Рис. 5.7
Элементы удлинителей рассчитываются исходя из величины вносимого затухания a1, выраженного в неперах, и заданных значений входного r1 и выходного r2 сопротивлений этого блока,, которые необходимы для его согласованного включения.
При этом для блока 1 входное сопротивление r1 должно равняться сопротивлению Rос, а выходное r2 - входному сопротивлению переменного корректора R.
r1=Rос=168 [Ом], r2=R=446.7 [Ом]
R3=(r1r2)0.5sh(a)=(168446,7)0,5sh(4.6)=13,6 [кОм]
R1=R3r1th(a)/(R3-r1th(a))=[13,6103168th(4.6)]/[13,6103-168th(4.6)]=170 [Ом]
R2=R3r2th(a)/(R3-r2th(a))=[13,6103446,7th(4.6)]/[13,6103-446,7th (4.6)] = 461,7 [Ом]
Для блока 4 входное сопротивление r1 должно равнятся выходному сопротивлению R постоянного частотно-зависимого корректора, а выходное сопротивление r2 - сопротивлению R'ос.
r2=R'ос=1188 [Ом], r1=R=446.7 [Ом]
R3=(r1r2)0.5sh(a)=(446,71188)0,5sh(4.6)=37 [кОм]
R1=R3r1th(a)/(R3-r1th(a))=[37103446.7th(4.6)]/[37103-446.7th (4.6)]=452[Ом]
Подобные документы
Определение числа каскадов. Распределение искажений на ВЧ. Расчёт оконечного каскада. Расчёт выходной корректирующей цепи. Выбор входного транзистора. Расчёт предоконечного каскада. Расчёт входного каскада. Расчёт разделительных конденсаторов.
курсовая работа [395,7 K], добавлен 02.03.2002Определение числа каскадов. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт входного каскада по постоянному току. Расчёт эквивалентной схемы транзистора. Расчёт корректирующих цепей. Расчёт разделительных ёмкостей.
курсовая работа [517,5 K], добавлен 02.03.2002Определение числа каскадов. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт предоконечного каскада. Расчёт входного каскада. Выбор транзистора. Расчёт цепей термостабилизации. Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей.
курсовая работа [657,3 K], добавлен 01.03.2002Структурная схема усилителя. Определение числа каскадов, распределение искажений по ним. Расчет требуемого режима и эквивалентных параметров транзистора, предварительных каскадов. Расчет усилителя в области нижних частот. Оценка нелинейных искажений.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 08.09.2014Достоинства бестрансформаторных схем выходных каскадов: малые габариты, меньший вес и стоимость, более высокий к.п.д., меньший уровень нелинейных искажений. Особенности расчета простейшей схемы бестрансформаторного двухтактного выходного каскада.
курсовая работа [116,0 K], добавлен 07.06.2010Определение числа поддиапазонов, выбор схемы входной цепи и детектора. Распределение частотных и нелинейных искажений по каскадам устройства связи (приемника). Расчёт структурной схемы усилителя звуковой частот и автоматической регулировки усиления.
курсовая работа [769,0 K], добавлен 20.09.2013Расчет структурной схемы усилителя. Определение числа каскадов. Распределение искажений по каскадам. Расчет оконечного каскада. Выбор транзистора. Расчет предварительных каскадов. Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен).
курсовая работа [380,2 K], добавлен 19.11.2003Структурная схема усилителя. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт полосы пропускания. Расчёт цепей термостабилизации. Расчёт входного каскада по постоянному току. Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей.
курсовая работа [413,2 K], добавлен 01.03.2002Выбор типа транзисторов и способа их включения для оконечного и фазоинверсного каскада. Распределение частотных искажений. Расчёт электрической схемы усилителя. Расчёт фазоинверсного каскада с трансформаторной cвязью. Расчет частотных характеристик.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 06.04.2011Составление структурной и принципиальной схем широкополосного усилителя. Расчет выходного, входного и промежуточного каскадов, разделительных емкостей. Оценка нелинейных искажений. Устройство демультиплексирования кодов. Коммутатор параллельных кодов.
курсовая работа [290,1 K], добавлен 05.02.2015
