Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего образования Российской Федерации

Красноярский государственный технический университет

Кафедра приборостроения

Курсовой проект

“Расчёт усилителя гармонических сигналов ”

Выполнил:

студент гр. Р51-4

Семых А.В.

Проверил:

Григорьев А.Г.

Красноярск 2003 г.

Содержание

1. Исходные данные

2. Расчёт и обоснование структурной схемы

3. Расчёт каскадов усилителя

3.1 Расчёт выходного каскада

3.2 Расчёт промежуточного каскада

3.3 Расчёт первого каскада

3.4 Расчёт истокового повторителя

Приложение

Заключение

Список литературы

1. Исходные данные

Амплитуда напряжения на входе: =1мВ;

Сопротивление нагрузки: =200кОм;

Ёмкость нагрузки:=10пФ;

Частотные искажения на нижних частотах: =2дБ;

Частотные искажения на верхних частотах: =2.5дБ;

Диапазон рабочих температур:= - 10 ⁰ C, =40⁰C;

Внутреннее сопротивление источника сигнала: =200 Ом;

Нижняя граничная частота:=40 Гц;

Верхняя граничная частота: =18 МГц;

Входное сопротивление усилителя: =50 кОм;

Коэффициент гармоник: =5%;

Амплитуда напряжения сигнала на выходе: =1 В.

2. Расчет и обоснование структурной схемы

При большом коэффициенте усиления =1000 рассчитываемый усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций. Низкое выходное напряжение при высокоомной нагрузке позволяют применить на выходе усилителя такую же секцию, как и в промежуточных каскадах. Необходимость получения большого входного сопротивления требует установки на вход истокового повторителя. Ввиду низкой нижней граничной частоты желательно использование минимального числа блокировочных и разделительных конденсаторов. Принимаем коэффициент запаса =1.5.

Для компенсации погрешностей расчёта, разброса параметров транзисторов, потерь во входной цепи, усилитель рассчитывают на коэффициент усиления:

== =1506 (2.1),

где и - заданное входное и выходное напряжения, - внутреннее сопротивление источника сигнала, =1.3 - 1.7-коэффициент запаса усиления. Рассчитаем максимально возможный коэффициент одно, двухтакткных схем:

== 40 (2.2)

Реально такой коэффициент не достижим.

Необходимое число каскадов при =40 оказывается равным:

N==2.6, N=3 (2.3).

Так как усилитель имеет большое входное сопротивление =50кОм, то на его входе необходимо использовать истоковый повторитель.

Рассчитаем коэффициент усиления отдельного каскада:

==11.5 (2.4).

Оценим коэффициент частотных искажений на верхних и нижних частотах с учетом истокового повторителя, так как он тоже вносит искажения.

===1.06, ===1.075 (2.5).

Нестабильность усиления:

== (2.6).

Выбор конкретного типа интегральных схем для использования в качестве промежуточных каскадов производится по площади усиления. Некорректированные интегральные схемы должны обеспечить верхнюю граничную частоту по уровню -3дБ и площадь усиления, равные соответственно:

===, ===530.73(Гц) (2.7).

Применение коррекции позволяет получить значительный выигрыш в величине площади усиления.

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией в каскадах зависит от допустимых частотных искажений в каскаде и от относительной глубины коррекции и может быть найден по графикам (см.). Значение глубины коррекции берётся в пределах 0.8 - 0.95. Выберем =0.9.

Определим глубину обратной связи:

А===3.5 (2.8).

Реальный выигрыш в площади усиления при использовании эмиттерной коррекции рассчитывается по формуле:

=1+()=1+(2.25-1)=1.75 (9),

где и - коэффициенты, которые определяются по графикам (см.).

Верхняя граничная частота по уровню -3дБ, и площадь усиления - соответственно по формулам:

, (2.10).

Полученная площадь усиления может быть обеспечена с помощью усилительной секции общий эмиттер-общая база. Выбираем микросхему К265УВ6 (см. приложение). Учитывая, что напряжение на выходе усилителя мало при высокоомной и ёмкостной нагрузке ориентируемся на тот же тип микросхемы. Для входного истокового повторителя выбираем высокочастотный полевой транзистор КП305Ж , который имеет высокую крутизну, что обеспечивает малое выходное сопротивление повторителя.

Итак, для рассчитываемого усилителя принимаем трехкаскадную схему, содержащую входной истоковый повторитель, выполненный на дискретном транзисторе, и три каскада усиления, выполненных по схеме общий эмиттер - общая база на интегральных микросхемах К265УВ6.

3. Расчёт каскадов

3.1 Расчёт выходного каскада

Расчёт усилителя производится с выходного каскада. Зададимся предварительно ёмкостью монтажа и ёмкостью транзистора , для максимально допустимого сопротивления нагрузки получим:

, (3.1.1)

Ориентируясь на микросхему К265УВ6 с током покоя , для минимально допустимого значения нагрузки получаем:

. (3.1.2)

Так как , сопротивление нагрузки выбираем в указанных пределах, т. е.

, , (3.1.3)

усилитель гармонический сигнал каскад коллектор повторитель

где - сопротивление коллектора в микросхеме.

Расчёт минимально допустимого коллекторного напряжения производится в приложении(см.). Для микросхемы использован типовой режим, поэтому значения параметров эквивалентной схемы транзистора возьмём так же из приложения (см. ).

, , , , , , , с.

Оценим сопротивление эквивалентного генератора предварительно уточнив, что и (см. формулу ). Сопротивления коллекторов и базовых делителей равны, т. к. все усилительные каскады построены на одинаковых микросхемах.

(3.1.4)

Определим полную ёмкость нагрузки:

(3.1.5)

Оценим достижимую площадь усиления:

, (3.1.6)

,

, значит, выходной каскад обеспечит необходимую площадь усиления.

Максимальный коэффициент усиления каскада:

 , (3.1.7)

. В расчётах используем .

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи равны:

(3.1.8)

(3.1.9)

Нестабильность усиления:

(3.1.10)

Расчёт термостабильности:

(3.1.11)

(3.1.12)

(3.1.13)

(3.1.14)

,(3.1.15)

.(3.1.16)

Приращение коллекторного тока:

(3.1.17)

Оценим влияние температуры на режим транзистора:

(3.1.18)

Для определения величины корректирующей ёмкости в эмиттере предварительно определяются постоянные времени каскада:

(3.1.19)

и корректирующего звена:

.(3.1.20)

Величину корректирующей ёмкости находим из выражения:

,(3.1.21)

где

АЧХ в области верхних частот определяется выражением:

,(3.1.22)

где - значение коэффициента коррекции.

При расчёте переходных (их две- на входе и на выходе) и блокировочной ёмкостей зададим и . Эквивалентная постоянная каскада на нижних частотах:

(3.1.23)

следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

(3.1.24)

(3.1.25)

(3.1.26)

АЧХ на нижних частотах ведётся по формуле:

.(3.1.27)

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

(3.1.28)

для выходной разделительной ёмкости;

=73.7(Ом),(3.1.29)

для блокировочной ёмкости в эмиттере;

(3.1.30)

для входной разделительной ёмкости.

Рассчитаем величины каждого конденсатора:

- разделительная ёмкость на выходе;(3.1.31)

- разделительная ёмкость на входе;(3.1.32)

- блокировочная ёмкость в эмиттере.(3.1.33).

Частотные искажения на верхних и нижних частотах:

,

3.2 Расчёт промежуточного каскада

Частотные свойства каскада. Определим предварительно сопротивление эквивалентного генератора.

(3.2.1)

При использовании секции общий эмиттер - общая база в качестве промежуточной, сопротивление нагрузки равно сопротивлению эквивалентного генератора:

Обеспечиваемая площадь усиления каскада равна:

,(3.2.2)

где .

Сопротивление нагрузки с учётом входного сопротивления выходного каскада:

(3.2.3.)

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:

(3.2.4)

(3.2.5)

Нестабильность усиления:

 (3.2.6)

Для определения величины корректирующей ёмкости в эмиттере предварительно определяются постоянные времени каскада:

(3.2.7)

и корректирующего звена:

.(3.2.8)

Величину корректирующей ёмкости находим из выражения:

,(3.2.9)

где

АЧХ в области верхних частот определяется выражением:

,(3.2.10)



где - значение коэффициента коррекции.

При расчёте переходных (их две- на входе и на выходе) и блокировочной ёмкостей зададим и . Эквивалентная постоянная каскада на нижних частотах:

следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

АЧХ на нижних частотах ведётся по формуле:

.

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости;

=109,1(Ом)

для блокировочной ёмкости в эмиттере;

для входной разделительной ёмкости.

Рассчитаем величины каждого конденсатора:

- разделительная ёмкость на выходе;

- разделительная ёмкость на входе;

- блокировочная ёмкость в эмиттере.

Частотные искажения на верхних и нижних частотах:

,

3.3 Расчёт входного усилительного каскада

Частотные свойства каскада. Определим предварительно сопротивление эквивалентного генератора.

Сопротивление нагрузки с учётом входного сопротивления выходного каскада:

Обеспечиваемая площадь усиления каскада равна:

,

где .

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:

Нестабильность усиления:

Для определения величины корректирующей ёмкости в эмиттере предварительно определяются постоянные времени каскада:

и корректирующего звена:

.

Величину корректирующей ёмкости находим из выражения:

,

где

АЧХ в области верхних частот определяется выражением:

,

где - значение коэффициента коррекции.

При расчёте переходных (их две- на входе и на выходе) и блокировочной ёмкостей зададим и . Эквивалентная постоянная каскада на нижних частотах:



следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

АЧХ на нижних частотах ведётся по формуле:

.

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости;

=46.15(Ом), для блокировочной ёмкости в эмиттере;

для входной разделительной ёмкости.

Рассчитаем величины каждого конденсатора:

- разделительная ёмкость на выходе;

- разделительная ёмкость на входе;

- блокировочная ёмкость в эмиттере.

Частотные искажения на верхних и нижних частотах:

,

3.4 Расчёт истокового повторителя

Рис. 3.4.1 Принципиальная электрическая схема истокового повторителя.

Использование на входе истокового повторителя позволяет получить заданное значение входного сопротивления. Истоковый повторитель выполняем на полевом транзисторе КП305Ж.

В типовом режиме . Параметры этого транзистора определяются следующими соотношениями:

,

Общее сопротивление в истоке при напряжении смещения будет равно:



Выходное сопротивление равно:

Сопротивление затвора примем равным входному сопротивлению, .

Нестабильность усиления для истокового повторителя:

Разделительная ёмкость на входе:

АЧХ истокового повторителя для нижних частот:

Приложение

Справочные данные по транзисторам.

1.Биполярный транзистор (КТ331Б).

Транзистор кремниевый планарный высокочастотный усилительный с нормированным коэффициентом шума на частоте 100МГц. Предназначен для усиления и генерирования сигналов высокой частоты.

Тип проводимости: n-p-n;

=40, =120;

Граничная частота: =250МГц;

Ёмкость эмиттера: =12пФ;

Ёмкость коллектора: =5пФ;

Постоянная времени: =120пс;

Сопротивление коллектора: =300кОм;

dr=0;

Ток коллектора измеренный: =3мА;

Напряжение коллектора измеренное: =5В;

Тепловой ток: =0.2мкА;

Напряжение на коллекторе максимальное: =15В;

Максимально допустимый ток коллектора: =20мА;

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе: =15мВт;

Коэффициент, зависящий от типа p-n-перехода: =1.5;

Ток:

2.Полевой транзистор (КП305Ж).

Тип канала: n;

Крутизна характеристики: =5.2, =10.5;

Сопротивление истока: =50кОм;

Ёмкость затвор-исток: =5пФ;

Ёмкость затвор-сток: =0.8пФ;

Ёмкость сток-исток: =1пФ;

Ток: =6мА;

=1.5;

Ток затвора:=1нА;

=0.002;

=0;

=15В;

=15мА;

=0.15.

3.Принципиальная электрическая схема ИМС К265УВ6.

Расчёт параметров эквивалентной схемы биполярного транзистора.

Расчёт будем производить для транзистора, стоящего в микросхеме. Типовое значение тока ИС К265УВ6 определим по формуле:



где , (значение, которое предварительно задаётся),

сопротивление, стоящее в цепи эмиттера в микросхеме,

- сопротивление базового делителя в микросхеме

где и - справочные данные транзистора.

(Ом)

где - контактная разность потенциалов. Для кремниевых транзисторов она берётся равной 0.82В.

,

,



Для расчёта минимально допустимого коллекторного напряжения предварительно зададимся , , . Для напряжения питания теперь получим:

.

Следовательно, ИС может использоваться в типовом режиме .

Для дальнейшей оценки, обеспечиваемой площади усиления.

Входные и выходные характеристики транзистора:

Выигрыш площади усиления при простой параллельной коррекции.

Потери площади усиления при эмиттерной коррекции по сравнению с простой коррекцией.

АЧХ для верхних и нижних частот всего усилителя:



Частотные искажения на верхних и нижних частотах:

,

Заключение

Рассчитанный усилитель удовлетворяет исходным данным имеет коэффициенты частотных искажении не более допустимых в области верхних и нижних частот.

Значение термостабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур находится в пределах нормы, согласно требованию технического задания осуществлено приведение входного сопротивления усилителя к значению 50 кОм и подключение высокоомной нагрузки (200 кОм).

Список литературы

1. “Проектирование широкополосных и импульсных усилителей”. (Расчёт элементов коррекции и термостабилизации) Методические указания по курсу “Усилительные устройства”. Сост. В.И. Юзов.

2. “Проектирование широкополосных и импульсных усилителей”. (Примеры расчёта)

Методические указания по курсу “Усилительные устройства”. Сост. В.И. Юзов.

3. “Аналоговые устройства”. Методические указания. Сост. В.В. Волошенко, А.Г. Григорьев, В.И. Юзов; Красноярск, 1996.

4. “Проектирование широкополосных и импульсных усилителей”. (Расчёт каскадов и секций). Методические указания по курсу “Усилительные устройства”. Сост. В.И. Юзов. Красноярск, 1983.

5. “Усилительные устройства”. В.И. Юзов

Размещено на Allbest.ru