Расчёт усилителя гармонических сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

14

Содержание

1. Техническое задание

2. Анализ технического задания

3. Расчет числа каскадов (усилительных секций), выбор типов ИС и транзисторов

4. Расчет выходного каскада

5. Расчет промежуточных и входного каскадов

6. Машинный расчет усилителя

7. Заключение о соответствии параметров спроектированного усилителя требованиям ТЗ

Список используемой литературы

Приложение

1. Техническое задание

Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала: E=3мВ

Активная нагрузка: RНД=75 Ом

Частотные искажения: MН=2,5 дБ; МВ=2,0 дБ

Минимальная рабочая температура: tmin=5С

Максимальная рабочая температура: tmax=40С

Внутреннее сопротивление источника: Rист=200 Ом

Нижняя граничная частота: fН=75Гц.

Верхняя граничная частота: fВ=20МГц.

Коэффициент гармоник: KГ=9%

Амплитуда выходного сигнала: Uвых=1.5В

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

2. Анализ технического задания

Рассчитываемый усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций типа общий эмиттер-общая база с использованием коррекции эмиттерной противосвязью, которая дополнительно стабилизирует коэффициент усиления каскада.

Умеренные требования по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной стабилизации. В проекте необходимо предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки, подключаемой через коаксиальный кабель. Т.к сопротивление нагрузки мало, выходной каскад следует выполнить по схеме с общим эмиттером на достаточно мощном транзисторе, а предоконечный каскад- на интегральной схеме, имеющей малое выходное сопротивление (типа К265УВ7). Входное сопротивление усилителя не оговорено, а сопротивление генератора мало, что позволяет не выделять входной каскад, полагая вносимые им искажения такими же, как и у промежуточных каскадов.

3. Расчет числа каскадов(усилительных секций),выбор типов ИС и транзисторов

Найдем расчетный коэффициент усиления:

где KЗ=1.5, -коэффициент запаса усиления;

,

-коэффициент, учитывающий потери усиления входной цепи усилителя; KС=1, -коэффициент согласования по выходу;

RВХ=1.5кОм -входное сопротивление усилителя.

Определим требуемое число активных каскадов:

Km=40 -максимально возможное усиление одно-двухтранзисторных ИС. Положим число активных каскадов N=3.

Коэффициент усиления каждого каскада:



Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

=1.079дБ

Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

=1.1дБ

Нестабильность усиления в каждом каскаде:

Ki=K / N=3.33%

Верхняя граничная частота одного некорректированного каскада:

=49.35 МГц

Так как граничная частота усилителя достаточно высока, можно использовать усилительные секции общий эмиттер-общая база с коррекцией эмиттерной противосвязью.

Из графика (см. [1], cтр.15, рис.2) по заданной кривой (1) находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией:

=4.223; K'=0.84

По графику (см.[2], стр.15, рис.1) определим выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах:

=0.9 -глубина коррекции;

MВi=1.08дБ; 'K=2.2

Окончательно выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

=2;

Необходимая верхняя граничная частота корректированного каскада:

=24.67 МГц

Необходимая площадь усиления каждого каскада:

МГц

Для сравнения определим требования к усилительным каскадам при N=2

=1.12дБ; =1.15дБ

Ki=K / N=5.0%; =39.65 МГц

=1.372; K'=0.22

KK=0.9; 'K=2.17; =1.2;

=33.04 МГц; МГц

Как видно, при использовании двухкаскадного усилителя на каждый из каскадов накладываются довольно жесткие требования по площади и коэффициенту усиления, которые будет тяжело обеспечить, особенно в выходном каскаде. В итоге остановимся на варианте с тремя активными каскадами, т.к требуемые в этом случае коэффициенты и площади усиления каждого каскада могут быть обеспечены с помощью двухкаскадной усилительной секции общий эмитер-коллекторный повторитель, реализованной, например, в интегральной микросхеме К265УВ7.

Выходной каскад построим по схеме с общим эмиттером на дискретном транзисторе с коррекцией эмиттерной противосвязью и с гальванической связью с предыдущим каскадом. Применение гальванических связей между каскадами позволяет сократить общее число конденсаторов, снизить их суммарную емкость, уменьшает тем самым габариты и вес усилителя, его стоимость, повышает надежность.

4. Расчет выходного каскада

Рис.1 Принципиальная схема выходного каскада.

Согласование с внешней нагрузкой обеспечивается выбором коллекторного сопротивления

RК=R1==RНД=75 Ом; тогда RН=/2=37.5 Ом

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока:

IK=А

Постоянная составляющая коллекторного тока:

IK=(1.52)IK=1.50.04=0.06A

Определим напряжение питания. Для этого положим:

IK=0.1IK=6 мА; -допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности характеристик.

UОСТ=12В - остаточное напряжение на коллекторе.

UЭ=UНС-UБЭ=6.07-0.7=5.37В;

-напряжение на эмиттере транзистора.

UНС- постоянная составляющая на выходе ИС К265УВ7.

EK(IK+IK)RK+UВЫХ+UЭ+UОСТ=(0.06+0.006)75+1.5+5.37+2=13.82

Полученное значение округляем до большего типового значения EK=15В. Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

UКЭ=EK -UЭ -IKRK=15-5.37-0.0675=5.13В

Необходимое сопротивление постоянному току в эмиттере:

RЭ=R4=UЭ/IK=5.37/0.06=90 Oм

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

где UКдоп -максимальное напряжение на коллекторе транзистора

IКдоп -максимальный коллекторный ток транзистора

PКдоп -максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям- КТ610А.

Табл.1 Справочные данные транзистора КТ610А.

min=50	СЭ=18пФ	rК=50кОм	IKmax=300mA
max=300	СК=3.5пФ	r=0.2	Pmax=1.5Вт
fT=1 ГГц	IК0=500мкА	IКИ=0.15А	=2.0
ОС=75псек	UKmax=20В	UКИ=10В

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

Параметры элементов схемы замещения транзистора:

Граничная частота транзистора:

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Сопротивление обратной связи:

R5=

Для каскада с ОЭ площадь усиления оценивается по формуле:

где RГ -выходное сопротивление микросхемы К265УВ7 в типовом режиме.

Как видно из результата, данный каскад обеспечивает заданную площадь усиления Пi=233.62 МГц.

Расчет нестабильности режима.

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Приращение напряжения база-эмиттер:

Приращение неуправляемого тока коллектора:

Приращение коллекторного тока:

где Rвх=rб'б+rб'э=119 Ом

Нестабильность коэффициента усиления каскада:

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

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:



Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

C9=

Так как связь с предыдущим каскадом- гальваническая, в каскаде две емкости- разделительная на входе и блокировочная в эмиттере.

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

где

Разделительная емкость выходного каскада:

C4=

где Rэн=2Rнд=150 Ом, т.к каскад нагружен на согласованную нагрузку.

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

Эвых=0.4Рвых=0.0134с

C10=;

Построим нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току:

R==RK+RЭ=75+90=165 Ом;

; U'K=IКрR~=0.0637.5=2.25 В;

UКр=5.13 В; IКр=0.06 А;



Рис.2 Нагрузочная характеристика.

усилитель транзистор частотный

5. Расчет промежуточного и входного каскадов, выполненных на ИС К265УВ7

Рис.3 Принципиальная схема промежуточного каскада.

Номиналы навесных элементов приведены в приложении 1.

Расчет режима транзисторов.

Между выводами 11 и 13 микросхемы включим дополнительный резистор Rд=160 Ом,(см. Рис.3) уменьшающий эмиттерное сопротивление первого транзистора до величины:



Рассчитаем коллекторные токи:

где EK=12.6 -напряжение питания К265УВ7

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

UЭ1=IK1RЭ0=0.63 В

UЭ2=IK2R8=2.33 В

UK2=E-R7(IK1+IK2)=6.07 В

UK1= UK2-IK1R4=2.9 В

Для падений напряжений на транзисторах:

UКЭ1=UK1-UЭ1=2.9-0.63=2.33 В

UКЭ2=UK2-UЭ2=6.07-2.33=3.74 В

Определение параметров транзисторов:

В микросхеме использованы транзисторы КТ307Б, имеющие следующие справочные параметры:

Табл.2 Справочные параметры транзистора КТ307Б.

min=40	СЭ=4,5пФ	rК=300кОм	IKmax=20мA
max=160	СК=4,7пФ	r=0	Pmax=15мВт
FT=250 МГц	IК0=0,5мкА	IКИ=0.005А	=1,5
ОС=500псек	UKmax=10В	UКИ=2В

Т.к IK1=IK2, то пересчет fТ можно не проводить:

а т.к данная ИС не имеет вывода непосредственно с эмиттера первого транзистора, местную частотно-независимую обратную связь учтем пересчетом:

rб'к=2rK=600 кОМ

fT=2fТспр=500 МГц

Основные показатели каскада:

Входные сопротивления первого и второго транзисторов:

Rвх.т1=rб'б+r*б'э=160+2740=2900 Ом

Rвх.т2= rб'б+rб'э=160+444=600 Ом

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

RН=R7=590 Ом

Выходное сопротивление секции:

Коэффициент усиления при работе без дополнительной обратной связи:

Постоянные времени каждого из транзисторов:

для входного каскада:

Г=Rист||Rб=168 Ом

Rб=R1||R2=1070 Ом

для промежуточного каскада:

где: RГ=16 Ом- выходное сопротивление ИС.

Эквивалентная постоянная времени секции, соответствующая ей граничная частота и площадь усиления:

для входного каскада:

; П=KifВi=9.4749.5106=468.76 МГц

для промежуточного каскада:

; П=KifВi=9.4769.38106=657 МГц

Входное сопротивление усилительной секции:



Расчет блокировочных и разделительных емкостей:

Все конденсаторы рассчитываются по формуле:

;

Емкость разделительного конденсатора входного каскада:

где Р1=1 - весовой коэффициент для разделительных конденсаторов. Э1=Э2=0.4 -весовой коэффициент для блокировочных конденсаторов.

С1==20мкФ;

Емкость разделительного конденсатора промежуточного каскада:

С2==30мкФ;

Емкости блокировочных конденсаторов входного каскада:

Э1=Э2=0.4Р1=0.41.7610-2=7.0410-3с

;

;

Емкости блокировочных конденсаторов промежуточного каскада:

Э1=Э2=0.4Р1=0.41.7610-2=7.0410-3с

Rэн.пр2=Rэн.вх2=16 Ом

;

CЭ2пр=CЭ2вх=4.410-4Ф

Таким образом, емкости блокировочных конденсаторов для входного и промежуточного каскадов получились примерно одинаковыми.

Окончательно принимаем:

CЭ2=С6=450мкФ; CЭ1=С5=50мкФ.

6. Машинный расчет усилителя

В результате машинного анализа получили значения коэффициентов частотных искажений на верхних и нижних частотах:

MВ=0.649 дБ

MН=1.006 дБ

Оба значения удовлетворяют требованиям по уровню частотных искажений, заданным в техническом задании.

7. Заключение о соответствии параметров спроектированного усилителя требованиям ТЗ

Рассчитанный усилитель удовлетворяет исходным данным и имеет коэффициенты частотных искажений не более допустимых в области верхних и нижних частот. Значение термонестабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур находится в пределах нормы, согласно требованию технического задания осуществлено согласование выходного сопротивления усилителя с активной нагрузкой RНД=75 Ом,(коаксиальным кабелем).

8. Графики АЧХ

входной каскад

Список используемой литературы

1. 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.

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

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

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

5. Юзов В.И. -"Усилительные устройства".Учебное пособие, г.Красноярск, КПИ, 1982г.

Приложение 1

Обознач.	Наименование	Кол.	Примеч.
	Конденсаторы:
C1	К-50-6-15-20.020%	1
C2	К-53-7-15-33.020%	1
C4	К-50-15-16-220.020%	1
C5,C7	К-50-6-15-50.020%	2
C6,C8	К-50-15-16-470.020%	2
C9	КЛС-1-35-3020%	1
C10	К-53-1-15-0.1520%	1
C3,C11	К-53-1а-20-0.04720%	2
	Микросхемы:
DA1,DA2,	К265УВ7	3
	Резисторы:
R1	МЛТ-0.5-10010%	1
R2,R3	МЛТ-0.5-16010%	2
R4	МЛТ-0.5-9010%	1
R5	МЛТ-0.5-310%	1
	Транзисторы:
VT1	КТ610А	1

Размещено на Allbest.ru