Широкополосный усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru

ГОУ ВПО

«СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ханты-Мансийского автономного округа - Югры»

Задание

на курсовое проектирование по дисциплине

«Основы схемотехники»

Тема проекта: Широкополосный усилитель

Выполнил: студент группы 1202,

Налимов А.А.

Проверил: преподаватель,

Шошин Е. Л.

Сургут, 2012



Оглавление

Введение

Исходные данные

1. Расчет структурной схемы усилителя

1.1 Задачи проектирования

1.2 Определение числа каскадов

1.3 Распределение искажений по каскадам

2. Расчет усилительных каскадов

2.1 Оконченный каскад

2.1.1 Выбор транзистора

2.1.2 Расчет требуемого режима работы транзистора

2.1.3 Расчет цепей питания и термостабилизации

2.1.4 Выходные динамические характеристики

2.1.5 Расчет эквивалентных параметров транзистора

2.1.6 Расчет характеристик оконечного каскада в области верхних частот

2.1.7 Оценка нелинейных искажений

2.2 Промежуточный каскад

2.2.1 Выбор транзистора

2.2.2 Расчет цепей питания и термостабилизации

2.3 Входной каскад

2.3.1 Выбор транзистора

2.3.2 Расчет цепей питания и термостабилизации

3. Расчет промежуточного усилительного каскада с общим коллектором

4. Расчет каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией

4.1 Входной каскад

5. Расчет каскада с эмиттерной коррекцией

5.1 Оконечный каскад

6. Построение АЧХ сквозного коэффициента усиления

7. Принципиальная схема усилителя

Заключение

Список используемой литературы



Введение

транзистор каскад усилитель

Расчет широкополосных усилительных каскадов требует обоснованного применения того или иного схемного решения, обеспечивающего достижения требуемой полосы пропускания при заданных значениях частотных искажений. Во многих практических случаях проектирование широкополосного усилителя включает в себя реализацию высокочастотной коррекции амплитудо-частотной характеристики. В известной учебной и научной литературе материал, посвященный этой проблеме, не всегда представлен в удобном для проектирования виде. К тому же в теории усилителей нет достаточно обоснованных доказательств преимущества использования того либо иного схемного решения при разработке конкретного усилительного устройства. В данном пособии собраны наиболее известные и эффективные схемные решения построения широкополосных усилительных устройств на биполярных транзисторах, а соотношения для расчета коэффициента усиления, полосы пропускания и значений элементов высокочастотной коррекции даны без выводов. Ссылки на литературу позволяют найти, при необходимости, доказательства справедливости приведенных соотношений. Поскольку, как правило, широкополосные усилители работают в стандартном 50 либо 75-омном тракте, соотношения для расчета даны исходя из условий, что оконечные каскады усилителей работают на чисто резистивную нагрузку, а входные каскады усилителей работают от чисто резистивного сопротивления генератора.



Исходные данные

Вар
11	1,9	100	22	75	80	85	2	-20	35	0,1



1. Расчет структурной схемы усилителя

1.1 Задачи проектирования

При проектировании усилительных устройств решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям технического задания (ТЗ), с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов. В ТЗ на проектирование широкополосных усилителей (ШУ) обычно задают коэффициент усиления по напряжению , верхнюю и нижнюю граничные частоты и при заданных коэффициентах частотных искажений и , нагрузку , амплитуду выходного сигнала , уровень нелинейных искажений; требования к стабильности характеристик в диапазоне температур и т.д.

В настоящее время широкое развитие получают методы проектирования электронных схем с помощью программ сквозного автоматизированного проектирования. Однако первый этап проектирования включает в себя анализ работы усилительных схем на основе приближенных эквивалентных схем, позволяющий получить простые и наглядные соотношения для параметрического синтеза устройств. Уточненный анализ и подгонку значений элементов спроектированных таким образом устройств можно выполнить затем при помощи компьютерного моделирования работы проектируемого устройства программами Micro Cap, Orcad, Microwave Office и др.

Эскизный расчет ШУ состоит в выборе типа усилительного элемента, определения числа каскадов, распределения по каскадам частотных искажений так, чтобы суммарная величина их не превосходила заданную. Обычно частотные искажения по каскадам распределяют равномерно. Иногда целесообразно распределить искажения неравномерно по каскадам, что позволяет ослабить требования к одному из них, чаще всего к оконечному.

1.2 Определение числа каскадов

Рис. 1.1. Структурная схема усилителя

Для многокаскадного усилителя:

где

_ коэффициент усиления, дБ;

_ коэффициент усиления i-го каскада, дБ, i=1… n;

- число каскадов усилителя.

С учетом влияния входной цепи на передачу усиливаемого сигнала сквозной коэффициент усиления определится как (возьмем ):

где

_ э. д. с. источника сигнала;

_ внутреннее сопротивление источника сигнала;

_ входное сопротивление усилителя.

Переведем полученный коэффициент в дБ:

Для высокочастотных ШУ, работающих в стандартном 50 или 75-омном тракте, ориентировочно число усилительных каскадов можно определить, полагая все каскады одинаковыми, например, с , т.е.:

Распределим коэффициент усиления между каскадами следующим образом:

1.3 Распределение искажений по каскадам

Для n-каскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:

где _ результирующий коэффициент частотных искажений усилителя в области ВЧ;

_ коэффициент частотных искажений - го каскада.

Суммирование в формуле производится раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной , и . Распределять искажения можно равномерно, при этом:



Иногда на входную цепь распределяют на 50 % меньше искажений, а на выходной каскад на 50% больше, чем на промежуточные каскады.

Коэффициент частотных искажений в области нижних частот определяется следующим соотношением:

где _ результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ;

_ искажения, приходящиеся на i-й каскад;

- количество элементов, вносящих искажения на НЧ.

Количество элементов (разделительных и блокировочных конденсаторов) становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы усилителя, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из предыдущей формулы следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля на каждый из элементов определится из соотношения:



На практике, с целью выравнивания номиналов конденсаторов, на разделительные конденсаторы распределяют больше искажений, чем на блокировочные. В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов, необходимо обеспечить запас по основным характеристикам в 1,2 - 1,5 раза.



2. Расчет усилительных каскадов

2.1 Оконченный каскад

Принципиальная схема оконечного некорректированного усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 2.1, где - разделительные конденсаторы, - резисторы базового делителя, - резистор термостабилизации, - блокировочный конденсатор, - сопротивление в цепи коллектора, - сопротивление нагрузки.

Рис. 2.1. Структурная схема усилителя

2.1.1. Выбор транзистора

Выбор транзистора для работы в составе широкополосного усилительного оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

Предельно допустимого напряжения коллектор - эмиттер



Предельно допустимого тока коллектора

Тип проводимости транзистора может быть любой. Обычно при и = 50, 75 Ом для использования в выходном каскаде берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней и большой мощности.

К соответствующим параметрам подходит транзистор КТ934А.

2.1.2 Расчет требуемого режима работы транзистора

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ определяется как:

где - начальное напряжение нелинейного участка семейства выходных ВАХ транзистора,

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ определяется как:

- объёмное сопротивление базы;

_ для планарных кремниевых транзисторов;

_ для остальных транзисторов.

В справочной литературе значения и часто приводятся измеренными при отличном от требуемого значения напряжения коллектор-эмиттер , поэтому при расчетах значение следует пересчитать по формуле:

Полученное в результате расчета значение должно удовлетворять условиям:

1)

где - допустимый ток коллектора;

2),

3)

где - мощность, рассеиваемая на коллекторе в точке покоя;

- допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе;

Определяем максимальное значение температуры коллектор-ного перехода при работе транзистора:

где максимальное значение температуры окружающей среды;

тепловое сопротивление переход-среда.

В нормальном тепловом режиме работы транзистора должно выполняться условие:

где допустимая температура коллекторного перехода, приво-димая в справочных данных на транзистор.

Определяем сопротивление коллекторной цепи транзистора:

где

2.1.3 Расчет цепей питания и термостабилизации

Задаёмся падением напряжения на сопротивлении цепи эмиттера транзистора . Требуемое значение напряжения источника питания для нормальной работы рассматриваемого усилительного каскада составляет:

Напряжение источника питания должно соответствовать рекомендованному ряду значений:

Результат расчета соответствует значению из рекомендованного ряда.

Величина сопротивления резистора в цепи эмиттера:

где

Эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора постоянному току:

Наиболее широкое распространение получила схема эммитерной термостабилизации (рис. 2.1). Проведем расчет этой схемы. Зададимся током делителя, образованного резисторами и :

где - ток базы в рабочей точке,

Определим потенциал на базе транзистора относительно общего провода:

где - напряжение на базо-эмиттерном переходе в точке покоя; для кремниевых транзисторов .

Определим номиналы резисторов и :

Коллекторный ток транзисторного усилительного каскада изменяется на величину:

где температурные коэффициенты и для схемы эмиттерной термостабилизации равны:

Температурное приращение база-эмиттерного напряжения определяется как:

где - температурный коэффициент напряжения для кремниевых транзисторов.

Температурное приращение коллекторного тока , обусловленное изменениями обратного тока база-коллекторного перехода и коэффициента передачи тока базы , определяется соотношением:

Изменением обратного тока коллекторного перехода для кремниевых транзисторов можно пренебречь ввиду его малости , а изменение коэффициента передачи тока базы равно:

где

Правильно рассчитанная схема термостабилизации должна удовлетворять условию:



где - величина, определяемая требованиями к термостабилизации,

2.1.4 Выходные динамические характеристики

Из-за отсутствия статических ВАХ выбранного транзистора, я не смог произвести расчет динамических характеристик

2.1.5 Расчет эквивалентных параметров транзистора

Приведенные ниже соотношения для расчета усилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора, приведенной на рис. 2.1.5.1, либо на использовании его однонаправленной модели, приведенной на рис. 2.1.5.2.

Рис. 2.1.5.1 Эквивалентная схема Джиаколетто

Рис. 2.1.5.2 Однонаправленная модель

Значения элементов схемы Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим формулам:

- для бездрейфового биполярного транзистора;

- для дрейфового биполярного транзистора;

где - емкость коллекторного перехода;

- постоянная времени цепи обратной связи;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эммитером;

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общей базой;

- ток эмиттера в рабочей точке в миллиамперах;

- для планарных кремниевых транзисторов;

- для остальных транзисторов.

Поскольку и оказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, в расчетах они обычно не учитываются.

Значения элементов схемы замещения, приведенной на рис. 2.1.5.2, могут быть рассчитаны по следующим формулам:

где - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер;

- максимально допустимый постоянный ток коллектора.

2.1.6 Расчет характеристик оконечного каскада в области верхних частот

На рис. 6 приведена эквивалентная схема усилительного каскада по переменному току.

Рис. 2.1.6. Эквивалентная схема на переменном токе

Комплексный коэффициент передачи каскада в области ВЧ можно описать выражением:

где

При заданном уровне частотных искажений , верхняя граничная частота полосы пропускания каскада равна:

Усилительный каскад с ОЭ обладает значительным коэффициентом усиления по току, который в полосе пропускания равен:

Комплексное входное сопротивление каскада с ОЭ носит емкостной характер и может быть представлено параллельной цепью:

где

Комплексное выходное сопротивление каскада с ОЭ носит емкостной характер и может быть представлено параллельной цепью:

2.1.7 Оценка нелинейных искажений

Суммарный коэффициент гармоник равен:

Коэффициенты гармоник и определяются из следующих соотношений:

где - входное напряжение сигнала;

- температурный потенциал;

- фактор связи (петлевое усиление), рассчитывается по формуле:

2.2 Промежуточный каскад

Принципиальная схема промежуточного каскада, нагруженного на оконечный каскад усиления, приведена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Схема широкополосного усилителя из промежуточного и оконечного каскадов с ОЭ.

2.2.1 Выбор транзистора

При выборе транзисторов для их использования в промежуточных каскадах усиления, следует учитывать то обстоятельство, что уровень формируемыми транзисторами переменных сигналов меньше уровня выходного сигнала следующего каскада в раз (, и как показывает расчет, в большинстве случаев, требуемые предельные значения и оказываются значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, что указывает на малосигнальный режим работы каскада. В этом случае основным критерием выбора транзистора являются и тип проводимости. При малосигнальном режиме следует ориентироваться на тот режим транзистора, при котором приводятся его основные справочные данные (обычно для ВЧ и СВЧ транзисторов малой и средней мощности и . Нагрузкой промежуточных каскадов являются входное сопротивление и входная динамическая ёмкость следующего каскада.

К соответствующим параметрам подходит транзистор КТ355А.

2.2.2 Расчет цепей питания и термостабилизации

Обычно напряжение источника питания для промежуточных каскадов получается меньше, чем для оконечного каскада. Чтобы запитать все каскады усилителя от одного источника питания, промежуточные каскады следует подключить к источнику питания оконечного каскада через фильтрующую цепь , одновременно служащей для устранения паразитной обратной связи через источник питания. В нашем случае , поэтому вводить фильтрующие цепи мы не станем.

Требуемое значение номинала сопротивления коллекторной цепи можно определить через значение эквивалентного сопротивления :

где ,

Задаёмся падением напряжения на сопротивлении цепи эмиттера транзистора . Требуемое значение напряжения источника питания для нормальной работы рассматриваемого усилительного каскада составляет:

Величина сопротивления резистора в цепи эмиттера:

где

Эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора постоянному току:

Зададимся током делителя, образованного резисторами и :

где - ток базы в рабочей точке,

Определим потенциал на базе транзистора относительно общего провода:

где - напряжение на базо-эмиттерном переходе в точке покоя; для кремниевых транзисторов .

Определим номиналы резисторов и :

Коллекторный ток транзисторного усилительного каскада изменяется на величину:

где температурные коэффициенты и для схемы эмиттерной термостабилизации равны:

Температурное приращение база-эмиттерного напряжения определяется как:

где - температурный коэффициент напряжения для кремниевых транзисторов.

Температурное приращение коллекторного тока определяется соотношением:

Изменением обратного тока коллекторного перехода для кремниевых транзисторов можно пренебречь ввиду его малости , а изменение коэффициента передачи тока базы равно:

где

Правильно рассчитанная схема термостабилизации должна удовлетворять условию:



где - величина, определяемая требованиями к термостабилизации,

2.3 Входной каскад

Принципиальная схема входного каскада приведена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Схема входной цепи и входного каскада усилителя

2.3.1 Выбор транзистора

При выборе транзисторы для его использования как входного каскада можно остановиться на маломощном элементе.

Таковым является транзистор КТ325А.

2.3.2 Расчет цепей питания и термостабилизации

Обычно напряжение источника питания для промежуточных каскадов получается меньше, чем для оконечного каскада. Чтобы запитать все каскады усилителя от одного источника питания, промежуточные каскады следует подключить к источнику питания оконечного каскада через фильтрующую цепь , одновременно служащей для устранения паразитной обратной связи через источник питания. В нашем случае , поэтому вводить фильтрующие цепи мы не станем.

Требуемое значение номинала сопротивления коллекторной цепи можно определить через значение эквивалентного сопротивления :



3. Расчет промежуточного усилительного каскада с общим коллектором

Рис. 3. Схема усилительного каскада с общим коллектором

Комплексный коэффициент усиления каскада в области верх-них частот описывается выражением:

соответственно - входное сопротивление и входная емкость нагружающего усилительного каскада.

При заданном уровне частотных искажений , верхняя граничная частота полосы пропускания каскада равна:

Комплексное входное сопротивление каскада с ОК носит емкостной характер и может быть представлено параллельной цепью:

где

Коэффициент передачи по току эмиттерного повторителя в полосе пропускания равен:



4. Расчет каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией

4.1 Входной каскад

Принципиальная схема каскада с высокочастотной индуктив-ной коррекцией приведена на рис. 4.1, а, эквивалентная схема на переменном токе - на рис. 4.1,6.

Рис. 4.1. Схема усилительного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией

Коэффициент усиления каскада в области верхних частот при оптимальном значении равном:

описывается выражением:

При заданном уровне частотных искажений верхняя граничная частота полосы про-пускания каскада равна:

где



5. Расчет каскада с эмиттерной коррекцией

5.1 Оконечный каскад

Принципиальная схема каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 5.1, а, эквивалентная схема на переменном токе - на рис. 5.1, б, где - элементы коррекции. При отсутствии ре-активности нагрузки эмиттерная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ, вносимых транзистором, увеличивая амплитуду сигнала на переходе база - эмиттер с ростом частоты усиливаемого сигнала.

Рис. 5.1. Схема усилительного каскада с эмиттерной коррекцией

Коэффициент передачи каскада в области верхних частот при выборе элементов коррекции и , соответствующих оптималь-ной по Брауде форме АЧХ, описывается выражением:



где

При заданном значении значение определяется выражением:



Зная известные и , найдем:

гд

Комплексное входное сопротивление каскада с эммиттерной коррекцией может быть представлено параллельной RC-цепью:

где



6. Построение АЧХ сквозного коэффициента усиления

В процессе расчета входной цепи и отдельных каскадов усилителя после выбора типов и номиналов элементов следует уточнить достигаемые значения коэффициента усиления, нижней и верхней граничных частот полосы пропускания.

Результирующее значение сквозного коэффициента передачи определяется соотношением:

где - достигнутые в ходе расчётов значения коэффициентов передачи входной цепи, входного каскада, предоконечного каскада и оконечного каскада соответственно.

Амплитудно-частотная характеристика сквозного коэффициента передачи определяется выражением:

где:

где

- коэффициенты частотных искажений (входной цепи, входного каскада, предоконечного каскада и оконечного каскада) в области нижних и верхних частот

Рис. 6.1. АЧХ в области НЧ

Рис. 6.2. АЧХ в области ВЧ



7. Принципиальная схема усилителя

Рис. 7. Принципиальная схема усилителя

Номиналы:

Катушки индуктивности:

Конденсаторы:

Резисторы:



Полупроводниковые транзисторы:

Источник ЭДС:



Заключение

Получившийся широкополосный усилитель теперь при желании можно попытаться смоделировать на компьютере или реализовать для будущего применения в промышленности. Его характеристики довольно неплохи для использования в «деле».

В заключение хотелось бы отметить интересность проделанной курсовой работы. Опыт, полученный во время анализа и расчетов параметров усилителя, останется на долгое время.



Список используемой литературы

Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978.

Титов А.А., Бабак Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 2000. - Вып. 1.

Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4 томах. - М.: КУбК-а, 1997.

Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. /Радиотехника. - 1979. - № 6.

Бабак Л.И., Дергунов С.А. Расчет цепей коррекции сверхширокополосных транзисторных усилителей мощности СВЧ // Сб. «Радиотехнические методы и средства измерений» - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1985.

Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника. - 1987. - №1.

www.tranzistor.biz

Размещено на www.allbest.ru