Расчет оконечного каскада широкополосного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации

Контрольная работа

по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Расчет оконечного каскада широкополосного усилителя

Выполнил: Луговой А.В.

Проверил: Л.И. Шарыгина

2012

Содержание

1. Задача №1

2. Принципиальная схема каскада

3. Выбор транзистора и положения рабочей точки

4. Построение нагрузочных прямых постоянного и переменного тока

5. Определение коэффициент усиления каскада

6. Определение искажений входной и выходной цепей на верхних частотах

7. Сквозная динамическая характеристика каскада

8. Расчет температурного ухода коллекторного тока

9. Распределение искажений нижних частот

10. Расчет переходной характеристики в области малых времен

11. Задача №2

Список используемой литературы

1. Задача №1

Таблица 1 Варианты исходных данных для расчета оконечного каскада импульсного усилителя

№	Ампл. выход.напр. Uвых, В	Нагрузка	Искажения импульсов	Сопр. источ. Ri, Ом	Скважн.импульсов, Q	Полярность вход/выход и длительн. в мкс
		Rн, Ом	Сн, пФ	, Нс	спад Д, %
1	3	100	50	25	5	100	2	+/- 100

2. Принципиальная схема каскада

Принципиальная схема каскада показана на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Принципиальная схема оконечного каскада импульсного усилителя.

Назначение элементов : Ср1- разделительная емкость, осуществляет развязку по постоянному току базовой цепи транзистора с источником сигнала.

Rб1, Rб2 - резисторы базового делителя, задающие режим работы транзистора по постоянному току.

Rк - сопротивление коллекторной цепи, обеспечивающее заданный ток коллектора.

VT - транзистор, активный элемент усилителя.

Rос - сопротивление обратной связи, служит для задания и стабилизации положения рабочей точки.

Rэ - сопротивление эмиттерной цепи, служит для задания рабочей точки.

Сэ - емкость, шунтирующая Rэ, увеличивает коэффициент усиления в области ВЧ.

Ср2- разделительная емкость, осуществляет развязку по постоянному току коллекторной цепи транзистора с нагрузкой.

Е - источник питания.

3. Выбор транзистора и положения рабочей точки

Выбор типа транзистора осуществляется по трем основным параметрам: граничной частоте (), максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер () и максимально допустимому току коллектора ().

Для граничной частоты транзистора должно выполняться условие:

,

где - заданное время установления усилителя.

Гц

Для максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер транзистора должно выполняться условие:

,

где - коэффициент запаса; - амплитуда импульса напряжения на нагрузке; - минимальное напряжение коллектор-эмиттер.

Выберем и =2В, тогда:

Для выбора транзистора по максимально допустимому току коллектора необходимо определить величину импульса тока коллектора. Предварительно выбираем величину сопротивления вцепи коллектора из условия , кОм.

Ток покоя (коллекторный ток в рабочей точке при отсутствии сигнала) для маломощных каскадов выбирается в пределах мА

A= 52 mA

Необходимый импульс коллекторного тока:

при <10.

Этим требованиям отвечает транзистор КТ610А структуры n-p-n. Данный транзистор имеет необходимый запас по току и напряжению и большой запас по граничной частоте. Перечень основных параметров транзистора приведен в таблице 2.

транзистор биполярный каскад усилитель

Таблица 1. Основные электрические параметры транзистора КТ315А

Наим.	Обозначение	При значении	Значения
	Емкость коллекторного перехода		2ч4,1 пФ
	Емкость эмиттерного перехода		21 пФ
	Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ		50ч300
	Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ		1000 МГц
	Постоянная времени цепи обратной связи на ВЧ		21ч55 пс
	Постоянный ток коллектора		300 мА
	Температура перехода		150 °С
	Постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Т=-45ч+50 °С Т=+85 °С	1,5 Вт 1 Вт
	Постоянное напряжение коллектор - база		26 В
	Постоянное напряжение коллектор - эмиттер		26 В
	Температура окружающей среды		25оС
	Обратный ток коллектор-эмиттер		0,5 мА 1,5 мА

Значения g - параметров транзистора измерены при и

4. Построение нагрузочных прямых постоянного и переменного тока

Вначале нанесем гиперболу рассеиваемой мощности на семейство выходных характеристик транзистора (рис. 2). Расчетные точки помещены в таблицу.

.

Таблица

UКЭ, В	2	4	6	8	10	12	15
IК, мА	750	37.5	25	18.75	15	12.5	10

Ток коллектора в рабочей точке () должен удовлетворять условию

.

где  

Кроме того, с позиции обеспечения стабильности режима работы транзистора его ток покоя не должен быть меньше 1...5 мА

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке :

Выбираем ток коллектора в рабочей точке мА, напряжение коллектор-эмиттер .На семействе выходных статических характеристик транзистора, рис. 2, через точки с координатами А=(,) и В=(,) проводим нагрузочную прямую по переменному току.

Рис. 2

Координаты рабочей точки А:

мА = 5В,

мкА

Нагрузочная прямая лежит ниже гиперболы максимальной рассеиваемой мощности.

По нагрузочной прямой по переменному току уточняем :

Ом

Уточняем :

Oм

Выбираем стандартное значение - 330 Ом

Определяем напряжение питания каскада:

,

где - коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопротивлении обратной связи . Выбираем и определим :

Выбираем стандартное значение - 15В

Величина сопротивления :

Ом.

Выбираем стандартное значение - 270Ом

Нагрузочная прямая по постоянному току определяется уравнением

и проходит через точки

мА

В

Выберем ток базового делителя из условия:

мА

Используя семейство входных статических ВАХ транзистора, находим напряжение база-эмиттер в рабочей точке (рис. 3).

Рис. 3. Входные статические ВАХ транзистора

В

Ннайдем сопротивления резисторов делителя:

Ом

Ом

Выбираем стандартные значения:

кОмкОм

5. Определение коэффициента усиления каскада

Построим динамические характеристики каскада, используя рисунки 2 и 3.

Таблица 3

	50	100	150	200	250
	8	16.5	23	30	34
	0,67	0,75	0,8	0,83	0,93
	0,68	0,77	0,83	0,87	0.98
	10	7.2	5.3	3.3	2



Рис.3. Динамическая характеристика каскада

Аналитически:

Коэффициент передачи тока

Входное сопротивление:

Ом

Крутизна коллекторного тока:

А/В

Коэффициент усиления :

Коэффициент передачи входной цепи на средних частотах:

Сквозной коэффициент усиления каскада :

.

6. Определение искажений входной и выходной цепей на верхних частотах

Емкость перехода база-коллектор

пФ

Постоянная времени транзистора:

нс

Постоянная времени выходной и входной цепи:

,

пФ

нс

Время нарастания фронта импульса

нс

нс

«суммарное» время нарастания

нс

7. Сквозная динамическая характеристика каскада и коэффициент гармоник

Сквозная динамическая характеристика строится по данным таблицы 3.

Рис.4 Сквозная динамическая характеристика

Амплитуды гармоник:

Коэффициент гармоник

8. Расчет температурного ухода коллекторного тока

Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора:

,

где - абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; - абсолютное изменение напряжения база-эмиттер при изменении температуры перехода на величину ; - абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; , - коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора; - общее сопротивление в цепи базы; и - g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре;- максимальная температура перехода.

Средняя мощность при усилении импульсного сигнала:



Вт

Максимальная температура перехода транзистора:

град

Минимальная температура перехода:

град

Величину определяем по типовой нормированной зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры, приведенной на рис.5, где - обратный ток коллектора при температуре перехода ; - обратный ток коллектора при комнатной температуре (обычно указывается в справочнике); зависимость 1 соответствует кремниевым транзисторам малой мощности (); зависимость 2 соответствует кремниевым транзисторам средней мощности .



Рис.5. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры

Для , значит мкА.

Для , значит мкА

мкА

Ом

Параметры и , усредненные за время действия импульса, найдем используя справочные параметры и :

мСм

А/В

Относительная нестабильность не превышает величину 0.25, значит рабочая точка и элементы стабилизации её положения выбраны верно.

9. Распределение искажений нижних частот

Величина разделительной емкости:

где - сопротивления слева и справа от соответствующей разделительной емкости.

Дляэто и входное сопротивление каскада с учетом делителя в цепи базы. Дляэто и параллельное включение выходного сопротивления транзистора () и .

Ом

Ф=мкФ

принимаем 20мкФ

Ф=8.4мкФ

принимаем 10 мкФ

10. Расчет переходной характеристики в области малых времен

Нормированная переходная характеристика в области малых времен описывается выражением:

нс

Рис.6. Переходная характеристика

11. Задача №2

Принципиальная схема двухкаскадного усилителя, где оба каскада охвачены последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, приведена на рис.7.

Рис.7. Усилитель с последовательной ООС по напряжению.

Часть выходного напряжения посредством делителя напряжения и подается во входную цепь первого каскада последовательно и в противофазе с входным сигналом. Кроме этой глубокой обратной связи, охватывающей два каскада усилителя, в схеме имеются местные обратные связи: первый каскад охвачен последовательной отрицательной обратной связью по току, а во втором каскаде имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению как по переменной, так и по постоянной составляющим через резистор .

U_ос=U_вых(R_э1/ R_э1+R_ос).



Рис. 8. Усилитель с параллельной обратной связью по току.

В схеме усилителя рис. 8 присутствует общая отрицательная обратная связь по току. Ток нагрузки, протекая через сопротивлениесоздает на нем падение напряжения, которое через резистор подается во входную цепь первого каскада параллельно и в противофазе с входным сигналом.

Список использованных источников

1Красько А.С.Аналоговые электронные устройства: Методические указания по курсовому проектированию. - Томск: ТУСУР, 2000.-42с.: ил.

2 Шарапов А.В. Аналоговаясхемотехника: Учебное пособие. - Томск: ТМЦДО, 2003.-128с.

3 Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др., Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

4 “Транзисторы для аппаратуры широкого применения” под редакцией Перельмана Б.Л., М, «Радио и связь» 1982 г.

5 Справочник В.М. Петухов «Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги» Т. 4 - М.:КУбК-а, 1997. - 544с.: ил.

Размещено на Allbest.ru