Линейный усилитель
Линейный усилитель
Введение Аппаратура систем передачи содержит большое число усилителей электрических сигналов. Наиболее сложными являются линейные усилители, которые устанавливаются на промежуточных усилительных пунктах и служат для компенсации затухания прилегающих к усилительному пункту участков линии связи. Параметры линейных усилителей в значительной степени определяют основные качественные показатели системы передачи в целом. Исходными данными для проектирования линейных усилителей служат следующие основные параметры, задаваемые в технических требованиях; рабочий диапазон частот, номинальное усиление, входные и выходные сопротивления, затухание нелинейности, нестабильное усиление и др. Рабочий диапазон частот линейных усилителей определяется линейным спектром системы передачи. Так, в системе передачи К-60П линейный усилитель работает в диапазоне 12-125 кГц, в системе передачи К-120 усилитель в одном направлении работает в диапазоне 60-552 кГц, а в другом - в диапазоне 812-1304 кГц (в задании в учебных целях рассматривается не один, а два усилителя - для каждого направления передачи). Под номинальным усилением усилителя S понимается: то усиление усилителя, которое соответствует затуханию усилительного участка номинальной длины на верхней частоте рабочего диапазона частот усилителя. В линейных усилителях предусмотрена установочная регулировка усиления при отклонении длины усилительного участка от номинального значения. Для этого в цепь общей ООС усилителя включен переменный удлинитель. В технике связи в качестве меры усиления усилителя пользуется значением величины его рабочего усиления. При согласованных сопротивлениях рабочее усиление определяется по формуле: , дБ где напряжение на выходе усилителя; напряжение на входе усилителя. Наличие нелинейных искажений в линейных, усиливающих одновременно сигналы различных каналов, приводит к тому, что паразитные нелинейные продукты могут попадать из одних каналов в другие. Взаимные помехи каналов проявляются в этих случаях в виде шума, мешающего качественной передаче. Количественно оценить нелинейные искажения, можно с помощью коэффициента нелинейных искажений или коэффициента затухания нелинейности а по формуле а= 20 lg , Дб. Примечание. В каскадах предварительного усиления для унификации расчётов используются транзисторы того же типа, что и в оконечном каскаде. Обычно наибольшее значение в усилителях имеют вторые и третьи гармоники основного сигнала, поэтому в линейных усилителях величина затухания нелинейности задается по второй и третьей гармоникам: A2г=20lg 1/K2г, дБ; а3г=20lg 1 /K3u,дБ где К2г и К3г - коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам. Величина нелинейных искажений нормируется обычно при выходной мощности усилителя, равной мощности 1 мВт (при нулевом уровне на выходе); тогда затухание нелинейности по второй гармонике обозначается а, а по третьей а. Весьма существенной является высокая стабильность величины и частотной зависимости усиления усилителя во времени. Как известно, причинами нестабильности во времени характеристик усилителя являются старение транзисторов, их замена, изменение напряжения питания усилителя и температуры окружающей среды. Нестабильность усилителя определяется по формуле =20lg*(1+), дБ. Где - изменение коэффициента усиления, отн. ед.; - коэффициента усиления, отн. ед. Входные и выходные сопротивления линейных усилителей должны быть согласованны с сопротивлениями подключаемых к ним цепей. Степень несогласованности входного сопротивления усилителя и сопротивления источника , а также выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки определяется коэффициентом отражения и = и =. Требования к коэффициенту отражении должны выполняться во всём рабочем диапазоне частот. Собственные помехи усилителя нормируются величиной допустимого уровня собственных помех, приведённых ко входу усилителя Р .Собственные помехи усилителя, как правило, определяются входным каскадом, поэтому входной каскад должен быть малошумящим и иметь возможно большие усиление по мощности. Затухание линии возрастает с повышением частоты и зависит от типа линии и длины участка. Кроме того, затухание участков линии не остаётся постоянным во времени, а изменяется при изменение внешних условий, воздействующих на параметры линии. При этом затухание на разных частотах изменяется различным образом, т.е. изменяется не только его величина, но и форма частотной характеристики затухания. Для подземных кабельных линий изменение внешних условий заключается в изменении температуры почвы. Таким образом, линейный усилитель должен не только компенсировать затухание прилегающего участка линии, но и корректировать вносимые линией амплитудно-частотные искажения. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) содержит: переменный удлинитель, обеспечивающий частотно-независимое ручное регулирование усилителя под длину усилительного участка, так называемое установочное усиление ; частотно-зависимый четырехполюсник с постоянными параметрами, обеспечивающий заданную амплитудно-частотную характеристику, иначе называемый контуром начального наклона (КНН); частотно-зависимый четырехполюсник с переменными параметрами, обеспечивающий плавную регулировку усиления в соответствии с температурными изменениями затухания цепи (контур автоматической регулировки АРУ). Поскольку к качественным показателям линейного усилителя предъявляются высокие требования, это предопределяет использование в их схемах достаточно глубокой общей ООС, которая организуется помощью дифференциальных систем на входе и выходе усилителя (рис. 2). Дифференциальные системы представляют собой шестиполюсники мостового типа, позволяющие реализовывать комбинированную обратную связь. Трансформаторная дифференциальная система содержит дифференциальный (трёх обмоточный) трансформатор и балансное сопротивление, которое является опорным при сбалансировании дифференциальной системы. Так как выход цепи ООС и источника сигнала подключены к различным диагоналям входной дифференциальной системы, а вход цепи ООС и сопротивление нагрузки - к различным диагоналям выходной дифференциальной системы, при изменение глубины ООС входное и выходное сопротивление усилителя практически не будет меняться. Использование глубокой ООС, вводимой с помощью дифференциальных трансформаторов, позволяет помимо всего согласовывать входное и выходное сопротивления усилителя с сопротивлениями внешних цепей. 1. Обоснование выбора структурной схемы усилителя Структурная схема линейного усилителя представлена на рис. В качестве входного и выходного устройства линейного усилителя используются трансформаторные дифференциальные системы. Оконечный каскад (ОК) усилителя обеспечивает заданную мощность сигнала в нагрузке при допустимых, с учетом действия ООС, нелинейных искажений. Достаточная величина тока (напряжения) сигнала, необходимого для управления оконечным каскадом, обеспечивается каскадами предварительного усиления (КПУ). Значения качественных показателей (затухания нелинейности, нестабильность и т.д.). Определяются максимальной глубиной ООС, которая охватывает все каскады усиления. В цепь общей ООС для компенсации затухания усилительного участка и коррекции вносимых линий амплитудно-частотных Искажений включаются: переменный удлинитель (дБ); контур начального наклона (КНН), контур автоматической регулировки (АРУ). Источником сигнала и нагрузки служит линия связи. 2. Ориентировочный расчет числа каскадов усиления Число каскадов усиления определяется из формулы N = ==3; где S без ос - усиление усилителя без обратной связи дБ; S без ос = S + Aос = 40 + 20 =60; где S = 40 дБ; S номинальное усиление усилителя по таблице; Aос - глубина ООС, выбирается в пределах 20-30 дБ; берем значение Aос=20, Sкаск - усиление одного каскада, выбирается в пределах 20-25 дБ. Берем значение Sкаск =20, N=3. Выбираем 3 каскада. 3. Обоснование выбора принципиальной схемы усилителя Принципиальная схема простейшего трехкаскадного линейного усилителя, составленного согласно описанной ранее структурной схеме, приведена на рис. Усилитель состоит из трех каскадов по схеме с ОЭ на транзисторах V1, V2, V3. Ток покоя каждого каскада стабилизируется с помощью эмиттерных схем стабилизации. Между первым и вторым каскадом связь непосредственная, между вторым и третьим - осуществляется через разделительный конденсатор C8. Отсутствие делителя напряжения и разделительного конденсатора на входе второго каскада дает экономию количества элементов схемы и некоторую экономию тока питания, кроме того, отсутствие разделительного конденсатора снижает амплитудно-частотные искажения на низких частотах. Однако использование непосредственной связи имеет недостаток - требуется большее напряжение питания. Так как для второго каскада делителем напряжения служит первый каскад, все колебания режима первого каскада вызывают колебания режима второго. Поэтому в этой схеме важна особенно стабилизация режима первого каскада. Для ослабления паразитной обратной связи между каскадами через общий источник питания цепь питания содержит фильтрующие цепи R6, C3, R1, C5. Входные и выходные устройства усилителя выполнены на дифференциальных трансформаторах Т1, Т2. Резисторы R1, R16 - балансные. В усилителе применена общая ООС, организуемая с помощью входного и выходного устройств. В пассивной части цепи ООС включены контур АРУ, КНН и переменный удлинитель R7, R10, R12. По входу и выходу имеет место комбинированная ООС. Обратная связь осуществляется только по переменному току, поэтому на входе и выходе цепи ООС установлены разделительные конденсаторы C2, C11. Конденсаторы C1, C7, C10 создают, путь высокочастотного обхода пассивной части петли ООС и предотвращает возможность самовозбуждения усилителя за пределами его рабочего диапазона частот. 4. Расчет оконечного каскада Оконечный каскад обеспечивает получение заданной мощности сигнала в нагрузке, при этом он должен вносить допустимые нелинейные искажения. В линейных усилителях аппаратуры систем передачи используются однотактные трансформаторные оконечные каскады с включением транзистора по схеме с ОЭ. Усилительный элемент (транзистор) в таких каскадах работает в режиме А, что позволяет получить сравнительно небольшие нелинейные искажения. Тип транзистора оконечного каскада выбирается по максимальной допустимой рассеиваемой мощности коллектора Рk max и граничной частоте коэффициента передачи тока fгр в схеме с ОЭ. При этом должны выполняться условия: fгр ?(40?100) fв; Рк мах ?(4?5) Рн, где Рн - мощность, отдаваемая в нагрузку. fгр ? 80*552 = 4416 кГц; Рк мах ? 5*45 = 225 мВт. Параметры транзистора ГТ312А |
Структура транзистора | n-p-n | | Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ?гр, МГц | 80 | | Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора P к max, мВт | 225 | | Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ: h21э min | 10 | | h21э max | 10 | | Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - эмиттер Uкэ mах, В | 20 | | Максимально допустимый постоянный ток коллектора I k max, мA | 30 | | Объемное сопротивление базы на высоких частотах rб', Oм | 100 | | |
Из проведенных расчетов выбирается транзистор типа ГТ312А. Определяется рабочая область характеристики транзистора. Для этого на выходных характеристиках транзистора строится характеристика максимально допустимой мощности рассеяния: Iк1 = = = 45 мA Iк2 == 22,5 мA Iк3 == 15 мA Iк4 == 11,25 мA Для построения этой характеристики задается значения Uкэ для транзистора ГТ312А от 5 В до 25 В. На оси напряжений отмечаются эти значения и восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с соответствующим каждому значению Uкэ току Iк. Затем полученные точки соединяются плавной линией, (Рис. 3.) далее проводятся линии, соответствующие Uкэ мах и Uост. Значение Uост определяется графически, для этого опускается на ось напряжений перпендикуляр из точки перегиба верхней вольт - амперной характеристики. Определение рабочей области характеристик транзистора ГТ312А Определяется напряжение покоя транзистора по максимально допустимому напряжению Uкэ мах: Uко ? = = 10,63 ? 11B; Определяется мощность, отдаваемая транзистором с учетом заданного КПД трансформатора ?тр = 0,9: Р'~ = = = 50 мВт; Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора: Рко = = = 138,9 мВт; где ?А - максимальный КПД каскада в режиме А, принимается равным 0,4; ?ос - коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала в цепи обратной связи, принимается равным 0,9; Ток покоя рассчитывается, исходя из мощности рассеяния на коллекторе транзистора: Iко = = = 12,6 мА; На семействе выходных характеристик транзистора (Рис. 4.) отмечаются выбранные Uко, Iко и определяется соответствующей точке покоя ток базы Iбо (входной ток) Полученное значение Iбо отмечается на входной характеристике и определяется соответствующее ему напряжение смещения Uбо. Uко = 11 В; Iко = 12,6 мА Iбо = 0,22 мА; Uбо = 0,4 В; Определяется амплитуда напряжения выходного сигнала: Uкm ? Uко - Uост = 11 - 1,25 = 9,75 В; Определяется амплитуда тока выходного сигнала: Iкm = = = 10,26 мА; Строится нагрузочная прямая переменного тока. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора от координаты точки покоя на оси токов вниз откладывается амплитуда тока Iкм, а от координаты точки покоя вправо - амплитуда напряжения Uкм. Пересечением уравнений Iко - Iкм и Uко + Uкм определяется точка М. Через точку М и точку покоя проводим нагрузочную прямую переменного тока. Iко - Iкm = 12,6 - 10,26 = 2,34 мА; Uко + Uкm = 11 + 9.75 = 20,75 ? 21 В; На семействе выходных характеристик транзистора отмечается точка N на нагрузочной прямой переменного тока, соответствующая пересечению уровня Uост и нагрузочной прямой. Определяется соответствующий точкам M и N входной ток. Точке М будет соответствовать минимальный входной ток Iбmin, а точке N - Iб max максимальный. Iбmin = 0, 08 мА; Iб max = 0,5 мА; Определяется амплитуда тока входного сигнала: Iбm = = = 0,23 мА; Определяется мощность, отдаваемая транзистором в выбранном режиме: Р~ = == 50,1 мВт; Сравниваются полученная величина Р~ с Р'~. Условие соблюдается: Р~ ? Р'~ = 50,1 мВт ? 50 мВт На входной характеристике транзистора отмечаются токи Iб max, Iбо, Iбmin, и определяется соответствующие этим токам значения входного напряжения.
Страницы: 1, 2
|