Проектирование аналоговых устройств
Проектирование аналоговых устройств
29 Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ)УТВЕРЖДАЮЗаведующий кафедрой РЗИ ____________В.Н. Ильюшенко ___ _________ 2000 г. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯк курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов специальностей 200700 «Радиотехника» и 201600 «Радиоэлектронные устройства» Разработчик ________А.С.Красько ___ ________2000 г. 2000 Содержание 1Введение………………………………………………………..……………….3 2 Задачи курсового проектирования…………………………..………………..3 3 Расчет структурной схемы усилителя………………………..……………….5 3.1 Определение числа каскадов…………….……………………………….…5 3.2 Распределение искажений по каскадам……….……………………………6 4 Расчет оконечного каскада…………………………………………………….7 4.1Выбор транзистора………………..………………….……………………….7 4.2 Расчет требуемого режима транзистора………………….………………....8 4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора……………….……….…11 4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации…………………………..…..12 4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области верхних частот (малых времен)…………………..………………………...14 4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада………..……...16 4.7 Оценка нелинейных искажений………..…………………………………...17 5 Расчет предварительных каскадов……………………………………………18 5.1 Расчет промежуточных каскадов…………..……………………………….18 5.2Особенности расчета входного каскада……………………………………..22 6 Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен)….………….24 7 Расчет регулировок усиления……………………………………….…………25 8 Некоторые общие вопросы проектирования…………………………………27 8.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы………..……………………..27 8.2 Расчет результирующих характеристик……..……………………………..28 8.3 Оформление пояснительной записки……….…..………………………….28 9 Заключение……………………………………………………………………..29 Список использованных источников…….…………………………………...29 Приложение А Бланк задания на проектирование ШУ……………………….30 Приложение Б Бланк задания на проектирование ИУ………………………...31 Приложение В Варианты заданий на курсовое проектирование……………..32 Приложение Г Форма титульного листа пояснительной записки…………….33 Приложение Д Пример оформления содержания………………………………34 Приложение Е Пример оформления перечня элементов………………………35 Приложение Ж Пример оформления введения…………………………………36 Приложение И Пример оформления остальных листов ПЗ…………………..37 Приложение К Пример оформления реферата…………………………………38 1 ВВЕДЕНИЕ Данное методическое пособие посвящено вопросам курсового проектирования усилительных устройств (УУ) как одного из классов аналоговых электронных устройств (АЭУ). Проектирование УУ - многофакторный процесс, во многом зависящий от интуиции, знаний и опыта разработчика. Это обстоятельство вызывает определенные трудности у начинающих разработчиков, к которым, собственно, и относятся студенты. Эти трудности усугубляются еще и тем, что учебная литература по курсовому проектированию УУ в значительной степени устарела, содержит много спорных моментов и взаимоисключающих выводов. В данной разработке делается главный упор на рассмотрение непосредственных вопросов эскизного проектирования УУ, полагая, что необходимые теоретические сведения и практические навыки получены студентами на лекционных, практических и лабораторных занятиях. Следует отметить, что одной из составляющих успешной работы над курсовым проектом является ритмичность. Для самооценки проделанной работы следует ориентироваться на приблизительные объемы основных этапов выполнения проекта: знакомство с литературой, выбор структурной схемы УУ - 10%; расчет оконечного каскада - 20%; расчет предварительных каскадов - 20%; полный электрический расчет УУ - 20%; расчет результирующих характеристик - 10%; оформление пояснительной записки - 20%. 2 ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ При проектировании УУ 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 данном пособии даются рекомендации по эскизному расчету широкополосных усилителей (ШУ) с порядка десятков мегагерц и импульсных усилителей (ИУ) с временем установления фронта импульса порядка десятков наносекунд, работающих в низкоомных согласованных трактах передачи и выполненных на биполярных транзисторах. Режим согласования обычно предусматривает равенство внутреннего сопротивления источника сигнала, входного и выходного сопротивления УУ, сопротивления нагрузки волновому сопротивлению тракта передачи сигнала. В ТЗ на расчет ШУ обычно задают коэффициент усиления по напряжению K, верхнюю и нижнюю граничные частоты и при заданных коэффициентах частотных искажений и , уровень нелинейных искажений, требования к стабильности характеристик в диапазоне температур и т.д. Эскизный расчет ШУ состоит в выборе усилительного элемента, определении числа каскадов, распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы их суммарная величина не превосходила заданную. Предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному. Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими для ИУ являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем установления фронта , выбросом переходной характеристики и спадом плоской вершины . Использование известной связи [1, 2] между и и граничными частотами и позволяет проектировать ИУ частотным методом. В настоящее время для целей проектирования УУ широко используются ЭВМ с различными пакетами программ схемотехнического проектирования. Однако первый этап машинного проектирования представляет собой ручной эскизный расчет, дающий приближенное решение поставленной задачи, уточнение которого проводится далее на ЭВМ. 3 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ 3.1 Определение числа каскадов Для многокаскадного усилителя (рис.3.1) . (3.1) где K - коэффициент усиления усилителя, дБ; K- коэффициент усиления i-го каскада, дБ, i=1,...,n; n - число каскадов усилителя. С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определится как: , где Е - э.д.с. источника сигнала; R- внутреннее сопротивление источника сигнала; R- входное сопротивление УУ. Для ШУ диапазона ВЧ и ИУ с временем порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая в (3.1) все каскады одинаковыми с К=20 дБ, т.е. . Для импульсных усилителей следует учитывать полярность входного, выходного сигналов и способ включения усилительного элемента. При часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) число каскадов должно быть четным при одинаковой полярности входного и выходного сигналов, нечетным - при разной. 3.2 Распределение искажений по каскадам Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом: , (3.2) где М-результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ; М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ. Суммирование в выражении (3.2) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R,R и С (см.рис.3.1). Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов, возможно перераспределение искажений между каскадами. Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением: , (3.3) где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ; М - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ; N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ. Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (обычно это блокировочные в цепях эмиттеров и разделительные межкаскадные конденсаторы), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы УУ, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из (3.3) следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в децибелах) на каждый из N элементов определится из соотношения:
На практике, с целью выравнивания номиналов конденсаторов, на разделительные конденсаторы распределяют больше искажений, чем на блокировочные. Для многокаскадных ИУ результирующее время установления фронта равно: , (3.4) где - время установления для входной цепи; - время установления для i-го каскада, i=1,...,n; n - число каскадов усилителя. Если результирующее установление фронта импульса для ИУ напрямую не задано, то оно может быть определено из следующего соотношения: , где - заданные искажения фронта входного сигнала; - заданные искажения фронта выходного сигнала. Результирующая неравномерность вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей: , где - неравномерность вершины за счет i-й цепи; N - число цепей. Искажения фронта импульса связаны с частотными искажениями в области ВЧ, а искажения вершины импульса - с частотными искажениями в области НЧ [1,2]. Поэтому все указанные выше рекомендации по распределению частотных искажений для ШУ остаются в силе и для ИУ. В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас по основным характеристикам УУ в 1,2-1,5 раза. 4 РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА 4.1 Выбор транзистора Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров: граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ для ШУ, для ИУ; предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер для ШУ, для ИУ; предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе) для ШУ, для ИУ. Если ИУ предназначен для усиления импульсного сигнала различной полярности (типа “меандра”) либо сигналов с малой скважностью (меньше 10), то при выборе транзистора оконечного каскада следует ориентироваться на соотношения для ШУ. Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ и ИУ сигналов малой скважности. Если ИУ предназначен для усиления однополярного сигнала, то из энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности, n-p-n - для отрицательной. Обычно при U=(1...5)В и R=(50...150)Ом для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней мощности типа КТ610 и т.п. 4.2 Расчет требуемого режима транзистора Существуют графические методы расчета оконечного каскада, основанные на построении динамических характеристик (ДХ) [1,2]. Однако для построения ДХ необходимы статические характеристики транзисторов, которые в современных справочниках по транзисторам практически не приводятся. Рассмотрим методику нахождения координат рабочей точки транзистора без использования его статических характеристик. Типичная схема оконечного каскада приведена на рис.4.1. Задаемся сопротивлением в цепи коллектора: R=(1...2) R, если требуется согласование выхода УУ с нагрузкой, R=(2...3)R- в остальных случаях (рекомендация только для низкоомной нагрузки, R=(50...150)Ом). Задаемся падением напряжения на R(либо на R+ R, если R присутствует в схеме): . Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки: . (4.1) Определяем требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10%-й запас с учетом возможной его термонестабильности) для ШУ и ИУ сигналов различной полярности (рис.4.2,а): . Для ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (Q10), рис.4.2,б: . Для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (Q<10), (рис.4.2.в): . Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ, ИУ сигналов различной полярности и ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (см. рис.4.2,а,б): , где U - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, U=(1...2)В. Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (см. рис. 4.2,в): . Рекомендуется учесть для U необходимый запас на термонестабильность (обычно не более 10...15%). Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе, не должна превышать предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор. Требуемое значение напряжения источника питания Е для рассмотренных выше случаев равно: , (4.2) где U - падение напряжения на R , U=IR . Напряжение источника питания не должно превышать U данного транзистора и должно соответствовать рекомендованному ряду: Е=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)B. Если в результате расчета Е не будет соответствовать значению из рекомендованного ряда, то путем вариации в формуле (4.2) следует подогнать значение Е под ближайшее из рекомендованного ряда. Значение Е можно существенно снизить, если параллельно R включить дроссель с такой индуктивностью, чтобы X>(10...20)R(на , для ИУ , - длительность импульса). В этом случае U=0. Такая мера также позволяет повысить КПД каскада. Следует отметить, что применение дросселя не всегда технологически оправдано, особенно при исполнении УУ в виде ИМС.
Страницы: 1, 2
|