скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Широкополосный усилитель скачать рефераты

Широкополосный усилитель

40

Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций им проф. М.А. Бонч-Бруевича

Кафедра "Схемотехники и электронных устройств"

Курсовой проект на тему:

"Широкополосные усилители"

Выполнили:

студенты группы Р-77

Поздняков

Чудинов

Проверил:

Васильев М.А.

Санкт - Петербург 2009 год.

Оглавление

  • Введение
    • Выбор и обоснование структурной схемы широкополосного предварительного усилителя
    • Расчет оконечных каскадов тракта
    • Входной, промежуточный усилительный и дифференциальный каскады
    • Выбор режимов покоя транзисторов в каскадах предварительного усиления и расчет номиналов резисторов, обеспечивающих эти режимы
    • Расчет номиналов конденсаторов
    • Список использованной литературы

Проектное задание

Задание на курсовой проект представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать тракт предварительного усиления широкополосного усилителя на транзисторах.

номинальная выходное сопротивлениеU2,номинальное выходное сопротивление Rвых,

сопротивление нагрузкиR2,допустимый коэффициент гармоник КГF, рабочий диапазон частот [fH; fв],

амплитуда тока источника сигнала Im1,емкость источника сигнала C1,относительная нестабильность коэффициента усиления Gв дБ,

внутреннее сопротивление источника сигнала R1,рабочий диапазон значений температуры [tcmin, tcmax],

напряжение источника питания Е0,для всех вариантов tcmin = 50С - минимальная температура окружающей среды,

fн = 50 Гц - нижняя частота ДРЧ.

P2, мВт

R2, Ом

Rвых, Ом

fв, МГц

kГF,%

E0, B

tсmax C

14

300

300

7.5

0.3

± 18

+ 45

Im1, мкА

R1, кОм

С1, пФ

fв, МГц

kГF,%

E0, B

tсmax C

0.11

470

6

1.37

0.3

± 18

+ 45

Введение

Содержанием курсового проекта является проектирование широкополосного усилителя (ШПУ). Именно они создают универсальную основу для компенсации затухания в транспортных сетях связи, в пассивных цепях аппаратуры кабельных и волоконно-оптических линий передачи информации, в том числе стационарных и передвижных телевизионных центров, в устройствах микширования аудио/видеосигналов режиссерских пультов, в функциональных преобразователях аппаратуры специального назначения и телеметрических системах. Реализация высоких качественных показателей таких усилителей обеспечивается путем введения глубоких гальванических и на чистоте сигнала отрицательных обратных связей (ООС) - местных и межкаскадных.

Под широкополосными понимаются усилители, относительная ширина полосы рабочих частот которых, отвечая условию широкополосности (fв/fн >> 1), максимально полно использует частотные свойства применяемых в них активных приборов.

В современной системотехнике понятие усилителя конкретизируется до уровня представлений о тракте усиления. Принято говорить о трактах предварительного усиления и трактах усиления мощности, соответственно понимаемых, как совокупность усилительных каскадов, формирующих заданные нагрузки, с заданными показателями качества усиления (соотношение сигнал/шум, уровень нелинейных и линейных искажений, энергетическая эффективность и т.д.), в заданных условиях внешних дестабилизирующих воздействий (климатических, механических, радиационных и др.) заданный номинальный уровень выходного напряжения или выходной мощности в заданном диапазоне рабочих частот.

В данном проекте представлен расчет тракта предварительного усиления на основе требований технического задания, а также общая схема ШПУ и его характеристики.

Выбор и обоснование структурной схемы широкополосного предварительного усилителя

Начиная разработку усилителя необходимо руководствоваться общими соображениями экономической целесообразности его производства (минимизация активных приборов, элементов и комплектующих изделий по их количеству, номенклатуре и стоимости) и эксплуатации (повышение КПД и минимизация энергозатрат за счет выбора энергетически эффективных режимов работы активных приборов), стремлением к повышению надежности его работы и минимизации его массогабаритных показателей. При этом необходимым остается безусловное выполнение всех требований технического задания (ТЗ) на разработку, как в части технических характеристик (диапазон рабочих частот (ДРЧ), номинальные выходные мощность и/или напряжение, условия нагрузки по входу и выходу и др.), так и в части показателей качества усиления (относительная неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), уровень нелинейных и/или интермодуляционных искажений, показатели качества переходного процесса).

В этой связи, при разработке принципиальной электрической схемы предварительного широкополосного усилителя передающей TV-трубки, предпочтение следует отдать топологическим решениям, реализующим гальваническую связь между каскадами, при которой исключается применение габаритных в заданном ДРЧ разделительных конденсаторов. Тем самым, исключается дополнительный набег фазы в низкочастотной части этого диапазона и устраняется возможность самовозбуждения каскадов усилителя, охваченных петлей общей отрицательной обратной связи (ООС), обеспечивающей заданные ТЗ высокие показатели качества усиления. Отсутствие элементов, разделяющих каскады усилителя по постоянному току (гальваническая связь между каскадами), приводит к тому, что выбор номиналов большинства резисторов в каскадах схемы задается выбором режимов покоя активных приборов каждого из каскадов. При этом верхняя граничная частота ДРЧ каждого каскада усиления оказывается тем выше, чем меньшие сопротивления испытывают токи сигнала, протекая во входных и выходных цепях соответствующих активных приборов. Однако уменьшение нагрузки по выходу каждого из каскадов усиления, наряду с увеличением его широкополосности. неизбежно уменьшает коэффициент усиления каскада в диапазоне его рабочих частот. В этой связи заданные ТЗ высокие требования, предъявляемые к разрабатываемому усилителю в части его широкополосности, входят в противоречие с требованиями минимизации количества каскадов усиления (и, следовательно, количества активных приборов, элементов и комплектующих изделий). Поэтому практика инженерных расчетов ШПУ рекомендует обеспечивать высокую верхнюю граничную частоту ДРЧ каждого из его каскадов путем выбора соответствующего, с точки зрения предельной частоты (единичного) усиления, типа используемого в нем активного прибора, ограничивая коэффициент усиления по напряжению каскадов предварительного усиления на уровне К ? (5 ч 10), входного каскада - на уровне К ? (3 ч 6).

Если условия выбора транзистора и/или нагрузки каскада исключают возможность обеспечения заданной широкополосности, в резисторных каскадах осуществляется высокочастотная коррекция (ВЧК). Последняя реализуется введением корректирующих элементов в выходную цепь активного прибора (частотно - зависимая нагрузка) или/и введением частотно-зависимой отрицательной обратной связи (эмиттерная ВЧК).

Использование эмиттерной ВЧК, сохраняя неизменной площадь усиления, позволяет существенно (вплоть до граничной частоты усиления активного прибора) повысить верхнюю граничную частоту ДРЧ резисторного каскада - ценой снижения его коэффициента усиления в области "средних частот" (ОСЧ). Использование частотно-зависимой нагрузки, сохраняя неизменным коэффициент усиления резисторного каскада в ОСЧ, позволяет повысить верхнюю граничную частоту его ДРЧ приблизительно в (1.3 ч 2.2) раза.

Поскольку действие эмиттерной ВЧК основано на использовании механизма ООС на частоте сигнала, оно сопровождается преимуществами, характерными для применения последней, в том числе снижением влияния технологического разброса и нестабильности параметров активного прибора в условиях действия внешних дестабилизирующих факторов на основные технические характеристики и показатели качества усиления резисторного каскада. Поэтому при построении каскадов широкополосного усиления предпочтение, как правило, отдается схемным решениям на основе именно эмиттерной ВЧК.

Руководствуясь вышеизложенными соображениями, за основу схемотехнического решения разрабатываемого усилителя целесообразно принять следующую топологию: каскады на транзисторах V4 - V5 образуют тракт усиления мощности, обеспечивающий формирование заданной мощности (напряжения) в заданном сопротивлении нагрузки при заданной величине выходного сопротивления и показателях качества усиления. Для этого, в условиях значительного технологического разброса параметров транзисторов и действия внешних факторов, дестабилизирующих их токи покоя, каждый из каскадов тракта охвачен петлей местной гальванической и для сигнала ООС - последовательной по току (R'э4 и R'э4 + R"э4 для V4) и 100% - ной последовательной по напряжению (Rэ5 и Rэ5 || (2 Ч R2) для V5), соответственно каскады на транзисторах VI, V2 и V3 образуют тракт предварительного усиления, обеспечивающим требуемое отношение с/ш и формирование в заданном диапазоне рабочих частот выходного напряжения, достаточного для эффективного возбуждения тракта усиления мощности. Все каскады тракта предварительного усиления охвачены х петлей глубокой общей ООС - гальванической и по сигналу. Глубокая общая гальваническая ООС необходима для стабилизации режимов покоя транзисторов. Местных последовательных гальванических ООС. действующих в каскадах (Rи для V1, Rэ2 для V2 и Rэ3 для V3), оказывается недостаточно, т.к вследствие отсутствия разделительных элементов между каскадами, нестабильности токов покоя предыдущих каскадов усиливаются в последующих, существенно увеличивая нестабильность токов покоя последних.

Отсутствие элементов, разделяющих тракты по постоянному току, порождает необходимость организации петли глубокой гальванической ООС между ними. Причем, достаточно, если этой петлей, наряду с выходным каскадом тракта предварительного усиления, будет охвачен только предоконечный каскад тракта усиления мощности. Реализация такой петли последовательной по напряжению гальванической ООС обеспечивается резисторами Rб1, Rб2 и R"э4.

Расчет оконечных каскадов тракта

Расчет оконечных каскадов тракта производится на основании условий технического задания.

Рассчитаем режим работы выходного усилительного каскада, номиналы пассивных компонентов и тип активного прибора (транзистора V5), исходя из условия его работы в зоне активного режима:

Uкэ > Uкэm + Uкэ min,

где:

Uкэ - напряжение покоя участка коллектор - эмиттер,

Uкэ min - минимально-допустимое (т. н. остаточное) напряжение на участке коллектор - эмиттер.

Uкэm - амплитуда переменного напряжения на участке коллектор - эмиттер транзистора, которое для выходного каскада (транзистор V5) определяется требованиями ТЗ и составляет:

U2 = vP2 x R2 = 2 [В]

Uкэ5 = 2 Ч U2m = 2 Ч Ч U2,где:

U2m - амплитуда напряжения выходного сигнала на заданном ТЗ сопротивлении нагрузки R2 = 300 Ом. Коэффициент "2" учитывает наличие согласующего резистора Rс в цепи нагрузки.

Учитывая, что типовое значение Uкэ min для маломощных кремниевых транзисторов не превосходит (1.5 ч 3) В. U, Uкэ min < (1.5 ч 3) [В], находим: Uкэ5 > 2 Ч Ч 2 + 3 = (7.2 ч 8.7) [В]. Принимаем Uкэ5 = 8 [В].

При определении тока покоя коллектора транзистора выходного каскада Iк5 следует иметь ввиду следующее. Как известно КПД и уровень нелинейных искажений линейных усилителей, в первую очередь, определяется показателями режима наиболее мощного - выходного каскада. Для уменьшения потерь энергии источника питания и повышения КПД выходного каскада целесообразно максимально полно использовать усилительные свойства выходного транзистора по току. Вместе с тем, очевидно, что с увеличением использования выходного транзистора по току уровень нелинейных искажений на выходе усилителя возрастает

Как показывает практика инженерных расчетов, оптимальные значения коэффициента использования выходного транзистора по току оT в режиме класса А, лежат в интервале: оT = 0.8 ч 0.95,при которых максимальный уровень возникающих нелинейных искажений не превосходит kгF = (2 ч 3)%.

ПринимаемоT = Iкm5/Iк5 = 0.95, где:

Iкm5 - амплитуда переменного выходного тока выходного каскада.

Iк5 - ток покоя коллектора транзистора V5.

Последний, будучи жестко связанным с номиналом резистора в цепи его эмиттера Rэ5, определяется (с точностью до тока покоя базы), из очевидного равенства:

Iк5 = Uэ5/Rэ5,где:

Rэ5 = R2 Ч [оT Ч Uэ5/ ( Ч U2) - 2],

Uэ5 - напряжение на резисторе Rэ5, выделяющееся при протекании через него тока покоя эмиттера транзистора V5, равное:

Uэ5 = Е01 - Uкэ5 = 18 - 8 = 10 [В].

После подстановки, соответственно имеем:

Rэ5 = R2 Ч [оT Ч Uэ5/ ( Ч U2) - 2] = 383.343 [Ом].

В соответствии со стандартным рядом номиналов Е24 по ГОСТ 10318-80 принимаем значение резистора Rэ5 = 390 [Ом].

После подстановки, соответственно имеем:

Iк5 = Uэ5/Rэ5 = 26 [мА].

Iкm5 = оT Ч Iк5 = 0.95 Ч 26 = 24 [мА],

Uкэm5 = 2 Ч Ч U2 = 2 Ч Ч 2 = 5.797 [В].

При этом максимальная величина тока в цепи коллектора транзистора V5 может достигать:

i кmах5 = Iк5 + Iкm5= 50 [мА],

а максимальное напряжение, развиваемое на участке коллектор-эмиттер транзистора V5 соответственно:

u кэmах5 = Uкэ5 + Uкэm5= 13.797 [В].

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочем режиме Pкр, равна разности мощностей, потребляемой им от источника питания Po и колебательной мощности P2, отдаваемой в нагрузку R2:

Pкр = Po - P2.

Очевидно, что в режиме класса А максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочем режиме Pкрmax, имеет место при отсутствии сигнала,

P крmax = Uкэ Ч Iк,

что применительно к каскаду на транзисторе V5 даст:

P крmax5 = Uкэ5 Ч Iк5 = 8 Ч 26 = 204 [мВт],

т.е. тогда совокупность требований, предъявляемых к транзистору V5 можно представить в виде:

Ркmах5 = 204 мВт,

Uкэmах5 > =13.797 В,

Iкmах5 > = 50 мА,

f h21 > (1,5 ч 3) fв = (11.25 ч 22.5) [МГц],

tnpmax5 = tcmax + Rпc Ч Ркрmах5

tnpmax5 - максимальная температура коллекторного перехода транзистора V5 в рабочем режиме,

tcmax - максимальная температура окружающей среды, заданная ТЗ,

Предельно-допустимые технические характеристики выбираемого (V5) транзистора:

tпmax - максимальная температура коллекторного перехода транзистора, I

Rnc - тепловое сопротивление переход - окружающая среда,

Ркmах - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, Uкэmах - максимально допустимое напряжение коллектор - эмиттер.

Iкmax - максимально допустимый ток коллектора,

fT - частота единичного усиления тока.

h21, h21min, h21max - типовое, минимальное и максимальное значения коэффициента усиления тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Анализируя указанную совокупность неравенств, убеждаемся, что в качестве транзистора V5 возможно, использовать p-n-р транзистор типа КТ345Б, основные технические характеристики которого следующие:

Pкmax,

мВт

fh21,МГц

fт,

МГц

Uкэmax В

Iкmax м А

tпmax

oC

Rпс, oC/мВт

Iкб0,мкА

Ck

пФ

фк

пс

h21

h21min

h21max

300

4,7

350

20

200

150

0,4

0,5

10

100

50

74

110

Страницы: 1, 2, 3