Усилитель кабельных систем связи
Усилитель кабельных систем связи
2 Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) УСИЛИТЕЛЬ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Схемотехника и АЭУ Студент гр. 148-3 __________Булдыгин А.Н. 24.04.2001 Руководитель Доцент кафедры РЗИ_____________Титов А.А. _____________Реферат Курсовой проект 19 с., 11 рис., 1 табл. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. Объектом проектирования является усилитель кабельных систем связи. Цель работы - приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным к нему требованиям. В процессе работы производился аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора. В результате расчета был разработан магистральный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилитель может быть использован для компенсации потерь мощности, устанавливаемый между многокилометровыми отрезками кабелей. Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0. Рисунки выполнены в графическом редакторе Actrix Technical. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства” студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н. Тема проекта: Усилитель кабельных систем связи. Исходные данные для проектирования аналогового устройства. 1. Диапазон частот от 40 МГц до 230 МГц. 2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB. 3. Коэффициент усиления 30 dB. 4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом. 5. Амплитуда напряжения на выходе 2 В. 6. Характер и величина нагрузки 50 Ом. 7. Условия эксплуатации (+10 +60)єС. 8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу. Содержание 1 Введение ------------------------------------------ ----------------------------- 5 2 Основная часть ---------------------------------------------------------------- 6 2.1 Анализ исходных данных -------------------------------------------------- 6 2.2 Расчёт оконечного каскада ----------------------------------------------- 6 2.2.1 Расчёт рабочей точки ---------------------------------------------------- 6 2.2.2 Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схем замещения---- 8 2.2.2.1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто -------------------------- 8 2.2.2.2 Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9 2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации -------------------------- 9 2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация -------------------------------------- 9 2.2.3.2 Пассивная коллекторная ---------------------------------------------- 11 2.2.3.3 Активная коллекторная ----------------------------------------------- 11 2.3 Расчёт усилителя ----------------------------------------------------------- 12 2.4 Расчёт ёмкостей и дросселей --------------------------------------------- 15 Схема электрическая принципиальная ------------------------------------- 16 Спецификация ------------------------------------------------------------------- 17 3 Заключение -------------------------------------------------------------------- 18 4 Список используемой литературы ----------------------------------------- 19 1 Введение Цель работы - приобретение навыков аналитического расчёта магистрального усилителя по заданным к нему требованиям. Кабельные системы связи являются одной из важных составляющих глобальных и локальных мировых систем телекоммуникаций. Для компенсации потерь мощности сигнала, в таких системах, используются широкополосные усилители, устанавливаемые между многокилометровыми отрезками кабелей. Указанные усилители относятся к необслуживаемым устройствам и должны обладать следующими достоинствами: хорошее согласование по входу и выходу, исключающее возможность переотражения сигналов в кабельных сетях; неизменность параметров усилителя во времени, в диапазоне температур, и при старении активных элементов схемы; хорошая повторяемость характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки; Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители с отрицательными перекрестными обратными связями [1], что достигается благодаря совместному использованию последовательной местной и общей параллельной обратной связи по току в промежуточных каскадах и параллельной обратной связи по напряжению в выходном каскаде. 2 Основная часть 2.1 Анализ исходных данных Средне статистический транзистор даёт усиление в 20 dB, по заданию у нас 30 dB, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум 2 каскада. Реализуем усилитель на 2-х активных элементах. Уровень допустимых искажений АЧХ, по заданию, 3 dB, тогда на каждый каскад приходится по 1,5 dB. Вследствие того, что у нас будут перекрёстные обратные связи рис.(2.3.1), которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/3 выходного напряжения, то возьмём Uвых в 1,5 раза больше заданного, т.е. 3В. 2.2 Расчёт оконечного каскада 2.2.1 Расчёт рабочей точки По заданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор эмитер и ток коллектора (рабочую точку) [2]. Uвых=1,5Uвых(заданного)=3 (В) Iвых===0,06 (А) Рассмотрим два варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя [2]: первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад. Реостатный каскад: Rк=50 (Ом), Rн=50 (Ом), Rн~=25 (Ом) рис(2.2.1.1). Рисунок 2.2.1.1-Схема реостатного Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные прямые. каскада по переменному току. Iвых===0,12 (А) Uкэ0=Uвых+Uост, где (2.2.1) Uкэ0-напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмитер. Uвых-напряжение на выходе усилителя. Uост-остаточное напряжение на транзисторе. Iк0=Iвых+0,1Iвых, где (2.2.2) Iк0-постоянная составляющая тока коллектора. Iвых-ток на выходе усилителя. Uкэ0=5 (В) Iк0=0,132 (А) Выходная мощность усилителя равна: Pвых===0,09 (Вт) Напряжение источника питания равно: Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0Rк=11,6 (В) Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора: Pрасс=Uкэ0Iк0=0,66 (Вт) Мощность потребляемая от источника питания: Рпотр= EпIк0=1,5312 (Вт) Iвых= ==0,06 (А) Дроссельный каскад рис(2.2.1.3). Рисунок 2.2.1.3-Схема дроссельного Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые. каскада по переменному току. По формулам (2.2.1) и (2.2.2) рассчитаем рабочую точку. Uкэ0=5 (В) Iк0=0,066 (А) Pвых===0,09 (Вт) Eп=Uкэ0=5 (В) Рк расс=Uкэ0Iк0=0,33 (Вт) Рпотр= EпIк0=0,33 (Вт) Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи. |
| Еп,(В) | Ррасс,(Вт) | Рпотр,(Вт) | Iк0,(А) | | С Rк | 11,6 | 0,66 | 1,5312 | 0,132 | | С Lк | 5 | 0,33 | 0,33 | 0,066 | | |
Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что целесообразнее использовать дроссельный каскад. 2.2.2 Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схем замещения. На основании следующих неравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2; Рк расс> Рк расс(доп)*1,2; fт>(310)*fв>2300 МГц выберем транзистор, которым будет являться 2Т996А [5]. Его параметры необходимые при расчете приведены ниже: с=4,6 пс- постоянная цепи обратной связи, Ск=1,6 пФ- ёмкость коллектора при Uкэ=10 В, 0=55- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером, Uкэ0(доп)=20 В, Iк0(доп)=200 мА- соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора, Рк расс(доп)=2,5 Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт=5000 МГц- значение граничной частоты транзистора при которой =1, Lб=1 нГн, Lэ=0,183 нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно. . 2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто. Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто). Расчёт основан на [2]. Ск(треб)=Ск(пасп)*=1,6=2,26 (пФ), где Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0, Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп). rб= =2,875 (Ом); gб==0,347 (Cм), где rб-сопротивление базы, -справочное значение постоянной цепи обратной связи. rэ= ==0,763 (Ом), где Iк0 в мА, rэ-сопротивление эмитера. gбэ===0,023, где gбэ-проводимость база-эмитер, -справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмитером. Cэ===41,7 (пФ), где Cэ-ёмкость эмитера, fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1 Ri= =100 (Ом), где Ri-выходное сопротивление транзистора, Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора. gi=0.01(См). 2.2.2.2Расчёт однонаправленной модели транзистора. Данная модель применяется в области высоких частот [4]. Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора. Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183 (нГн), где Lб,Lэ-справочные значения индуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно, Lвх-индуктивность входа транзистора. Rвх=rб=2,875 (Ом), где Rвх-входное сопротивление транзистора. Rвых=Ri=100 (Ом), где Rвых-выходное сопротивление транзистора. Свых=Ск(треб)=2,26 (пФ), где Свых-выходная ёмкость транзистора. fmax=fт=5 (ГГц), где fmax-граничная частота транзистора. 2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации. 2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация. Эмитерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 3В [3 Рисунок 2.2.3.1.1-Схема каскада с эмитерной термостабилизацией. Рассчитаем параметры элементов данной схемы. Возьмём напряжение на эмиттере равным Uэ=4 (В); Eп=Uкэ0+Uэ=9 (В); Сопротивление в цепи эмитера будет равно: Rэ= ==66 (Ом); Rб1=, Iд=10Iб, Iб=, Iд=10 =10=0,012 (А), где Rб1-сопротивление базового делителя, Iд-ток базового делителя, Iб-ток базы. Rб1==416,7 (Ом); Rб2= =391,6 (Ом). Наряду с эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторная термостабилизации. 2.2.3.2 Пассивная коллекторная: Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной коллекторной термостабилизации. С использованием [3]. Rк=50 (Ом); URк=Iк0Rк=3,3 (В), где URк-падение напряжения на Rк. Eп=Uкэ0+URк=8,3 (В); Iд=0,012 (А); Rб= =360 (Ом). Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только в маломощных каскадах. Но в силу того, что мы будем применять перекрёстные обратные связи, данная схема нам не подходит. 2.2.3.3 Активная коллекторная термостабилизация. Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что при незначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В [3] см. рис.(2.2.3.3.1). Статический коэффициент передачи по току второго транзистора =50; Rк===15,15 (Ом); Eп=Uкэ0+URк=5+1=6 (В); Напряжение на базе второго транзистора будет равно: UБ2=Uкэ0-0,7=5-0,7=4,3 (В); Ток коллектора второго транзистора будет равен: Iк2=Iд1=0,012 (А); Iд2=10Iб2=10==0.0024 (A), где Iд2,Iб2-токи базового делителя и базы второго транзистора соответственно. R3===708,3 (Ом); R1===1,792 (кОм); Напряжение в рабочей точке второго транзистора будет равно ; R2===1500 (Ом). Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторная термостабилизация. Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать, т.е. данный вариант не желателен, поскольку параметры усилителя должны как можно меньше зависеть от изменения параметров его элементов, по заданию. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную.
Страницы: 1, 2
|