Широкосмуговий підсилювач
Пояснювальна
записка до курсового проекту з дисципліни "Схемотехніка аналогових пристроїв"
Студент
гр. 180 Т. А. Сизиков
Міністерство
освіти Російської Федерації
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)
Кафедра
радіоелектроніки та захисту інформації (РЗІ)
РТФ КП
468714.001 ПЗ
2003
Реферат
Курсовий проект 48 стор, 1 табл., 20 рис.,
8 іст.
ШИРОКОСМУГОВЕ ПІДСИЛЮВАЧ, РОБОЧА ТОЧКА,
Дросельно КАСКАД, вхідний ланцюг, навантажувальні ПРЯМІ, термостабілізація,
Емітерний КОРЕКЦІЯ, односпрямованої МОДЕЛЬ Транзистори, еквівалентну схему
ДЖІАКОЛЕТТО.
Об'єктом розробки є
широкосмуговий підсилювач.
Мета даної роботи - придбання
практичних навичок у розрахунку підсилювачів на прикладі конкретного завдання.
У процесі роботи проводився аналіз
різних схем реалізації підсилювального пристрої, розрахунок його параметрів і
елементів. У результаті була розроблена схема підсилювача, що відповідає
вимогам технічного завдання.
Пояснювальна записка виконана в
текстовому редакторі Microsoft World 2000, а
малюнки в графічному редакторі Paint Brush.
Технічне
завдання
Усилитель повинен відповідати наступним
вимогам:
1 Робоча смуга частот: 0,8-30 МГц
2 Допустимі частотні спотворення
в області нижніх частот не більше 1,5 дБ
в області верхніх частот не більше 3 дБ
3 Коефіцієнт підсилення 30 дБ
4 Амплітуда вихідного сигналу Uвых = 8В
5 Діапазон робочих температур: від +25 до
50 градусів Цельсія
6 Опір джерела сигналу і
навантаження Rг = Rн = 50 Ом
Зміст
1 Введеніе5
2 Структурна схема усілітеля6
2.1 Визначення числа каскадов6
3 Розподіл спотворень АЧХ6
4 Розрахунок вихідного каскада7
4.1 Розрахунок робочої точкі7
4.1.1 Розрахунок робочої точки для резистивного каскада7
4.1.2 Розрахунок робочої точки для дросельного каскада11
4.2 Вибір транзистора вихідного каскада13
4.3 Розрахунок еквівалентних схем транзістора14
4.3.1 Розрахунок схеми Джіаколетто14
4.3.2 Розрахунок високочастотного односпрямованої моделі17
4.4 Розрахунок ланцюгів термостабілізаціі18
4.4.1 емітерний термостабілізація18
4.4.2 Пасивна колекторна термостабілізація20
4.4.3 Активна колекторна термостабілізація21
4.5 Розрахунок некорректірованного каскада24
4.5.1 Аналіз каскаду в області верхніх частот24
4.5.2 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний
цепью27
4.6 Розрахунок елементів емітерний
коррекціі29
5 Розрахунок вхідного каскада32
5.1 Розрахунок робочої точкі32
5.2 Вибір вхідного транзистора каскада33
5.3 Розрахунок еквівалентних схем транзістора33
5.4 Розрахунок схеми термостабілізаціі34
5.5 Розрахунок не коректувати каскада35
5.6 Розрахунок елементів емітерний
коррекціі36
5.7 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний
цепью38
6 Розрахунок колекторних дроселів і розділових емкостей40
7 Амплітудно-частотна характеристика усілітеля43
8 Заключеніе45
Список використаних істочніков46
Схема електрична прінціпіальная47
Перелік елементов48
1
Введення
В даному курсовому проекті розраховується
широкосмуговий підсилювач СВЧ. В даний час такі підсилювачі можуть
застосовуватися в осцилограф, в дослідженнях проходження радіохвиль в різних
середовищах, у тому числі проходження різних довжин хвиль в міських умовах. Також
останнім часом вельми актуальне завдання пошуку та виявлення
подслушівающе-передавальних пристроїв ( "жучків"). Одним з основних вимог у
даному випадку є забезпечення необхідного посилення сигналу в
широкій смузі частот. Але так як коефіцієнт підсилення транзистора на високих
частотах складає одиниці раз, то при створенні підсилювача необхідно застосовувати
коригувальні ланцюга, що забезпечують максимально можливий коефіцієнт посилення
кожного каскаду підсилювача в заданій смузі частот.
2
Структурна схема підсилювача
2.1 Визначення числа каскадів
Так як на одному каскаді важко
реалізувати посилення 30дБ, то для того, щоб забезпечити такий коефіцієнт
посилення, використовуємо складання двох каскадів. Враховуючи, що вхідні ланцюг
послаблює загальний коефіцієнт посилення всього підсилювача вважаємо, що кожен каскад
в середньому дає посилення в 9 разів, або 19,085 дБ.
Структурна схема підсилювача,
представлена на малюнку 2.1, містить крім підсилювальних каскадів джерело
сигналу і навантаження.
Рісунок2.1-Структурна схема підсилювача
3
Розподіл спотворень АЧХ
Виходячи з технічного завдання, пристрій
повинна забезпечувати спотворення в області верхніх не більше 3дБ і в області нижніх
частот не більше 1.5дБ. Так як використовується два каскади, то отримуємо, що
кожен може вносити не більше 1.5дБ спотворень в загальну АЧХ. Так як найбільші
спотворення в АЧХ підсилювача звичайно вносить вхідна ланцюг, то розподілимо їх з
запасом, тобто YB
для кожного каскаду візьмемо по 0.5дБ а на вхідний ланцюг залишимо 2дБ.
Ці вимоги накладають обмеження на
номінали елементів, що вносять спотворення.
4
Розрахунок вихідного каскаду
4.1
Розрахунок робочої точки
Робочої точкою називаються струм і напруга
на активному елементі при відсутності вхідного впливу.
Розглянемо дві схеми реалізації вихідного
каскаду: резистивних і дросельну. Вибір тієї або іншої схеми здійснимо на
основі отриманих даних розрахунку. Критерій вибору - оптимальні енергетичні
характеристики схеми.
4.1.1
Розрахунок робочої точки для резистивного каскаду
Принципова схема резистивного каскаду
і еквівалентна схема по змінному струму представлені на рисунках 4.1, а і
4.1, б відповідно.
Малюнок 4.1, а - Принципова схема
резистивного каскаду
Малюнок 4.1, б-Еквівалентна схема по
змінному струму
Опором по змінному струму для
резистивного каскаду буде паралельне з'єднання опорів Rk і Rн
(рисунок 4.1, б):
(4.1)
Беручи опір колекторної ланцюга
транзистора Rk
рівним опору навантаження Rн (Rн =
50 Ом), згідно з формулою (4.1), отримуємо:
За відомим опору навантаження по
змінному струму і вихідною напругою можна знайти вихідний струм:
(4.2)
У результаті струм дорівнює:
Знаючи вихідна напруга і струм, визначимо
координати робочої точки згідно з наступними формулами:
, (4.3)
де Ікс - струм в робочій точці;
Iвих - вихідний струм;
Iост - залишковий струм, приймається рівним
0.1 * Iвих.
, (4.4)
де Uкео - напруга в робочій точці;
Uвых - вихідна напруга;
Uнас - початкова напруга нелінійного
ділянки вихідних
характеристик транзистора, вибирається від 1В до 2В.
Вважаючи Uнас = 1.5В, за формулами (4.3) та (4.4) знаходимо:
Напруга джерела живлення для схеми,
представленої на рисунку 4.1, а, буде складати суму падінь напруг на
опорі Rк і
транзисторі:
. (4.5)
Перепишемо вираз (4.5) в наступному
вигляді:
. (4.6)
Вираз (4.6) є не що інше як
рівняння прямої (у даному випадку струм Iкo є функцією аргументу Uкео), яка називається навантажувальною
прямої по постійному струму. У межах цієї прямої і буде змінюватися робоча
крапка.
Для проведення прямої виберемо дві точки з
координатами (Еп, 0) і (0, Iкmax):
У сигнальному режимі будується навантажувальна
пряма по змінному струму. Для побудови даної прямої задамося деяким
збільшенням струму і відповідним збільшенням напруги, враховуючи, що в даному
випадку опір навантаження буде визначатися виразом (4.1):
. (4.7)
Для спрощення розрахунків приймемо 
. Тоді після підстановки в вираз (4.7) числових значень
отримуємо:
навантажувальні прямі за постійним і
змінному струмам представлені на малюнку 4.2.
Малюнок 4.2 - навантажувальні прямі для
резистивного каскаду
Потужності, розсіює на транзисторі,
споживана каскадом і вихідна, визначаються згідно з такими виразами:
, (4.8)
, (4.9)
. (4.10)
За формулами (4.8), (4.9) і (4.10)
обчислюємо відповідні потужності:
Коефіцієнт корисної дії (ККД)
розраховується за формулою
(4.11)
Підставляючи в (4.11) числові значення, отримуємо:
4.1.2
Розрахунок робочої точки для дросельного каскаду
На відміну від попереднього каскаду
дросельний має в ланцюзі колектора замість опору Rк дросель Lдр.
Принципова схема дросельного каскаду
і еквівалентна схема по змінному струму представлені на рисунках 4.3, а і
4.3, б відповідно.
Малюнок 4.3, а-Принципова схема
дросельного каскаду
Малюнок 4.3, б-Еквівалентна схема по
змінному струму
Оскільки для сигналу дросель є
неодруженим ходом, то в даному випадку опір навантаження по змінному струму
буде дорівнює опору навантаження:
Розрахунок робочої точки проводиться за тим
ж виразами, що і для попереднього каскаду.
По формулі (4.2) розрахуємо вихідний струм:
Тоді згідно з виразами (4.3) та (4.4)
робоча точка буде мати наступні координати:
Так як дросель по постійному струму
є короткозамкненим провідником, то напруга живлення буде рівним
падіння напруги на транзисторі:
Таким чином отримуємо всі необхідні
дані для побудови навантажувальної прямої по постійному струму.
Для побудови навантажувальної прямої по
змінному струму приймемо збільшення колекторного струму рівним струму в робочій
точці:
Тоді згідно з виразом (4.7)
відповідне збільшення напруги буде дорівнює:
навантажувальні прямі за постійним і
змінному струмам представлені на малюнку 4.4.
Малюнок 4.4-навантажувальні прямі для
дросельного каскаду
Потужності, розсіює на транзисторі,
споживана каскадом і вихідна, аналогічно визначаються за виразами (4.8),
(4.9) і (4.10):
Видно, що потужність розсіювання дорівнює
споживаної.
За формулою (4.11) розрахуємо ККД
дросельного каскаду:
Проведемо порівняльний аналіз двох схем.
Енергетичні характеристики резистивного і дросельного каскадів представлені
в таблиці 4.1.
Параметр
Еп, В
Ррас, Вт
Рпот, Вт
Ікс, мА
Uкео, В
h,%
Резистивний каскад
26.6
3.168
9.363
352
9
13.7
Дросельний каскад
9
1.584
1.584
176
9
40.4
Таблиця 4.1 - Енергетичні
характеристики резистивного і дросельного каскадів
Порівнюючи енергетичні характеристики
двох каскадів, можна зробити висновок, що краще взяти дросельний каскад, так як
він має найменшу споживання, напруга живлення і струм, а також більш
високий ККД.
4.2
Вибір транзистора вихідного каскаду
Вибір транзистора здійснюється за
таким граничним параметрами:
граничний допустимий струм колектора
; (4.12)
граничне допустима напруга
колектор-емітер
(4.13)
гранична потужність, розсіює на
колекторі
; (4.14)
гранична частота підсилення транзистора по
струму в схемі з ОЕ
. (4.15)
Вимогам (4.12), (4.13), (4.14) і
(4.15) задовольняє транзистор КТ911А [3]. Основні технічні характеристики
цього транзистора наведені нижче.
Електричні параметри:
-гранична частота коефіцієнта передачі
струму в схемі з ОЕ 
МГц;
-статичний коефіцієнт передачі струму в
схемою з ОЕ 
;
-постійна часу ланцюга ГР при UКБ = 10В, IЕ = 30мА tОС = 25пс
-ємність колекторного переходу при 
В 
пФ.
Граничні експлуатаційні дані:
-постійна напруга колектор-емітер 
В;
-постійний струм колектора 
мА;
-постійна розсіює потужність
колектора 
Вт;
-температура переходу 
.
4.3
Розрахунок еквівалентних схем транзистора
4.3.1
Розрахунок схеми Джіаколетто
Співвідношення для розрахунку підсилювальних
каскадів засновані на використанні еквівалентної схеми транзистора,
запропонованої Джіаколетто, справедливої для області щодо низьких частот
[4].
Еквівалентна схема Джіаколетто
представлена на малюнку 4.5.
Малюнок 4.5-Еквівалентна схема
Джіаколетто
Знаючи паспортні дані транзистора, можна
розрахувати елементи схеми, представленої на малюнку 4.5, згідно з наступними формулами [4]:
Провідність бази обчислюємо за формулою
(4.16)
де Ск - ємність колекторного переходу;
- постійна часу ланцюга зворотного зв'язку. (паспортні дані,
надалі - *)
У довідковій літературі значення 
і 
часто наводяться
обмірюваної при разлічних значеннях напруги колектор-емітер 
. Тому при розрахунках 
значення 
слід перерахувати
за формулою
(4.17, а)
де 
- напруга 
, при якій відбувалося вимір 
;
- напруга 
, при якій відбувалося вимір 
.
Також слід перерахувати ємність
колекторного переходу для напруги колектор-емітер, рівному напруги в
робочої точки:
(4.17, б)
Опір емітерного переходу
розраховується за формулою
(4.18)
де Ікс - струм в робочій точці в міліампер;
а = 3 - для планарних кремнієвих
транзисторів,
а = 4 - для інших транзисторів.
Провідність переходу база-емітер
розраховується за формулою
(4.19)
де 
- опір емітерного переходу;
- статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ (*).
Ємність емітера розраховується за формулою
(4.20)
де Fт - гранична частота коефіцієнта
посилення струму бази (*).
Крутизна внутрішнього джерела
розраховується за формулою
(4.21)
де 
- статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОБ.
(4.22)
провідності gБК і gi виявляються багато менше провідності
навантаження підсилювальних каскадів, в розрахунках вони зазвичай не враховуються.
Підставляючи чисельні значення, за формулами
(4.16)
