Підсилювач потужності системи пошуку нелінійностей

Інформатика, програмування

Міністерство освіти Російської Федерації МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

(ТУСУР) Кафедра радіоелектроніки та захисту інформації (РЗІ)

Підсилювач потужності системи

пошуку нелінійностей

Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни

"Схемотехніка аналогових електронних пристроїв"

Виконав

студент гр.148-3

___________Барановскій С.В.

Перевірив

викладач каф. РЗІ

________________ Титов А.А.

2001

Реферат

Курсова робота 30 с., 16 рис., 1 табл., 13 джерел, 2 прил.,

ПІДСИЛЮВАЧ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, Частотний СПОТВОРЕНЕ, коректує ЛАНЦЮГ, КОЕФІЦІЄНТ ПОСИЛЕННЯ

У цій роботі досліджується широкосмуговий підсилювач потужності амплітудно і частотно модульованих сигналів, а також різні стабілізуючі і коригувальні ланцюга.

Мета роботи - набуття навичок розрахунку номіналів елементів підсилювального каскаду, докладне вивчення існуючих коригувальних і стабілізуючих ланцюгів, уміння вибрати необхідні схемні рішення на основі вимог технічного завдання.

У процесі роботи були здійснені інженерні рішення (вибір транзисторів, схем стабілізації та корекції) і розрахунок номіналів схем.

У результаті роботи отримали готову схему підсилювального пристрої з відомою топологією і номіналами елементів, яку можна використовувати для практичного застосування.

Отримані дані можуть використовуватися при створенні реальних підсилювальних пристроїв.

Курсова робота виконана у текстовому редакторі Microsoft Word 97 і представлена на дискеті 3,5 "(у конверті на звороті обкладинки).

Зміст

Введення ---------------------------------------------- -------------------------- 4

Технічне завдання ------------------------------------------ ----------------- 5

1 Розрахунки --------------------------------------------- --------------------------- 6

1.1 Визначення числа каскадів ------------------------------------------- - 6

1.1.1 Структурна схема підсилювача ----------------------------------------- 6

1.2 Розподіл спотворень амлітудно-частотної

характеристики (АЧХ). -------------------------------------------------- ------ 6

1.3 Розрахунок кінцевого каскаду ------------------------------------------- ---- 6

Розрахунок 1.3.1 каскаду зі складанням напруг ------------------------- 6

1.3.2 Розрахунок робочої точки, вибір транзистора ------------------------- 7

1.3.3 Розрахунок еквівалентних схем транзистора КТ934В -------------- 11

1.3.4 Розрахунок схем термостабілізації транзистора КТ 934В -------- 13

1.3.5 Розрахунок вихідний коректує ланцюга -------------------------- 16

1.3.6 Розрахунок елементів каскаду зі складанням напруг --------- 17

1.4 Розрахунок предоконечного каскаду .--------------------------------------- 18

1.4.1 Активна колекторна термостабілізація ----------------------- 18

1.4.2 Розрахунок межкаскадной коректує ланцюга -------------------- 18

1.5 Розрахунок вхідного каскаду .------------------------------------------ ------ 21

1.5.1 Розрахунок еквівалентної схеми транзистора ------------------------- 21

1.5.2 Активна колекторна термостабілізація ----------------------- 21

1.5.3 Вхідна коригуюча ланцюг ------------------------------------- 22

1.6 Розрахунок розділових ємностей ------------------------------------- 24

1.7 Розрахунок коефіцієнта посилення ---------------------------------------- 25

Висновок ---------------------------------------------- ---------------------- 27

Список використаних джерел ------------------------------------ 27

ПріложеніеА Схема електрична принципова ---------------- 28

ПріложеніеБ Перелік елементів --------------------------------------- 30

Введення.

У теорії підсилювачів немає достатньо обгрунтованих доказів переваги використання того чи іншого схемного рішення при розробці конкретного підсилювального пристрою. У зв'язку з цим проектування широкосмугових підсилювачів багато в чому засноване на інтуїції і досвіді розробника. При цьому, різні розробники, частіше за все, по-різному вирішують поставлені перед ними завдання, досягаючи необхідних результатів [1].

Основна мета роботи - отримання необхідних навичок практичного розрахунку радіотехнічного пристрою (підсилювача потужності), усуспільнення отриманих теоретичних навичок і формалізація методів розрахунку окремих компонентів електричних схем.

Підсилювачі електричних сигналів застосовуються в широкій області сучасної техніки: в радіоприймальних і радіопередавальних пристроях, телебаченні, апаратури звукопідсилення та звукозапису, системах звукового мовлення, радіолокації, ЕОМ ". Як правило, підсилювачі здійснюють посилення електричних коливань із збереженням їхньої форми. Посилення відбувається за рахунок електричної енергії джерела живлення. Підсилювальні елементи мають керуючими властивостями.

Система пошуку нелінійностей складається з блоку формування складного скануючого за частотою сигналу, широкосмугового підсилювача потужності (ШУМ), та широкосмугового приймально-передавальної антени. ШУМ необхідний для створення на розшукуваної нелінійності такого рівня напруженості електромагнітного поля опромінення, який дозволив би приймальні апаратурою здійснити прийом продуктів нелінійного перетворення. [2]

Основними вимогами, що пред'являються до ШУМ, є: забезпечення заданої потужності випромінювання в широкій смузі частот; малий рівень нелінійних спотворень; високий коефіцієнт корисної дії; стабільність характеристик у діапазоні температур.

Пристрій, що розглядається в даній роботі, може широко застосовуватися на практиці в різних системах пошуку нелінейноатей.

Технічне завдання

Усилитель повинен відповідати наступним вимогам:

Робоча смуга частот: 10-250 МГц

Лінійні спотворення

в області нижніх частот не більше 1.5 дБ

в області верхніх частот не більше 1.5 дБ

Коефіцієнт підсилення 15 дБ

Вихідна потужність 10 Вт

Діапазон робочих температур: від +10 до +50 градусів Цельсія

Опір джерела сигналу і навантаження Rг = Rн = 50 Ом

1 Розрахункова частина

1.1. Визначення числа каскадів.

Число каскадів визначається виходячи з технічного завдання. Цей пристрій має забезпечувати коефіцієнт посилення 15 дБ, тому доцільно використовувати три каскаду, відвівши на кожен по 5-6дБ, залишивши запас щодо посилення потужності приблизно наполовину. [3]

1.1.1Структурная схема підсилювача.

Структурна схема, представлена на малюнку 1.1, містить крім підсилювальних каскадів коригувальні ланцюга, джерело сигналу і навантаження.

Малюнок 1.1 Структурна схема
1.2. Розподіл спотворень амлітудно-частотної
характеристики (АЧХ).
Виходячи з технічного завдання, пристрій повинен забезпечувати спотворення не більше 3дБ. Так як використовується три каскаду, то кожен може вносити не більше 1дБ спотворень в загальну АЧХ. Ці вимоги накладають обмеження на номінали елементів, що вносять спотворення. [4]
1.3. Розрахунок кінцевого каскаду.
1.3.1 Розрахунок каскаду зі складанням напруг

Доцільніше використовувати схему каскаду зі складанням напруг, тому що значно знижуються споживана потужність і величина напруги живлення. Так само вибір каскаду зі складанням напруг обумовлений великою смугою пропускання, за завданням від 10МГц до 250МГц, і досить великий вихідну потужність - 10 Вт. При виборі другого каскаду, резестівного або дросельного, виникають проблеми з вибором транзистора, тоді як каскад зі складанням напружень дозволяє досягти поставлені вимоги.
Схема каскаду по змінному струму наведена на малюнку 1.1 [4].

Малюнок 1.2 Схема каскаду зі складанням напруг
За умови:
(1.1)
Напруга, що віддається транзистором каскаду, так само вхідного, ток ж, що віддають попереднім каскадом, практично дорівнює струму навантаження. Тому що відчувається опір навантаження каскаду одно половині опору , його вхідний опір також рівне половині опору , аж до частот відповідних < img src = "http://localhost/uploads/posts/2009-10/1255912928_Usilitel_moshnosti_sistemy_poiska_nelineiynosteiy_5.gif" alt = "" width = "21" height = "25" /> = 0,7. Це слід враховувати при розрахунку робочих точок розглянутого і предоконечного каскадів.
1.3.2. Розрахунок робочої точки, вибір транзистора.
Поставимо запитання: що краще для даної схеми - включення опору або дроселя в колекторних ланцюг. Розглянемо обидва випадки:
а) У ланцюзі колектора використовується опір
Схема каскаду наведена на рис. 1.3.

Малюнок 1.3 Схема кінцевого каскаду по змінному струму.
У резистивної схемою найбільш ефективно використовувати опір в ланцюзі колектора рівну опору навантаження. Розрахуємо енергетичні параметри схеми, прийнявши однаковими опір навантаження і колектора:
Напруга на виході підсилювача:
, (1.1)
де P-потужність на виході підсилювача, Вт;
Rн - опір навантаження, Ом.
Тоді .
Вихідний струм на опорі навантаження:
, (1.2)
У даній схемі з'явиться еквівалентне Навантажувальне опір, що являє собою паралельне включення опорів і , в результаті вийде наступне:

Тоді вихідний струм буде таким:

де Rеквів - опір ланцюга колектора по змінному струму, Ом.
Тепер можна визначити робочу точку:
, де (1.3)

Напруга джерела живлення буде наступним:
(1.4)
Видно, що воно досить висока.
навантажувальні прямі по постійному і змінному струму наведено на ріс.1.4.
I, А
2.81
2.1
R ~
1.4
R_
18 35.6 53.2 U, В
Малюнок 1.4 - навантажувальні прямі по постійному і змінному струму.
Розрахунок прямої по постійному струму здійснюється за формулою:
(1.5)
Iк0 = 0: Uке0 = Еп = 53.2 В,
Uке0 = 0: Iк0 = Еп/Rк = 53.2/25 = 2.1 А.
Розрахунок прямої по змінному струму проводиться за формулами:
, ,
,
Знайдемо так само розрахункову потужність ланцюга і потужність споживання:
(1.6)
(1.7)
б) У ланцюзі колектора використовується дросель
Схема каскаду наведена на ріс.1.5.

Малюнок 1.5 - Схема кінцевого каскаду по постійному струму.
Розрахуємо енергетичні параметри. Значення не зміняться.
Еквівалентна Навантажувальне опір, що виникло в попередньому пункті, тут буде одно опору навантаження, тому що замінив дросель. Тоді вихідний струм буде таким:

струм в робочій точці зміниться:

Запишемо значення струму і напруги в робочій точці:
Uке0 = 18В
Iк0 = 0.7А.
Напруга джерела живлення:
Еп = Uке0 = 18В.
Видно, що напруга харчування значно зменшилася. Навантажувальні прямі по постійному і змінному струму наведено на рис. 1.6.
I, А
1.4 R_
R ~
0.7


18 34 U, В
Малюнок 1.6 - навантажувальні прямі по постійному і змінному струму.

Розрахунок прямої по постійному струму:

Розрахунок прямої по змінному струму:
, ,
, .
Знайдемо так само розрахункову потужність ланцюга і потужність споживання:

Зведемо результати розрахунків в окрему таблицю і проведемо порівняльний аналіз двох схем.
Таблиця 1.1 - Порівняльний аналіз схем      Параметр                                                      Схема з         53.2 В         25.4 Вт         74.9 Вт         1.4 А         18 В         Схема без         18 В         12.6 Вт         12.6 Вт         0.7 А         18 В
З таблиці випливає, що дросельний каскад споживає у кілька разів менше, напруга джерела живлення для нього потрібно невелике, що вигідно відрізняє дану схему. У подальших розрахунках вона і буде використовуватися.
Вибір транзистора здійснюється виходячи з технічного завдання, за яким можна визначити граничні електричні й частотні параметри необхідного транзистора. У даному випадку вони становлять (з урахуванням запасу 20%): [6]
Ік доп> 1.2 * Iк0 = 0.84 А
Uк доп> 1.2 * Uке0 = 21.6 В (1.8)
Рк доп> 1.2 * Pрасс = 15.2 Вт
Fт = (3-10) * fв = (3-10) * 250 МГц.
Цим вимогам з достатнім запасом відповідає широко поширений транзистор КТ 934В, довідкові дані якого наведені нижче [7]:
Ік = 2 А
Uке = 60 В
Pк = 30 Вт
Fт = 960 МГц.
при

1.3.3. Розрахунок еквівалентних схем транзистора КТ9 34В.


а) Модель Джіаколетто.
Модель Джіаколетто представлена на ріс.1.7.
Малюнок 1.7 - Еквівалентна схема Джіаколетто.
Необхідні для розрахунку довідкові дані:
, постійна ланцюга зворотного зв'язку.
, статичний коефіцієнт передачі струму бази.

, ємність колекторного переходу.
Знайдемо за допомогою постійної часу ланцюга зворотного зв'язку опір базового переходу нашої транзистора: [5]
(1.9)
З довідкових даних ми знаємо, що при , а на 18В. Для того, щоб звести параметри до одній системі скористаємося формулою переходу: [1]
(1.10)
в нашому випадку:

Тепер, знаючи всі параметри, можна знайти опір:
, тоді
Знайдемо значення колекторної ємності в робочій точці за тією ж формулою переходу:

Знайдемо значення решти елементів схеми:
, де (1.11)
- паспортне значення статичного коефіцієнта передачі,
- опір еміттеного переходу транзистора
Тоді
Ємність емітерного переходу: , де - типове значення граничної частоти коефіцієнта передачі струму, взяте з паспортних даних транзистора. [7]
Знайдемо що залишилися параметри схеми:
(1.12)
(1.13)
(1.14)
б) Однонаправлений модель. [4]
Однонаправлений модель представлена на ріс.1.8.

Малюнок 1.8 - Однонаправлений модель.
При визначенні значень елементів високочастотної моделі скористаємося паспортними даними транзистора: [7]
(1.15)
де - вхідний опір, - вихідна ємність, - вихідна сопротівленіе.В паспортних даних значення індуктивності. [7]

де - індуктивності висновків бази і емітера.
В результаті отримаємо:

1.3.4. Розрахунок схем термостабілізації транзистора КТ 934В.
емітерний термостабілізація наведена на ріс.1.9. [8]

Малюнок 1.9 Схема емітерной термостабілізації.
Розрахунок номіналів елементів здійснюється виходячи із заданої робочої точки. Напруга на емітер повинно бути не менше 3-5 В (в розрахунках візьмемо 3В), щоб стабілізація була ефективною.
Робоча точка:
Uке0 = 18В,
Iк0 = 0.7А.
Врахувавши це, отримаємо:
, де , а колекторний струм - , що було отримано раніше, тоді: і 1.16)
Видно, що розсіює потужність досить велика.
Базовий струм буде в раз менше колекторного струму:
, (1.17)
а струм базового подільника на порядок більше базового:
(1.18)
Врахувавши те, що напруга живлення буде таким:
, (1.19)
знайдемо значення опорів, що складають базовий дільник:
(1.20)
(1.21)
Схема активної колекторної термостабілізації підсилювального каскаду наведена на ріс.1.10.

Малюнок 1.10 - Схема активної колекторної термостабілізації.
Як керованого активного опору вибраний транзистор КТ361А із середнім коефіцієнтом передачі струму бази 50. [9] Напруга на
опорі ланцюга колектора по постійному струму має бути більше 1 В або рівним йому, що і застосовується в даній схемі [4].
Енергетичний розрахунок схеми:
. (1.22)
Потужність, розсіює на опорі колектора:
. (1.23)
Видно, що потужність розсіювання на окремому резистори зменшилася в три рази в порівнянні з попередньою схемою. Розрахуємо номінали схеми:
(1.24)
Номінали реактивних елементів вибираються виходячи з нерівностей:
(1.25)
Цим вимогам задовольняють такі номінали:
L = 30 мкГн (Rн = 25 Ом) і СБл = 0.1 мкФ (fн = 10 МГц).
Схема пасивної колекторної термостабілізації наведена на рис. 1.11 [8]


Малюнок 1.11 - Схема пасивної колекторної термостабілізації.
У даній схемі напруга на колекторі повинно змінюватися в межах від 5 до 10 В. Візьмемо середнє значення-7В.
Зробимо енергетичний розрахунок схеми:
. (1.26)
Потужність, розсіює на опорі колектора:
. (1.27)
Видно, що при використанні даної схеми потужність буде максимальна.
Розрахуємо номінали схеми:
. (1.28)
Порівнявши ці схеми видно, що і з енергетичної, і з практичної точки зору більш ефективно використовувати активну колекторних термостабілізація, яка і буде використовуватися далі.
1.3.5. Розрахунок вихідний коректує ланцюга.
У розглянутому вище підсилювальному каскаді розширення смуги пропускання було пов'язано за принципом послідовного з'єднання коригувальних ланцюгів (КЦ) та підсилювальних елементів [10].
Приклад побудови такої схеми підсилювача по змінному струму приведений на малюнку 1.12.

Малюнок 1.12 Схема підсилювача з коригуючими ланцюгами
При цьому розрахунки вхідних, вихідних та межкаскадних КЦ ведуться з використанням еквівалентної схеми заміщення транзистора наведеної на малюнку 1.8. З теорії підсилювачів відомо [11], що для отримання максимальної вихідної потужності в заданій смузі частот необхідно реалізувати те, що відчувається опір навантаження, для внутрішнього генератора транзистора, рівне постійній величині у всьому робочому діапазоні частот. Це можна реалізувати, включивши вихідну ємність транзистора (див. малюнок 1.8) в фільтр нижніх частот, що використовується в якості вихідної КЦ. Схема включення вихідний КЦ наведена на малюнку 1.13.

Малюнок 1.13Схема вихідний коректує ланцюга
Від вихідного каскаду підсилювача потрібно одержання максимально можливої вихідної потужності в заданій смузі частот [12]. Це досягається шляхом реалізації відчутного опору навантаження для внутрішнього генератора транзистора рівним постійною величиною у всьому робочому діапазоні частот. Одна з можливих реалізацій -- включення вихідний ємності транзистора у фільтр нижніх частот, що використовується в якості вихідної КЦ. Розрахунок елементів КЦ проводиться за методикою Фано, що забезпечує максимальне узгодження в необхідній смузі частот.
За наявною вихідний ємності каскаду (обчисленої у пункті 1.3.3) знайдемо параметр b3, щоб застосувати таблицю коефіцієнтів [13]:
. (1.29)
З таблиці отримаємо наступні значення параметрів з урахуванням величини b3 (зробивши округлення її):
C1н = b1 = 1.9, L1н = b2 = 0.783, C1н = b3 = 1.292, S = 0.292, 1.605.
Разнорміруем параметри і знайдемо номінали елементів схеми:
. (1.30)
1.3.6 Розрахунок елементів каскаду зі складанням напруг
При виконанні умови (1.1) коефіцієнт підсилення каскаду в області верхніх частот описується виразом.
,
де
;
;
;
;
.
Оптимальна по Брауде АЧХ каскаду реалізується при розрахунку , за формулами [4]:
; (1.31)
,?? (1.32)
а значення визначається з співвідношення:
. (1.33)
Розрахувати , , каскаду зі складанням напруги наведеного на рисунку 1.1, при використанні транзистора КТ934В і умов: = 25 Ом; = 0,9.
За формулами (1.31), (1.32) отримаємо
; )
,
= 625 Ом; = 370 пФ. Тепер по (1.33) знайдемо
= 320 МГц.
Розрахунок кінцевого каскаду закінчений.
1.4 Розрахунок предоконечного каскаду.
1.4.1 Активна колекторна термостабілізація.
Схема активної колекторної термостабілізації предоконечного каскаду аналогічна активної колекторної термостабілізації вихідного каскаду.
1.4.2 Розрахунок межкаскадной коректує ланцюга.
Межкаскадная коригуюча ланцюг (МКЦ) третього порядку представлена на ріс.1.14. [13]

Малюнок 1.14 - Межкаскадная коригуюча ланцюг третього порядку.
Ланцюг такого виду забезпечує реалізацію підсилювального каскаду з АЧХ, що лежить у межах необхідних відхилень з заданими частотними спотвореннями [1]. АЧХ в даному випадку являє собою поліном. У теорії фільтрів відомі табульованого значення коефіцієнтів , , відповідні необхідної формі АЧХ ланцюга описуваної функцією даного типу. Врахувавши задану нерівномірність АЧХ () запишемо ці коефіцієнти:

У вхідному каскаді будемо використовувати менш потужний транзистор КТ934Б [12], а не КТ934В, це диктується вимогами до коефіцієнта посилення і забезпечує нормальне узгодження каскадів і роботу всього підсилювача. параметри транзистора КТ934В такі:

при

Починаючи з даного моменту доцільно скористатися допомогою ЕОМ. Всі розрахунки, показані нижче
Розрахунок полягає в знаходженні ряду нормованих значень і коефіцієнтів, спершу знаходимо нормовані значення :
, (1.34)
= - нормовані значення , , .
Тут і - вихідний опір і ємність транзистора КТ934В, а і - вхідний опір і індуктивність транзистора КТ934В.
В результаті отримаємо:

Знаючи це, розрахуємо наступні коефіцієнти:
;
;