Реферат: Усилитель генератора с емкостным выходом
Министерствообразования Российской Федерации.
ТОМСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедрарадиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)
УСИЛИТЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА С ЕМКОСТНЫМВЫХОДОМ
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту по дисциплине «Схемотехника АЭУ»
Студент гр. 148-3
_______Д.А.Дубовенко
12.05.01
Руководитель
Доцент кафедры РЗИ
________ _______А. А. Титов
2001
Реферат
Курсовая работа 35 с., 15 рис., 1 табл., 4 источника.
УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ПОЛОСА РАБОЧИХ ЧАСТОТ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ
В данной курсовой работе рассчитывается широкополосный высокочастотныйусилитель генератора с емкостным выходом, а также корректирующие истабилизирующие цепи.
Цель работы — приобретение навыков расчета номиналов элементов усилительногокаскада, подробное изучение существующих корректирующих и стабилизирующихцепей, умения выбрать необходимые схемные решения на основе требованийтехнического задания.
В процессе работы были осуществлены инженерные решения (выбор транзисторов,схем коррекции и стабилизации), расчет номиналов схем.
В результате работы получили принципиальную готовую схему усилительного устройствас известной топологией и номиналами элементов, готовую для практического применения.
Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительныхустройств.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2000 и представлена на дискете3,5” (в конверте на обороте обложки).
Задание
накурсовое проектирование по курсу «Аналоговые электронные устройства».
Темапроекта – Усилитель генератора с емкостным выходом.
Исходныеданные для проектирования:
диапазон частот: 1МГц – 200МГц,
допустимыечастотные искажения: Мн=3 дБ Мв=3 дБ,
усиление:15 дБ,
источниквходного сигнала: Rн=/>, Сг=15 пФ,
выходнаямощность: 2 Вт,
нагрузка:50 Ом,
условияэксплуатации: +10 С — +60 С.
Содержание
1Введение --------------------------------------------------------------------------------- 5
2Расчеты----------------------------------------------------------------------------------- 6
2.1 Определение числа каскадов------------------------------------------------------- 6
2.2Распределение искажений — ----------------------------------------- 6
2.3Расчет оконечного каскада---------------------------------------------------------- 6
2.3.1Расчет рабочей точки, выбор транзистора ------------------------------------- 6
2.3.2Расчет эквивалентных схем------------------------------------------------------ 10
2.3.3Расчет схем термостабилизации ------------------------------------------------ 12
2.3.4Расчет выходной корректирующей цепи -------------------------------------- 16
2.3.5 Расчет межкаскадной корректирующей цепи ------------------------------- 17
2.4Расчет предоконечногокаскада.--------------------------------------------------- 20
2.4.1Расчет схемы термостабилизации ---------------------------------------------- 20
2.4.2Расчет межкаскадной корректирующей цепи -------------------------------- 22
2.5Расчет входногокаскада.------------------------------------------------------------ 24
2.5.1Расчет схемы термостабилизации входного каскада ---------------------- 25
2.5.2Расчет входной корректирующей цепи ---------------------------------------- 27
2.6Расчет разделительных емкостей-------------------------------------------------- 29
3Заключение ------------------------------------------------------------------------------ 31
Списокиспользованных источников ------------------------------------------------- 32
РТФКП. 468740.001.Э3 Усилитель генератора с емкостным выходом.
Схема электрическая принципиальная ------------------33
РТФКП.468740.001.ПЭЗ Усилитель генератора с емкостным выходом.
Перечень элементов ----------------------------------------34
Введение.
Основная цель работы — получение необходимых навыков практического расчетарадиотехнического устройства (усилителя мощности), обобществление полученныхтеоретических навыков и формализация методов расчета отдельных компонентовэлектрических схем.
Усилители электрических сигналов применяются во всех областях современнойтехники и народного хозяйства: в радиоприемных и радиопередающих устройствах,телевидении, системах звукового вещания, аппаратуре звукоусиления извукозаписи, радиолокации, ЭВМ. Также они нашли широкое применение вавтоматических и телемеханических устройствах, используемых на современныхзаводах. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний,сохраняя их форму. Усиление происходит за счет электрической энергии источникапитания. Т. о., усилительные элементы обладают управляющими свойствами.
Устройство, рассматриваемое в данной работе, может широко применяться напрактике. Примерами может служить телевизионный приемник, система индикациирадиолокационной станции и другие устройства индикации.
Устройство имеет немалое научное и техническое значение благодаря своейуниверсальности и широкой области применения.
2. Расчеты
2.1. Определение числа каскадов
Число каскадов определяется исходя из технического задания. Данное устройстводолжно обеспечивать коэффициент усиления 15дБ, поэтому целесообразноиспользовать три каскада, отведя на каждый только по 5дБ, чтобы усилитель былстабильным. Также с тремя каскадами легче обеспечить запас усилению мощности.
2.2. Распределение искажений амлитудно-частотной характеристики (АЧХ)
Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения неболее 3дБ. Так как используется три каскада, то каждый может вносить не более1дБ искажений в общую АЧХ. Эти требования накладывают ограничения на номиналыэлементов, вносящих искажения.
2.3. Расчет оконечного каскада
2.3.1. Расчет рабочей точки (энергетический расчет)
Рассмотрим две схемы реализации выходного каскада: резистивную и дроссельную.Выбор той или иной схемы осуществим на основе полученных данных расчета.Критерий выбора – оптимальные энергетические характеристики схемы. Такжевыберем транзистор, удовлетворяющий требованиям задания.
а)Резистивная схема
Схема резистивного каскада приведена на рисунке 2.1 данного пункта.
/>
Рисунок 2.1 – Схемаоконечного каскада по переменному току.
Обычно сопротивление в цепи коллектора принимают порядка Rн.Рассчитаем энергетические параметры. Напряжение на выходе усилителярассчитывается по формуле:
/>, (2.1)
гдеP- мощность на выходе усилителя, Вт;
Rн – сопротивление нагрузки, Ом.
Тогда />. Ток транзисторавычисляется по формуле (2.2).
/>, (2.2)
где Rперем – сопротивление цепи коллектора попеременному току, Ом.
Тогда />.
/> Теперь можно определитьрабочую точку:
Uкэ0=Uвых+Uостаточное =16.5В, (2.3)
Iк0=1.1*Iтр=0.62А.
Напряжение Uкэ0 получено при условии, чтовеличина напряжения Uостаточное, находящаясяв пределах от 2В до 4В, имеет значение 2.4В.
Напряжение источникапитания при этом:
Еип=Uкэ0+Rк*Iк0=16.5В+50*0.62В=47.5В. (2.4)
Видно, что напряжение питания достаточно высокое.
Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рисунке 2.2.
/>/>/>
Рисунок 2.2 –Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.
Расчет прямой по постоянному току производится по формуле:
Еип=Uкэ0+Rк*Iк0. (2.5)
Iк0=0: Uкэ0=Еип=47.5В,
Uкэ0=0: Iк0=Еип/ Rк=47.5/50А=0.95А.
Расчет прямой по переменному току производится по соотношениям:
/>, />,
/>, />.
б) Дроссельная схема
Схема каскада приведена на рисунке 2.3 данного пункта.
/>
Рисунок 2.3 – Схемаоконечного некорректированного каскада.
Рассчитаем энергетические параметры по известным формулам:
/>,
/>,
где Rн – сопротивление нагрузки по переменному току.
/> Определим рабочуюточку:
Uкэ0=Uвых+Uостаточное (2.4В)=16.5В
Iк0=1.1*Iтр=0.31А.
Напряжение источника питания:
Еип=Uкэ0 =16.5В.
Видно, что напряжение питания значительно уменьшилось. Нагрузочные прямые попостоянному и переменному току приведены на рисунке 2.4.
/>
Рисунок 2.4 –Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.
Расчет прямой по постоянному току:
Еип=Uкэ0
Расчет прямой по переменному току:
/>, />,
/>, />.
Проведем сравнительный анализ двух схем.
Таблица2.1 — Сравнительный анализ схем
ПараметрЕип, В
Ррасс, Вт
Рпотр, Вт
Iк0, мА
Uкэ0, В
Rк
47.5 10.2 29.45 0.62 16.5 Дроссель 16.5 5.1 5.1 0.31 16.5Мощностирассеивания и потребления рассчитывались по формулам:
/>, (2.6)
/> (2.7).
Таблица наглядно показывает, что использовать дроссель вцепи коллектора намного выгоднее с энергетической точки зрения. Поэтому далеебудем использовать именно эту схему.
Выбор транзистора осуществляется исходя из технического задания, по которомуможно определить предельные электрические и частотные параметры требуемоготранзистора. Для данного задания они составляют (с учетом запаса 20%):
Iкдоп > 1.2*Iк0=0.372 А
Uк доп> 1.2*Uкэ0=20 В (2.8)
Рк доп> 1.2*Pрасс=6.2 Вт
Fт= (3-10)*fв=(3-10)*200МГц.
Этим требованиям с достаточным запасом отвечаеттранзистор 2Т 916А [1], сравнительные справочные данные которого приведеныниже:
Iк=2 А – максимально допустимый постоянный токколлектора,
Uкэ=55 В – максимальное постоянное напряжениеколлектор-эмиттер,
Pк=20 Вт – выходная мощность при 1ГГц,
Fт= 1.4 ГГц – граничная частота коэффициентапередачи тока базы,
/>, постоянная времени цепиобратной связи,
/>, статический коэффициентпередачи тока в схеме с общим эмиттером,
/>, емкость коллекторногоперехода,
/>, коэффициент передачи токав схеме с общей базой,
/>, емкость коллекторногоперехода, при напряжении коллектор-эмиттер, равном 10 В,
Lэ=0.35 нГн, индуктивность эмиттерного выхода,
Lб=1 нГн, индуктивность базового вывода.
2.3.2.Расчет эквивалентных схем транзистора 2Т 916А
В данном пункте рассчитаем две эквивалентные схемы замещения транзистора:низкочастотную модель Джиаколетто [2] и высокочастотную однонаправленную модель[2]. Полученные эквивалентные параметры найдут применение в последующихрасчетах.
а)Модель Джиаколетто
Модель Джиаколетто представлена на рисунке 2.5.
/>
Рисунок 2.5 — Эквивалентная схема Джиаколетто.
Для расчета используем справочные данные, выписанные выше [1]. Пересчитаемемкость коллекторного перехода на напряжение 10 В:
/>, емкостьколлекторного перехода, рассчитанная при том же напряжении, что и постояннаявремени цепи обратной связи.
Элементы схемы рассчитываются по формулам [2]:
/>, (2.9)
/>,
/>, (2.10)
/>, (2.11)
/>,
/>, (2.12)
/>, (2.13)
/>, (2.14)
/>.
б) Однонаправленная модель
Однонаправленная модель представлена на рисунке 2.6данного пункта.
/>
Рисунок2.6 — Однонаправленная модель.
Элементымодели рассчитываются на основе справочных данных по формулам [2]:
/>, (2.15)
/>. (2.16)
2.3.3 Расчет схем термостабилизации
В этом пункте производится сравнение эффективностииспользования различных схем термостабилизации транзистора выходного каскада:эмиттерной и активной коллекторной. Схема термостабилизации поддерживаетзначение постоянного тока, текущего через транзистор, на определенном,неизменном уровне при изменении внешних факторов (температура). Схемаэмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 2.7.
/>
Рисунок2.7 – Схема эмиттерной термостабилизации.
/> Расчет номиналов элементов осуществляется по известной методике, исходя иззаданной рабочей точки. На эмиттере должно падать напряжение не менее 3-5 В,чтобы стабилизация была эффективной. Рабочая точка:
Uкэ0=16.5В,
Iк0=0.31А.
Номинал резистора Rэнаходится по закону Ома:
/>. (2.17)
Емкость СЭ обеспечивает беспрепятственноепрохождение высокочастотной составляющей эмиттерного тока. Рассчитывается поформуле:
/>. (2.18)
Тогда />.
Мощность, рассеиваемая на резисторе RЭ:
/>. (2.19)
Видно, что рассеиваемая мощность значительна. Этоявляется определенным недостатком, т.к. создает дополнительные сложности припрактическом исполнении устройства.
Энергетический расчет производится по формулам:
/>. (2.20)
Номиналы резисторов делителя рассчитываются по формулам:
/>. (2.21)
Расчет схемы эмиттерной термостабилизации закончен.
Схема активной коллекторной термостабилизации усилительного каскада приведенана рисунке 2.8.
/>
Рисунок2.8 – Схема активной коллекторной термостабилизации.
В качестве управляемого активного сопротивления выбранмаломощный транзистор КТ 316А со средним коэффициентом передачи тока базы 50.Напряжение на сопротивлении цепи коллектора по постоянному току должно бытьбольше 1 В, в данной схеме оно принято за 1.24 В.
Энергетический расчет схемыпроизводится по формулам [2]:
/>. (2.22)
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:
/>. (2.23)
Видно, что мощность рассеивания на отдельном резистореуменьшилась почти в три раза по сравнению с предыдущей схемой.
Рассчитаем номиналы схемы [2]:
/>. (2.24)
Номиналы реактивных элементов рассчитываются по формулам:
/> (2.25)
Этим требованиям удовлетворяют следующие номиналы:
/>
Сравнивая две схемы видно, что более эффективноиспользовать активную коллекторную термостабилизацию, и с энергетической, и спрактической точек зрения. Поэтому далее в принципиальной электрической схемеусилителя будет использоваться активная коллекторная схема термостабилизации.
2.3.4. Расчет выходной корректирующей цепи
Схемаоконечного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведена нарисунке 2.9.
/>
Рисунок2.9 – Схема выходной корректирующей цепи.
Отвыходного каскада усилителя требуется получение максимально возможной выходноймощности в заданной полосе частот [1]. Это достигается путем реализацииощущаемого сопротивления нагрузки для внутреннего генератора транзистора равнымпостоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Одна из возможныхреализаций — включение выходной емкости транзистора в фильтр нижних частот,используемый в качестве выходной КЦ. Расчет элементов КЦ проводится по методикеФано, обеспечивающей максимальное согласование в требуемой полосе частот.
Поимеющейся выходной емкости каскада (вычисленной в пункте 2.3.2) найдем параметрb3, чтобы применить таблицу коэффициентов [1]:
/>. (2.26)
Требуемые параметры из таблицы коэффициентов [1] с учетом величины b3:
C1н=b1=1.2, L1н=b2=0.944, />1.238.
Разнормируем параметры и найдем номиналы элементов схемы:
/>. (2.27)
2.3.5Расчет межкаскадной корректирующей цепи
Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка представлена на рисунке2.10.
/>
Рисунок2.10 — Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка.
Цепь такого вида обеспечивает реализациюусилительного каскада с различным наклоном АЧХ, лежащим в пределах необходимыхотклонений (повышение или понижение) с заданными частотными искажениями [1].Таблица коэффициентов, полученная с помощью методики проектированиясогласующе-выравнивающих цепей транзисторных усилителей, позволяет выбратьнормированные значения элементов МКЦ исходя из технического задания. МКЦ вданном усилителе должна обеспечить нулевой подъем АЧХ, с частотными искажениямив пределах />. Требованиям техническогозадания соответствуют табличные [1] значения:
/>
Тип транзистора в каскаде, предшествующему данной МКЦ, точно такой же, как и ввыходном каскаде. Это имеет значение для параметров нормировки элементов МКЦоконечного каскада. Для расчета нормированных значений элементов МКЦ,обеспечивающих заданную форму АЧХ с учетом реальных значений Cвыхи Rн, следует воспользоваться формуламипересчета [1]:
/>. (2.28)
Найдем величины, необходимые для расчета нормированных величин по известнымформулам:
/>
Пересчитаем табличные величины с учетом корректирующих формул:
/> (2.29)
Разнормируем элементы МКЦ по формулам:
/> , />. (2.30)
Рассчитаем номиналы элементов корректирующей схемы:
/>
Рассчитаем дополнительные параметры:
/> (2.31)
где S210-коэффициент передачи оконечного каскада. Расчет оконечного каскада закончен.
2.4 Расчетпредоконечного каскада
Транзистор остался прежним. Это диктуется требованиями к коэффициенту усиления.Значения элементов схемы Джиаколетто и однонаправленной модели не изменились.
2.4.1 Активная коллекторная термостабилизация
Схема активнойколлекторной термостабилизации предоконечного каскада приведена на рисунке2.11.
/>
Рисунок 2.11 – Схемаактивной коллекторной термостабилизации.
Все параметры для предоконечного каскада осталисьпрежними, но изменилась рабочая точка:
/> Uкэ0= 16.5В
Iк0= Iк0оконечного/S210Vtоконечного=0.101А.
Энергетический расчет производится по формулам,аналогичным (2.22):
/>
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:
/>.
Рассчитаем номиналы схемы поформулам (2.24):
/>
Номиналы реактивных элементов рассчитываются по формулам(2.25):
/>
Этим требованиям удовлетворяют следующие номиналы:
/>
2.4.2 Межкаскадная корректирующая цепь
Межкаскадная корректирующая цепь приведена на рисунке2.12.
/>
Рисунок2.12 — Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка.
Методика расчета корректирующей цепи не изменилась, условия – прежние, т.к. типтранзистора не изменился. Транзистор входного каскада аналогичен транзисторупредоконечного каскада, поэтому параметры нормировки не изменились. Табличныезначения прежние:
/>
Величины, необходимые для разнормировки, не изменились по сравнению с оконечнымкаскадом:
/>
Нормированные параметры МКЦ не изменились:
/>
Разнормируем элементы МКЦ:
/>
Рассчитаем дополнительные параметры:
/>
где S210 — коэффициент передачи предоконечного каскада. Расчет предоконечного каскадаокончен.
2.5 Расчет входного каскада
Схема входногокорректированного каскада приведена на рисунке 2.13. Сигнал подается отгенератора с емкостным выходом. У генератора по заданию активная составляющаявыходного сопротивления равна бесконечности. Так как невозможно реализоватьреальный усилительный каскад с таким параметром генератора, сопротивление Rгприняли равным 100 Ом.
/>
Рисунок 2.13 –Входной корректированный каскад.
Транзистор входногокаскада остался прежним. Это диктуется требованиями к коэффициенту усиления.
2.5.1 Активная коллекторная термостабилизация
Схема активной коллекторной термостабилизации приведена на рисунке 2.14. Расчетсхемы производится по той же методике, что и для оконечного каскада.
/>
Рисунок 2.14 – Схемаактивной коллекторной термостабилизации.
/> Все параметрыдля входного каскада остались прежними, но изменилась рабочая точка:
Uкэ0= 16.5В,
Iк0= Iк0предоконечного/S210Vt предоконечного=33мА.
Энергетический расчет производится по известным формулам:
/>
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:
/>.
Рассчитаем номиналы схемы:
/>
Номиналы реактивных элементов рассчитываются по формулам(2.25):
/>
Этим требованиям удовлетворяют следующие номиналы:
/>
2.5.2 Расчет входной корректирующей цепи
Вкачестве входной корректирующей цепи используется диссипативная корректирующаяцепь четвертого порядка, которая приведена на рисунке 2.15. Применение такойцепи позволяет обеспечить требования, поставленные техническим заданием.Нормировка элементов МКЦ осуществляется на выходные емкость генератора и сопротивление.
/>
Рисунок2.15 — Входная корректирующая цепь четвертого порядка.
Методика расчета корректирующей цепи не изменилась, условия – прежние, т.к. типтранзистора не изменился. Нормировка элементов цепи осуществляется на выходныеемкость и сопротивление генератора. Табличные значения нормированных элементовпрежние:
/>
Величины, необходимые для разнормировки, изменились с учетом параметровгенератора:
Нормированные параметры изменились:
/>
Разнормируем элементы МКЦ:
/>
Рассчитаем дополнительные параметры:
/>
где S210 — коэффициент передачи входного каскада.Расчет входного каскада окончен.
2.6 Расчет разделительных емкостей
Рассчитываемый усилитель имеет 4 реактивных элемента, вносящих частотныеискажения — разделительные емкости. Усилитель должен обеспечивать в рабочейполосе частот искажения АЧХ, не превышающие 3дБ. Номинал каждой емкости сучетом заданных искажений, параметров корректирующей цепи и транзистора,рассчитывается по формуле [2]:
/> (2.32)
где Yн – заданныеискажения; R11 – параллельное соединение выходногосопротивления транзистора и соответствующего сопротивления МКЦ (R2),Ом R22 – соответствующий номинал резистора МКЦ (Rдоп), Ом; wн – нижняя частота, Рад/с.
Приведем искажения,заданные в децибелах, к безразмернойвеличине: />, (2.33)
где М– частотные искажения, приходящиеся на каскад, Дб. Тогда
/> />
Номинал разделительной емкости оконечного каскада:
Номинал разделительной емкости предоконечного каскада:
/>
Номинал разделительной емкости входного каскада:
/>
На этом расчет разделительных емкостей и усилителя заканчивается.
3.Заключение.
В результате выполненной курсовой работы получена схема электрическаяпринципиальная усилителя генератора с емкостным выходом. Известны топологияэлементов и их номиналы. Поставленная задача решена в полном объеме, однако дляпрактического производства устройства данных недостаточно. Необходимаяинформация может быть получена в результате дополнительных исследований,необходимость которых в техническом задании настоящего курсового проекта неуказывается.
Список использованныхисточников
1 Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней ибольшой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. – М.: КУБК-а, 1997.
2 Титов А.А. Расчет корректирующих цепей широкополосныхусилительных каскадов на биполярных транзисторах – referat.ru/download/ref-2764.zip.
3 Титов А.А. Григорьев Д.А. Расчет элементоввысокочастотной коррекции усилительных каскадов на полевых транзисторах. –Томск, 2000. — 27 с.
4 Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. – М.:Связь, 1977.