Реферат: Усилитель кабельных систем связи
Министерство образования РоссийскойФедерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ(ТУСУР)
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)
УСИЛИТЕЛЬ КАБЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ СВЯЗИ
Пояснительная записка к курсовому проекту подисциплинеСхемотехника и АЭУ
Студент гр. 148-3__________Булдыгин А.Н.
24.04.2001
Руководитель
Доцент кафедры РЗИ_____________Титов А.А.
_____________
2001
Реферат
Курсовой проект 19 с., 11 рис., 1табл.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ(АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.
Объектом проектирования являетсяусилитель кабельных систем связи.
Цель работы – приобретениенавыков аналитического расчёта усилителя по заданным к нему требованиям.
В процессе работы производилсяаналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом былпроизведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентныемодели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.
В результате расчета былразработан магистральный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилительможет быть использован для компенсации потерь мощности, устанавливаемый междумногокилометровыми отрезками кабелей.
Курсовая работа выполнена втекстовом редакторе Microsoft Word 7.0.
Рисунки выполнены в графическомредакторе Actrix Technical.
ТЕХНИЧЕСКОЕЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование покурсу “Аналоговые электронные устройства”
студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н.
Тема проекта: Усилитель кабельныхсистем связи.
Исходные данные для проектированияаналогового устройства.
1. Диапазон частот от 40 МГц до 230МГц.
2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB.
3. Коэффициент усиления 30 dB.
4. Сопротивление источника сигнала 50Ом.
5. Амплитуда напряжения на выходе 2В.
6. Характер и величина нагрузки 50Ом.
7. Условия эксплуатации (+10 +60)ºС.
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 расчётэквивалентных схем замещения---- 8
2.2.2.1 Расчёт параметров схемыДжиаколетто — 8
2.2.2.2 Расчёт однонаправленноймодели транзистора ------------------ 9
2.2.3 Расчёт и выбор схемытермостабилизации — 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 заданнымк нему требованиям.
Кабельныесистемы связи являются одной из важных составляющих глобальных и локальных мировыхсистем телекоммуникаций. Для компенсации потерь мощности сигнала, в такихсистемах, используются широкополосные усилители, устанавливаемые междумногокилометровыми отрезками кабелей.
Указанные усилители относятся к необслуживаемым устройствам и должныобладать следующими достоинствами: хорошее согласование по входу и выходу,исключающее возможность переотражения сигналов в кабельных сетях; неизменностьпараметров усилителя во времени, в диапазоне температур, и при старенииактивных элементов схемы; хорошая повторяемость характеристик усилителей при ихпроизводстве, без необходимости подстройки;
Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители сотрицательными перекрестными обратными связями [1], что достигается благодарясовместному использованию последовательной местной и общей параллельнойобратной связи по току в промежуточных каскадах и параллельной обратной связипо напряжению в выходном каскаде.
2Основная часть
2.1Анализ исходных данных
Среднестатистический транзистор даёт усиление в 20 dB, по заданию унас 30 dB, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь какминимум />2 каскада. Реализуемусилитель на 2-х активных элементах. Уровень допустимых искажений АЧХ, позаданию, 3 dB, тогда на каждый каскад приходится по 1,5 dB.
Вследствиетого, что у нас будут перекрёстные обратные связи рис.(2.3.1), которые намдадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/3 выходногонапряжения, то возьмём Uвых в 1,5 раза больше заданного, т.е. 3В.
2.2Расчёт оконечного каскада
2.2.1Расчёт рабочей точки
Позаданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор эмитери ток коллектора (рабочую точку) [2].
Uвых=1,5Uвых(заданного)=3(В)
Iвых=/>=/>=0,06 (А)
Рассмотримдва варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя [2]: перваясхема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад.
Реостатныйкаскад:
/> <td/> />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.
каскадапо переменному току.
Iвых=/>=/>=0,12 (А)
Uкэ0=Uвых+Uост,где (2.2.1)
Uкэ0-напряжение рабочей точки илипостоянное напряжение на переходе коллектор эмитер. Uвых-напряжениена выходе усилителя.
Uост-остаточное напряжение натранзисторе.
Iк0=Iвых+0,1Iвых,где (2.2.2)
Iк0-постоянная составляющая токаколлектора.
Iвых-ток на выходе усилителя.
Uкэ0=5 (В)
Iк0=0,132 (А)
Выходнаямощность усилителя равна:
Pвых=/>=/>=0,09 (Вт)
Напряжениеисточника питания равно:
Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+Iк0×Rк=11,6 (В)
Мощностьрассеиваемая на коллекторе транзистора:
Pрасс=Uкэ0×Iк0=0,66(Вт)
/> <td/> />Мощность потребляемая от источника питания:
Рпотр=Eп×Iк0=1,5312 (Вт)
Iвых=/> =/>=0,06 (А)
Дроссельныйкаскад рис(2.2.1.3).
/> <td/> />Рисунок 2.2.1.3-Схема дроссельного Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые.
каскадапо переменному току.
Поформулам (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)
Ркрасс=Uкэ0×Iк0=0,33 (Вт)
Рпотр=Eп×Iк0=0,33 (Вт)
Таблица2.2.1.1- 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 0,066Из рассмотренныхвариантов схем питания усилителя видно, что целесообразнее использоватьдроссельный каскад.
2.2.2 Выбортранзистора и расчёт эквивалентных схем замещения.
На основании следующихнеравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2;Рк расс> Рк расс(доп)*1,2; fт>(3¸10)*fв>2300МГц выберем транзистор, которым будет являться 2Т996А [5]. Его параметрынеобходимые при расчете приведены ниже:
tс=4,6 пс- постоянная цепи обратной связи,
Ск=1,6 пФ- ёмкость коллекторапри Uкэ=10 В,
b0=55- статическийкоэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером,
Uкэ0(доп)=20 В, Iк0(доп)=200мА- соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе ипостоянной составляющей тока коллектора,
Ркрасс(доп)=2,5 Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт=5000МГц- значение граничной частоты транзистора при которой />=1,
Lб=1 нГн, Lэ=0,183нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно.
.
2.2.2.1Расчётпараметров схемы Джиаколетто.
/>
Рисунок2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного
транзистора (схема Джиаколетто).
Расчётоснован на [2].
Ск(треб)=Ск(пасп)*/>=1,6×/>=2,26(пФ), где
Ск(треб)-ёмкостьколлекторного перехода при заданном Uкэ0,
Ск(пасп)-справочноезначение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп).
rб= />=2,875(Ом); gб=/>=0,347(Cм), где
rб-сопротивление базы,
/>-справочноезначение постоянной цепи обратной связи.
rэ=/> =/>=0,763 (Ом), где
Iк0 в мА,
rэ-сопротивление эмитера.
gбэ=/>=/>=0,023, где
gбэ-проводимость база-эмитер,
/>-справочноезначение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмитером.
Cэ=/>=/>=41,7 (пФ), где
Cэ-ёмкость эмитера,
fт-справочноезначение граничной частоты транзистора при которой />=1
Ri= />=100(Ом), где
Ri-выходное сопротивлениетранзистора,
Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственнопаспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постояннойсоставляющей тока коллектора.
gi=0.01(См).
2.2.2.2Расчётоднонаправленной модели транзистора.
/> <td/> />
Данная модель применяется в области высокихчастот [4].
Рисунок2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора.
Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183(нГн), где
Lб,Lэ-справочныезначения индуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно,
Lвх-индуктивность входатранзистора.
Rвх=rб=2,875 (Ом),где
Rвх-входное сопротивлениетранзистора.
Rвых=Ri=100 (Ом), где
Rвых-выходное сопротивлениетранзистора.
Свых=Ск(треб)=2,26(пФ), где
Свых-выходнаяёмкость транзистора.
fmax=fт=5 (ГГц), где
fmax-граничная частотатранзистора.
2.2.3Расчёт и выбор схемы термостабилизации.
2.2.3.1Эмитерная термостабилизация.
Эмитернаятермостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощностив ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует,а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температурпри напряжении на эмиттере более 3В [3
/>
Рисунок2.2.3.1.1-Схема каскада с эмитерной термостабилизацией.
Рассчитаемпараметры элементов данной схемы.
Возьмёмнапряжение на эмиттере равным Uэ=4 (В);
Eп=Uкэ0+Uэ=9(В);
Сопротивлениев цепи эмитера будет равно:
Rэ=/> =/>=66 (Ом);
Rб1=/>,Iд=10×Iб, 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).
Нарядус эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторнаятермостабилизации.
/> <td/> />2.2.3.2 Пассивная коллекторная:
Рисунок2.2.3.2.1- Схема пассивной коллекторной термостабилизации.
Сиспользованием [3].
Rк=50 (Ом);
URк=Iк0×Rк=3,3 (В), где
URк-падение напряжения на Rк.
Eп=Uкэ0+URк=8,3(В);
Iд=0,012 (А);
Rб=/> =360(Ом).
Токбазы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке Ападает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальшетоку коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должноизмениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только вмаломощных каскадах. Но в силу того, что мы будем применять перекрёстные обратныесвязи, данная схема нам не подходит.
2.2.3.3Активная коллекторная термостабилизация.
Можно сделать чтобы Rбзависило от напряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что принезначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится(уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк можнопоставить меньшее на котором бы падало порядка 1В [3] см. рис.(2.2.3.3.1).
Статическийкоэффициент передачи по току второго транзистора b2=50;
Rк=/>=/>=15,15 (Ом);
Eп=Uкэ0+URк=5+1=6(В);
Напряжениена базе второго транзистора будет равно:
UБ2=Uкэ0-0,7=5-0,7=4,3(В);
Токколлектора второго транзистора будет равен:
Iк2=Iд1=0,012 (А);
Iд2=10×Iб2=10×/>=/>=0.0024 (A), где
Iд2,Iб2-токибазового делителя и базы второго транзистора соответственно.
R3=/>=/>=708,3 (Ом);
R1=/>=/>=1,792 (кОм);
Напряжениев рабочей точке второго транзистора будет равно />;
R2=/>=/>=1500 (Ом).
/> <td/> />Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторнаятермостабилизация.
Данная схема требуетзначительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. ЕслиСф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, агенерировать, т.е. данный вариант не желателен, поскольку параметры усилителядолжны как можно меньше зависеть от изменения параметров его элементов, позаданию. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберемэмитерную.
2.3Расчёт усилителя.
Поскольку мы будемиспользовать перекрёстные обратные [1],[3], то все соответствующие элементысхемы будут одинаковы, т.е. по сути дела расчёт всего усилителя сводится красчёту двух каскадов рис.(2.3.1). Достоинством данной схемы является то, чтопри выполнении условия /> схемаоказывается согласван-ной по входу и выходу с КСВН не более 1,3 в диапазонечастот, где выполняется условие />³0,7. Поэтому практически отсутствует взаимное влияниекаскадов друг на друга при их каскадировании Количество каскадов будет зависетьот требуемого Кu и полосы пропускания, которые можно определить как:
Кu(общ)=/>,где (2.3.1)
К0-коэффициентусиления двух каскадов,
n-число каскадов.
К=/> (2.3.2) />, где (2.3.3)
fв-верхняя граничная частотаусилителя на n каскадах.
ВыберемК=0.2, и произведём расчёт усилителя на двух каскадах см. рис.(2.3.1).
К0=/>=18.7;
b1=/>=6.18;
b2=/>=14.9
Поформуле (2.3.2) R'э=10 (Ом), тогда R''э=Rэ-R'э=60.61-10=50.61(Ом).
Полноесогласование по входу и выходу обеспечивается при выполнении условия
/>,отсюда RОС=250 Ом.
/>,где (2.3.4)
fв-верхняя граничная частота усилителяна двух каскадах,
/>=0,145(нс),
Сэ,rэ-ёмкостьи сопротивление эмитера рассчитанные по схеме Джиаколетто.
/>;/>, где
Yв-искажения в области верхнихчастот вносимые одним каскадом,
fв-верхняя граничная частота позаданию.
/> (нс);
/>;
/>;
/> (МГц);Кu(общ)=/>, Кu(общ)=/> (раз);
/>
Рисунок2.3.1-Схема магистрального усилитель на двух каскадах.
Как видно из расчёта мыимеем запас по полосе пропускания, но не достаточный коэффициент усиления.Поэтому возьмём три каскада см. рис.(2.3.2), тогда по формулам (2.3.1) и(2.3.4) соответственно получим:
Кu(общ)=/> (раз), что соответствует39,4 dB;
/>,/> (МГц);
/>
Рисунок2.3.2- Магистральный усилитель на трёх каскадах.
2.4Расчёт ёмкостей и дросселей.
Проводимыйниже расчёт основан на [2].
/>-нижняяграничная частота по заданию.
/>/>/> (пФ);
/>/>/> (мкГн);
Нанижних частотах неравномерность АЧХ обусловлена ёмкостями Ср и Сэ, поэтомупусть 1,5 dB вносят Ср и столько же Сэ.
/> ,где (2.4.1)
R1 и R2сопротивления соответственно слева и справа от Ср
Yндопустимые искажения вносимые одной ёмкостью.
/> (dB), /> (раз), для Ср1 и /> (раз), для Сэ.
R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50(Ом), для Ср1 (межкаскадной),
R1=Rг=Rвых(3-гокаскада)=50 (Ом), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср2,
/>,
/>,/>, где
/>-параметрыэлементов схемы Джиаколетто,
S0-крутизна транзистора.
/>,
/> (Ом),
Поформуле (2.4.1) рассчитаем Ср.
/> (пФ),
/> (пФ),
/>,
/>,
/> (нс),
/> (нФ).
/>
РТФ КП 468730.001 ПЗ
УСИЛИТЕЛЬ
Лит
Масса
Масштаб
Из
ЛистNдокум.
Подп.
Дата КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИВыполнил
БулдыгинСХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ Проверил Титов
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
Лист
Листов
ТУСУР РТФ
Кафедра РЗИ
гр. 148-3
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Позиция
Обозн.
Наименование
Кол
Примечание
Конденсаторы ОЖ0.460.203 ТУ
С1, С9
КД-2-130 пФ±5%
2
С2, С5
КД-2-49 пФ±5%
2
С4, С7
С10
КД-2-1 нФ±5
3
С3, С6
С8
КД-2-39 пФ±5%
3
Катушки индуктивности
L1.L2
L3
Индуктивность 10 мкГн±10%
3
Резисторы ГОСТ 7113-77
R1,R5
R10
МЛТ–0,125-430 Ом±10%
3
R2,R7
R12
МЛТ–0,125-390 Ом±10%
3
R3,R8
R14
МЛТ–0,5-10 Ом±10%
3
R4,R9
R15
МЛТ–0,5-51 Ом±10%
3
R6,
R11,
R13
МЛТ–0,25-240 Ом±10%
3
Транзисторы
VT1,
VT2,
VT3
2Т996А
3
РТФ КП 468730.001 ПЗ
Лит
Масса
Масштаб
Из
ЛистNдокум.
Подп.
Дата УСИЛИТЕЛЬВыполнил
БулдыгинКАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Проверил Титов
Лист
Листов
ТУСУР РТФ
Перечень элементов Кафедра РЗИ
гр. 148-3
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />3 Заключение
В данном курсовом проекте разработан усилитель кабельных системсвязи с использованием транзисторов КТ996А и перекрестных обратных связей,имеет следующие технические характеристики: полоса рабочих частот (40-240) МГц;коэффициент усиления 39 дБ; неравномерность амплитудно-частотной характеристики+ 1,5 дБ; максимальное значение выходного напряжения 2 В; сопротивлениегенератора и нагрузки 50 Ом; напряжение питания 9 В.
Литература1. Титов А.А.Упрощенный расчет широкополосного усилителя.//Радиотехника. 1979. № 6.
2. Мамонкин И.П.Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов.-М.: Связь, 1977.
3. Титов А.А. Расчёткорректирующих цепей широкополосных усилитель-ных каскадов на биполярныхтранзисторах www/referat.ru./download/2674.zip
4. А.А. Титов, Л.И. Бабак, М.В. Черкашин. Расчёт межкаскадной согласующейцепи транзисторного полосового усилителя мощности.//Электронная техника. Сер.СВЧ-техника. Вып. 1(475),2000.
5. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под редакцией А.В.Голомедова.-М.: Радио и Связь, 1989.-640с.: ил.