Реферат: Широкополосный усилитель мощности

Министерствообразования Российской Федерации.

Томскийгосударственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедрарадиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

Широкополосный усилитель мощности

Пояснительнаязаписка к курсовому проекту по дисциплине “Схемотехника аналоговых электронныхустройств”

Выполнил

студент гр.148-3

__________Свалов С.С.

Проверил

преподаватель каф. РЗИ

___________Титов А.А.

2001

Реферат

УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯЦЕПЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

 В данной курсовой работе производится расчет широкополосныйусилителя мощности амплитудно и частотно модулированных сигналов, а такжеразличных стабилизирующих и корректирующих цепи.

 Цель работы — приобретение навыков расчета номиналовэлементов усилительного каскада, подробное изучение существующих корректирующихи стабилизирующих цепей, умения выбрать необходимые схемные решения на основетребований технического задания.

 В процессе работы были осуществлены инженерные решения(выбор транзисторов, схем стабилизации и коррекции) и расчет номиналов схем.

 В результате работы получили готовую схему усилительногоустройства с известной топологией и номиналами элементов, которую можноиспользовать для практического применения.

 Полученные данные могут использоваться при созданииреальных усилительных устройств.

 Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 97 и представлена на дискете 3,5” (вконверте на обороте обложки).

 Введение.

 Основная цель работы — получение необходимых навыковпрактического расчета радиотехнического устройства (усилителя мощности),обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов расчета отдельныхкомпонентов электрических схем.

 Усилители электрических сигналов применяются в широкойобласти современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах,телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звуковоговещания, радиолокации, ЭВМ. Как правило, усилители осуществляют усиление электрическихколебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрическойэнергии источника питания. Таким образом усилительные элементы обладаютуправляющими свойствами.

 Усилитель, рассматриваемый в данной работе, используется врадиотехнических системах различного назначения, в том числе и в системахнелинейной радиолокации, обеспечивая заданный уровень облучения нелинейногоэлемента.

Это необходимо для получения требуемого минимального уровняизучаемых нелинейным элементом составляющих обогащенного спектра сигнала.

2. Техническое задание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

Рабочая полоса частот: 300-800 МГц

Линейные искажения

в области нижних частот не более 3 дБ

в области верхних частот не более 3 дБ

Коэффициент усиления 20 дБ

Выходная мощность Pвых=1 Вт

Диапазон рабочих температур: от +10 до +60 градусов Цельсия

Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом

 3. Расчетная часть

 3.1. Определение числа каскадов.

 Число каскадов определяется исходя из технического задания.Данное устройство должно обеспечивать коэффициент усиления 20 дБ, поэтомуцелесообразно использовать три каскада, отведя на каждый по 7дБ, оставив запаспо усилению мощности примерно вполовину.

 3.2. Распределение искажений амлитудно-частотнойхарактеристики (АЧХ).

 Исходя из технического задания, устройство должнообеспечивать искажения не более 3дБ. Так как используется три каскада, токаждый может вносить не более 1дБ искажений в общую АЧХ. Эти требованиянакладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.

 3.3. Расчет оконечного каскада.

 3.3.1. Расчет рабочей точки.

В данной схеме может использоваться как резистивный, так идроссельный каскад. Произведем их расчет и выберем наиболее подходящий.

а) В цепи коллектора используется сопротивление

 Схема каскада приведена на рис.3.1.

/>

Рисунок 3.1 – Схема оконечного каскада по переменному току.

 Обычно сопротивление в цепи коллектора и сопротивлениенагрузки принимают одинаковыми. Рассчитаем энергетические параметры схемы:

Напряжение на выходе усилителя:

 />, (3.1)

 где P- мощность на выходеусилителя, Вт;

 Rн – сопротивлениенагрузки, Ом.

Тогда />.

Выходной ток на сопротивлении нагрузки:

 />, (3.2)

В данной схеме появится эквивалентное нагрузочноесопротивление, представляющее собой параллельное включение сопротивлений /> и />:

/>

Тогда выходной ток будет таким:

 />

где Rэквив –сопротивление цепи коллектора по переменному току, Ом.

Теперь можно определить рабочую точку [1]:

 />, где /> (3.3)

 />

Напряжение источника питания будет следующим:

 />. (3.4)

Нагрузочные прямые по постоянному и переменному токуприведены на рис.3.2.

Расчет прямой по постоянному току производится по формуле:

 /> (3.5)

 Iк0=0: Uкэ0=Еп=35В,

 Uкэ0=0: Iк0= Еп/ Rк=35/50А=0.7А.

/>

Расчет прямой по переменному току производится по формулам:

/>, />,

/>, />.

Найдем так же мощность, рассеиваемую на транзисторе имощность потребления цепи:

/> (3.6)

/> (3.7)

 б) В цепи коллектора используется дроссель

 Схема каскада приведена на рис.3.3.

Рассчитаем энергетические параметры:

 Значения /> неизменятся.

 Эквивалентное нагрузочное сопротивление, возникшее впредыдущем пункте, здесь будет равно сопротивлению нагрузки, т.к. /> заменил дроссель. Тогдавыходной ток будет следующим:

/>

ток в рабочей точке изменится:

/>

/>

Рисунок 3.3 – Схема оконечного каскада по постоянному току.

Запишем значения тока и напряжения в рабочей точке:

Uкэ0=13В

Iк0 =0.22А.

Напряжение источника питания:

Еп=Uкэ0 =13В.

Видно, что напряжение питания значительно уменьшилось.Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рис. 3.4.

/>

Расчет прямой по постоянному току:

/>

Расчет прямой по переменному току:

/>, />,

 />, />.

Найдем так же мощность, рассеиваемую на транзисторе имощность потребления цепи:

/>

/>

Сведем результаты расчетов в отдельную таблицу и проведемсравнительный анализ двух схем.

Таблица 3.1 — Сравнительный анализ схем

: Параметр

/>

/>

/>

/>

/>

схема с />

35 5.72 15.4 0.44 13

схема без />

13 2.86 2.86 0.22 13

Из таблицы видно, что мощность, рассеиваемая на транзистореи мощность потребления цепи у дроссельного каскада в несколько раз меньше, чему коллекторного, напряжение источника питания для него нужно небольшое, чтовыгодно отличает данную схему. В дальнейших расчетах она и будетиспользоваться.

 Выбор транзистора осуществляется исходя из техническогозадания, по которому можно определить предельные электрические и частотныепараметры требуемого транзистора. В данном случае они составляют (с учетомзапаса 20%):

Iк доп > 1.2*Iк0=0.264 А

 Uк доп > 1.2*Uкэ0=15.6 В (3.8)

Рк доп > 1.2*Pрасс=3.43Вт

 fт= (3-10)*fв=(3-10)*800 МГц.

Этим требованиям с достаточным запасом отвечает широкораспространенный транзистор КТ 939А, основные технические характеристикикоторого приведены ниже [5]:

Электрические параметры:

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме сОЭ: />ГГц;

Постоянная времени цепи обратной связи при />: />пс;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ />;

Ёмкость коллекторного перехода при /> В />пФ;

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер />В;

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора /> Вт;

Температура перехода />К.

 3.3.2. Расчет эквивалентных схем транзистора КТ939А.

 а) Модель Джиаколетто.

Модель Джиаколетто представлена на рис. 3.5[1].

/>

Рисунок 3.5 — Эквивалентная схема Джиаколетто.

Необходимые для расчета справочные данные:

/>, постоянная цепиобратной связи.

 />, статическийкоэффициент передачи тока базы.

/>, емкость коллекторногоперехода.

 Найдем при помощи постоянной времени цепи обратной связисопротивление базового перехода нашего транзистора:

/> (3.9)

 Из справочных данных мы знаем, что при /> />,а /> на 12В. Для того, чтобысвести параметры к одной системе воспользуемся формулой перехода:

/> (3.10)

в нашем случае:

/>

Теперь, зная все параметры, можно найти сопротивление:

/>, тогда />

 Найдем значение коллекторной емкости в рабочей точке потой же формуле перехода:

/>

Найдем значения оставшихся элементов схемы:

/>, (3.11)

где /> – паспортноезначение статического коэффициента передачи,

/> – сопротивлениеэмиттерного перехода транзистора. Тогда

/>.

Емкость эмиттерного перехода: />,где /> – типовое значениеграничной частоты коэффициента передачи тока, взятое из паспортных данных транзистора.

Найдем оставшиеся параметры схемы:

/> (3.12)

/> (3.13)

/> (3.14)

б) Однонаправленная модель.

Однонаправленная модель представлена на рис. 3.6 [1].

 При определении значений элементов высокочастотной моделивоспользуемся паспортными данными транзистора:

/> (3.15)

где /> – входноесопротивление, /> – выходнаяемкость, /> – выходное сопротивление.

/>

Рисунок 3.6 — Однонаправленная модель.

 

 В паспортных данных значение индуктивности не указано,воспользуемся параметрами ближайшего аналога — транзистора КТ913, поделив их на3:

/>

где /> –индуктивности выводов базы и эмиттера.

В результате получим:

/>

/>

 3.3.3. Расчет схем термостабилизации рабочей точкитранзистора выходного каскада.

 Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рис.3.7.

/>

Рисунок 3.7 – Схема эмиттерной термостабилизации.

Расчет номиналов элементов осуществляется исходя из заданнойрабочей точки.

 Напряжение на резисторе /> должнобыть не менее 3-5 В (в расчетах возьмем 3В), чтобы стабилизация былаэффективной.

 Рабочая точка:

Uкэ0= 13В,

Iк0=0.22А.

Учтя это, получим:

/>, где />, а коллекторный ток – />, что было получено ранее,тогда:

/> и /> Вт (3.16)

Базовый ток будет в /> разменьше коллекторного тока:

/>, (3.17)

а ток базового делителя на порядок больше базового:

/> (3.18)

Учтя то, что напряжение питания будет следующим:

/>, (3.19)

найдем значения сопротивлений, составляющих базовыйделитель:

 /> (3.20)

 /> (3.21)

 Схема активной коллекторной термостабилизации усилительногокаскада приведена на рис. 3.8 [1].

/>

Рисунок 3.8 – Схема активной коллекторной термостабилизации.

 В качестве управляемого активного сопротивления выбранмаломощный транзистор КТ 361А со средним коэффициентом передачи тока базы 50.Напряжение на сопротивлении цепи коллектора по постоянному току должно бытьбольше 1 В или равным ему, что и применяется в данной схеме.

Энергетический расчет схемы:

 />. (3.22)

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:

 />. (3.23)

 Видно, что рассеиваемая мощность уменьшилась в три раза посравнению с предыдущей схемой.

Рассчитаем номиналы схемы [1]:

 />. (3.24)

Номиналы реактивных элементов выбираются исходя изнеравенств:

 />. (3.25)

Этим требованиям удовлетворяют следующие номиналы:

L=100 мкГн (Rн=50Ом) и Сбл=1 мкФ (fн=300 МГц).

Схема пассивной коллекторной термостабилизации приведена нарис. 3.9

В данной схеме напряжение на /> должнобыть 5 – 10 В. Возьмем среднее значение – 7В.

Произведем энергетический расчет схемы:

/>. (3.26)

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:

/>. (3.27)

Видно, что при использовании данной схемы мощность будетмаксимальна.

/>

 Рисунок 3.9 – Схема пассивной коллекторнойтермостабилизации.

Рассчитаем номиналы схемы:

 />. (3.28)

 Сравнив эти схемы видно, что и с энергетической, и спрактической точки зрения более эффективно использовать активную коллекторнуютермостабилизацию, которая и будет использоваться далее.

 3.3.4. Расчет выходной корректирующей цепи.

 Схема оконечного каскада с выходной корректирующей цепьюприведена на рис.3.10.

 />

Рисунок 3.10 – Схема оконечного каскада с выходной корректирующейцепью.

 От выходного каскада усилителя требуется получениемаксимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот [1] Этодостигается путем реализации ощущаемого сопротивления нагрузки для внутреннегогенератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазонечастот. Одна из возможных реализаций — включение выходной емкости транзистора вфильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ. Расчет элементов КЦпроводится по методике Фано, обеспечивающей максимальное согласование втребуемой полосе частот.

 По имеющейся выходной емкости каскада (вычисленной в пункте2.3.2) найдем параметр b3, для расчета воспользуемсятаблицей, приведенной в [1]:

 />. (3.29)

 Из таблицы получим следующие значения параметров с учетомвеличины b3 (произведя округление ее в нужную сторону):

C1н=b1=1.9,L1н=b2=0.783, C1н=b3=1.292, S=0.292, />1.605.

 Разнормируем параметры и найдем номиналы элементов схемы:

 />. (3.30)

 

 3.3.5 Расчет межкаскадной корректирующей цепи.

 Межкаскадная корректирующая цепь (МКЦ) третьего порядкапредставлена на рис. 3.11 [1].

/>

Рисунок 3.11 — Межкаскадная корректирующая цепь третьего порядка.

 Цепь такого вида обеспечивает реализацию усилительногокаскада с заданной неравномерностью АЧХ и с заданными частотными искажениями [1]. Коэффициент передачи каскада с МКЦ описывается функциейвида:

/> (3.31)

 Функции передачи фильтров имеют такой же вид.Следовательно, данную цепь нужно рассчитывать исходя из теории фильтров.Методика расчета цепи приведена в методичке [1].

 В теории фильтров известны табулированные значениякоэффициентов />, />, /> соответствующие требуемойформе АЧХ цепи описываемой функцией вида (3.31).Значения коэффициентов />, />, />, соответствующие различнойнеравномерности АЧХ, приведены в [1]. Учтя заданнуюнеравномерность АЧХ (/>), найдем значения коэффициентов в нашем случае:

/>

 В предоконечном и входном каскадах будем использовать менеемощный транзистор КТ996А, а не КТ939А, Данный транзистор менее мощный, еговыходная емкость и статический коэффициент передачи тока меньше, что обеспечитхорошее согласование. Необходимые для расчета параметры транзистора КТ996Атаковы [5]:

/>

/> при />

/>

/>

/>

/>

/>

/>

 Для расчета нормированных значений элементов МКЦ,обеспечивающих заданную форму АЧХ с учетом реальных значений Cвыхи Rн, следует воспользоваться рядом формулпересчета (подробно методика изложена в методичке [1]):

 Расчет заключается в нахождении ряда нормированных значенийи коэффициентов, найдем нормированные значения />:

/>,

/>, (3.32)

/>= />

 Здесь /> и /> - выходное сопротивление иемкость транзистора КТ996А, а /> и /> - входное сопротивление ииндуктивность транзистора КТ939А.

В результате получим:

 />

Зная это, рассчитаем следующие коэффициенты:

/>;

/>; (3.33)

/>;

получим:

/>

Отсюда найдем нормированные значения />, />, и />:

/>

где />; (3.34)

/>;

/>;

/>.

При расчете получим:

/>

и в результате:

/>

Рассчитаем дополнительные параметры:

/> (3.35)

/> (3.36)

где S210 — коэффициентпередачи оконечного каскада.

Для выравнивания АЧХ в области нижних частот используетсярезистор />, рассчитываемый по формуле:

/> (3.37)

После расчета />, />, />, истинные значенияэлементов находятся из соотношений:

/>, />, />, (3.38)

/>

/>

 />

 Расчет оконечного каскада закончен.

 3.4 Расчет предоконечного каскада.

 Транзистор изменился, вместо КТ939А поставили КТ996А.Принципы построения схемы не изменились.

Активная коллекторная термостабилизация.

 Схема активной коллекторной термостабилизациипредоконечного каскада приведена на рис.3.12.

/>

Рисунок 3.12 – Схема активной коллекторнойтермостабилизации.

Произведем расчет схемы:

Рабочая точка изменилась следующим образом:

 Uкэ0= 13В

Iк0= Iк0оконечного/S210Vtоконечного=0.09А.

 Энергетический расчет производится по формулам, аналогичным(3.22):

/>

 Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:

/>.

 Рассчитаем номиналы схемы по формулам (3.24):

/>

Номиналы реактивных элементов цепи выбираются исходя изнеравенств:

/>.

 Этому удовлетворяют номиналы

L=100 мкГн (Rэкв=98Ом), и Сбл=1 мкФ (fн=300 МГц, R2=3625 Ом).

здесь /> естьэквивалентное нагрузочное сопротивление каскада, представляющее собой параллельноевключение сопротивлений /> из МКЦоконечного каскада, рассчитанное выше и выходного сопротивления транзистора.

/>

Межкаскадная корректирующая цепь.

Межкаскадная корректирующая цепь приведена на рис.3.13.

Методика расчета та же самая, коэффициенты /> те же, изменяются тольконормированные значения />, аименно значение />, в связи с тем,что теперь и на выходе стоит транзистор КТ996А.

Произведем расчет:

/>, />, />= />

/>

Рисунок 3.13 — Межкаскадная корректирующая цепь третьего порядка.

Здесь значения входного и выходного сопротивления, выходнойемкости и входной индуктивности соответствуют параметрам транзистора КТ996А.

В результате получим:

 />

Зная это, рассчитаем следующие коэффициенты:

/>;

/>;

/>;

получим:

/>

Отсюда найдем нормированные значения />, />, и />:

/>

где />;

/>;

/>;

/>.

При расчете получим:

/>

и в результате:

/>

Рассчитаем дополнительные параметры:

/>

/>

где S210 — коэффициентпередачи предоконечного каскада.

Найдем истинные значения элементов по формулам:

/>, здесь /> естьэквивалентное нагрузочное сопротивление каскада, принцип получения которогоописан выше.

/>, учтя это:

/>

/>, />, />,

/>

/>

 />

Расчет предоконечного каскада окончен.

Расчет входного каскада.

 Транзистор входного каскада не изменился. Однако на входекаскада теперь стоит генератор, его сопротивление – 50 Ом.

Активная коллекторная термостабилизация.

Схема активной коллекторной термостабилизации приведена нарис.3.14. Расчет схемы производится по той же методике, что и для оконечногокаскада.

/>

Рисунок 3.14 – Схема активной коллекторнойтермостабилизации.

 Все параметры для входного каскада остались прежними, ноизменилась рабочая точка:

 Uкэ0= 13В,

 Iк0= Iк0предоконечного/S210Vt предоконечного=0.09/2.45=37мА.

 Энергетический расчет:

/>

 Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:

/>.

 Рассчитаем номиналы схемы:

/>

Номиналы реактивных элементов цепи выбираются исходя изнеравенств:

/>.

 Этому удовлетворяют номиналы

L=100 мкГн (Rэкв=49.2Ом) и Сбл=1 мкФ (fн=300 МГц, R2=9667 Ом), где

/> естьэквивалентное нагрузочное сопротивление каскада, представляющее собойпараллельное включение сопротивлений /> из МКЦоконечного каскада, рассчитанное выше и сопротивления генератора.

 Расчет входной корректирующей цепи.

 Корректирующая цепь третьего порядка входного каскадаприведена на рис.3.15.

/>

Рисунок 3.15 – Входная корректирующая цепь третьего порядка.

Методика расчета та же самая, тип транзистора не изменился.На входе каскада стоит генератор, а не транзистор, как ранее, его параметры,необходимые для расчетов таковы:

/> и />

Произведем расчет:

/>,

/>,

/>= />

Получим:

 />

Зная это, рассчитаем следующие коэффициенты:

/>;

/>;

/>;

получим:

/>

Отсюда найдем нормированные значения />, />, и />:

/>

где />;

/>;

/>;

/>.

При расчете получим:

/>

и в результате:

/>

Рассчитаем дополнительные параметры:

/>

/>

где S210 — коэффициентпередачи входного каскада.

Найдем истинные значения элементов по формулам:

/> - эквивалентноенагрузочное сопротивление, принцип его получения описан выше.

 />, учтя это:

/>

/>, />, />,

/>

/>

 />

Расчет входного каскада окончен.

 3.6 Расчет разделительных емкостей.

 Устройство имеет 4 реактивных элемента, вносящих частотныеискажения. Эти элементы – разделительные емкости. Каждая из этих емкостей потехническому заданию должна вносить не более 0.75 дБ частотных искажений.Номинал каждой емкости с учетом заданных искажений и обвязывающих сопротивленийрассчитывается по формуле [4]:

 /> (3.39)

где Yн – заданныеискажения; R1 и R2– обвязывающие сопротивления, Ом; wн –нижняя частота, Гц.

Приведем искажения, заданные в децибелах:

 />, (3.40)

где М – частотные искажения, приходящиеся на каскад вдецебеллах. Тогда

/> />

 Номинал разделительной емкости оконечного каскада:

/>

 Номинал разделительной емкости предоконечного каскада:

/>

 Номинал разделительной емкости промежуточного каскада:

/>

 Номинал разделительной емкости входного каскада:

/>

 Расчет итогового коэффициента усиления.

Рассчитаем итоговый коэффициент усиления:

/>,

и переведем его в децибелы:

/>

 4. Заключение.

 В результате выполненной курсовой работы получена схемаэлектрическая принципиальная широкополосного усилителя мощности АМ, ЧМсигналов. Найдена топология элементов и их номиналы. Номинальный уровеньвыходной мощности усилителя – 1 Вт, коэффициент усиления – 40 дБ,неравномерность АЧХ — ±1 дБ, напряжениеисточника питания – 13 В. Усилитель рассчитывался для работы на полосе пропускания(300-800) Мгц.

/>

/>

 

/>

Список использованных источников

1 Титов А.А. Расчет корректирующих цепей широкополосныхусилительных каскадов на биполярных транзисторах – referat.ru/download/ref-2764.zip

2 Титов А.А. Расчет корректирующих цепей широкополосныхусилительных каскадов на полевых транзисторах – referat.ru/download/ref-2770.zip

3 Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующейцепи широкополосного усилителя мощности. //Радиотехника. 1989. № 2.

4 Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: Учебное пособие длявузов. – М.: Связь, 1977.

5 Полупроводниковые приборы: Транзисторы. П53 Справочник.В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общей редакцией Н.Н. Горюнова.– 2-е изд, перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1985 – 904с, ил.

еще рефераты
Еще работы по науке и технике