Реферат: УСИЛИТЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА С ЕМКОСТНЫМ ВЫХОДОМ
Министерство образования РоссийскойФедерации.
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра радиоэлектроники и защитыинформации (РЗИ)
УСИЛИТЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА
С ЕМКОСТНЫМ ВЫХОДОМ
Пояснительная записка к курсовомупроекту 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, КОЭФФИЦИЕНТУСИЛЕНИЯ
В данной курсовой работерассчитывается широкополосный высокочастотный усилитель генератора с емкостнымвыходом, а также корректирующие и стабилизирующие цепи.
Цель работы — приобретениенавыков расчета номиналов элементов усилительного каскада, подробное изучениесуществующих корректирующих и стабилизирующих цепей, умения выбрать необходимыесхемные решения на основе требований технического задания.
В процессе работы былиосуществлены инженерные решения (выбор транзисторов, схем коррекции и стабилизации),расчет номиналов схем.
В результате работы получилипринципиальную готовую схему усилительного устройства с известной топологией иноминалами элементов, готовую для практического применения.
Полученные данные могутиспользоваться при создании реальных усилительных устройств.
Курсовая работа выполнена втекстовом редакторе Microsoft Word 2000 и представлена на дискете 3,5”(в конверте на обороте обложки).
Задание
на курсовое проектирование по курсу«Аналоговые электронные устройства».
Тема проекта – Усилитель генератора семкостным выходом.
Исходные данные для проектирования:
диапазон частот: 1МГц –200МГц,
допустимыечастотные искажения: Мн=3 дБ Мв=3 дБ,
усиление:15 дБ,
источниквходного сигнала: Rн=/>,Сг=15 пФ,
выходная мощность: 2 Вт,
нагрузка:50 Ом,
условияэксплуатации: +10 С — +60 С.
Содержание
1 Введение --------------------------------------------------------------------------------- 5
2 Расчеты----------------------------------------------------------------------------------- 6
2.1 Определение числакаскадов------------------------------------------------------- 6
2.2 Распределение искажений ---------------- ----------------------------------------- 6
2.3 Расчет оконечного каскада---------------------------------------------------------- 6
2.3.1 Расчет рабочей точки, выбортранзистора ------------------------------------- 6
2.3.2 Расчет эквивалентных схем------------------------------------------------------ 10
2.3.3 Расчет схем термостабилизации------------------------------------------------ 12
2.3.4 Расчет выходной корректирующейцепи -------------------------------------- 16
2.3.5 Расчет межкаскаднойкорректирующей цепи ------------------------------- 17
2.4 Расчет предоконечногокаскада.--------------------------------------------------- 20
2.4.1 Расчет схемы термостабилизации---------------------------------------------- 20
2.4.2 Расчет межкаскаднойкорректирующей цепи -------------------------------- 22
2.5 Расчет входногокаскада.------------------------------------------------------------ 24
2.5.1 Расчет схемы термостабилизациивходного каскада ---------------------- 25
2.5.2 Расчет входной корректирующей цепи---------------------------------------- 27
2.6 Расчет разделительных емкостей-------------------------------------------------- 29
3 Заключение ------------------------------------------------------------------------------ 31
Список использованных источников ------------------------------------------------- 32
РТФ КП. 468740.001.Э3 Усилительгенератора с емкостным выходом.
Схема электрическая принципиальная ------------------33
РТФ КП.468740.001.ПЭЗ Усилительгенератора с емкостным выходом.
Перечень элементов ----------------------------------------34
Введение.
Основная цель работы — получениенеобходимых навыков практического расчета радиотехнического устройства(усилителя мощности), обобществление полученных теоретических навыков иформализация методов расчета отдельных компонентов электрических схем.
Усилители электрических сигналовприменяются во всех областях современной техники и народного хозяйства: врадиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, системах звуковоговещания, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, радиолокации, ЭВМ. Также онинашли широкое применение в автоматических и телемеханических устройствах,используемых на современных заводах. Как правило, усилители осуществляютусиление электрических колебаний, сохраняя их форму. Усиление происходит засчет электрической энергии источника питания. Т. о., усилительные элементыобладают управляющими свойствами.
Устройство, рассматриваемое вданной работе, может широко применяться на практике. Примерами может служитьтелевизионный приемник, система индикации радиолокационной станции и другиеустройства индикации.
Устройство имеет немалое научноеи техническое значение благодаря своей универсальности и широкой области применения.
2. Расчеты
2.1. Определение числа каскадов
Число каскадов определяетсяисходя из технического задания. Данное устройство должно обеспечивать коэффициентусиления 15дБ, поэтому целесообразно использовать три каскада, отведя на каждыйтолько по 5дБ, чтобы усилитель был стабильным. Также с тремя каскадами легчеобеспечить запас усилению мощности.
2.2. Распределение искаженийамлитудно-частотной характеристики (АЧХ)
Исходя из технического задания,устройство должно обеспечивать искажения не более 3дБ. Так как используется трикаскада, то каждый может вносить не более 1дБ искажений в общую АЧХ. Этитребования накладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.
2.3. Расчет оконечного каскада
2.3.1. Расчет рабочей точки(энергетический расчет)
Рассмотрим две схемы реализациивыходного каскада: резистивную и дроссельную. Выбор той или иной схемыосуществим на основе полученных данных расчета. Критерий выбора – оптимальныеэнергетические характеристики схемы. Также выберем транзистор, удовлетворяющийтребованиям задания.
а) Резистивная схема
Схема резистивного каскадаприведена на рисунке 2.1 данного пункта.
/>
Рисунок 2.1 – Схема оконечногокаскада по переменному току.
Обычно сопротивление в цепиколлектора принимают порядка Rн. Рассчитаем энергетическиепараметры. Напряжение на выходе усилителя рассчитывается по формуле:
/>, (2.1)
где P- мощность на выходе усилителя, Вт;
Rн – сопротивление нагрузки, Ом.
Тогда />. Ток транзистора вычисляетсяпо формуле (2.2).
/>, (2.2)
где Rперем – сопротивление цепи коллектора по переменному току, Ом.
Тогда />.
/> Теперь можно определить рабочую точку:
Uкэ0=Uвых+Uостаточное=16.5В, (2.3)
Iк0=1.1*Iтр=0.62А.
Напряжение Uкэ0 получено при условии, что величинанапряжения Uостаточное, находящаяся в пределах от 2В до 4В,имеет значение 2.4В.
Напряжение источника питания при этом:
Еип=Uкэ0+Rк*Iк0=16.5В+50*0.62В=47.5В. (2.4)
Видно, что напряжение питаниядостаточно высокое.
Нагрузочные прямые попостоянному и переменному току приведены на рисунке 2.2.
/>/>/>
Рисунок 2.2 – Нагрузочные прямые попостоянному и переменному току.
Расчет прямой по постоянномутоку производится по формуле:
Еип=Uкэ0+Rк*Iк0. (2.5)
Iк0=0: Uкэ0=Еип=47.5 В,
Uкэ0=0: Iк0= Еип/ Rк=47.5/50А=0.95А.
Расчет прямой по переменномутоку производится по соотношениям:
/>, />,
/>, />.
б) Дроссельная схема
Схема каскада приведена нарисунке 2.3 данного пункта.
/>
Рисунок 2.3 – Схема оконечногонекорректированного каскада.
Рассчитаем энергетическиепараметры по известным формулам:
/>,
/>,
где Rн – сопротивление нагрузки по переменному току.
/> Определим рабочую точку:
Uкэ0=Uвых+Uостаточное (2.4В)=16.5В
Iк0=1.1*Iтр=0.31А.
Напряжение источника питания:
Еип=Uкэ0 =16.5В.
Видно, что напряжение питаниязначительно уменьшилось. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному токуприведены на рисунке 2.4.
/>
Рисунок 2.4 – Нагрузочные прямые попостоянному и переменному току.
Расчет прямой по постоянномутоку:
Еип=Uкэ0
Расчет прямой по переменномутоку:
/>, />,
/>, />.
Проведем сравнительный анализдвух схем.
Таблица 2.1 — Сравнительный анализсхем
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 16.5Мощности рассеивания и потреблениярассчитывались по формулам:
/>, (2.6)
/> (2.7).
Таблица нагляднопоказывает, что использовать дроссель в цепи коллектора намного выгоднее сэнергетической точки зрения. Поэтому далее будем использовать именно эту схему.
Выбор транзистора осуществляетсяисходя из технического задания, по которому можно определить предельныеэлектрические и частотные параметры требуемого транзистора. Для данного заданияони составляют (с учетом запаса 20%):
Iк доп > 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 ток коллектора,
Uкэ=55 В – максимальное постоянноенапряжение коллектор-эмиттер,
Pк=20 Вт – выходная мощность при 1ГГц,
Fт= 1.4 ГГц – граничная частота коэффициента передачитока базы,
/>, постоянная времени цепи обратнойсвязи,
/>, статический коэффициент передачитока в схеме с общим эмиттером,
/>, емкость коллекторного перехода,
/>, коэффициент передачи тока в схеме собщей базой,
/>, емкость коллекторного перехода, принапряжении коллектор-эмиттер, равном 10 В,
Lэ=0.35 нГн, индуктивность эмиттерного выхода,
Lб=1 нГн, индуктивность базового вывода.
2.3.2. Расчет эквивалентных схемтранзистора 2Т 916А
В данном пункте рассчитаем двеэквивалентные схемы замещения транзистора: низкочастотную модель Джиаколетто[2] и высокочастотную однонаправленную модель [2]. Полученные эквивалентныепараметры найдут применение в последующих расчетах.
а) Модель Джиаколетто
Модель Джиаколетто представленана рисунке 2.5.
/>
Рисунок 2.5 — Эквивалентная схемаДжиаколетто.
Для расчета используемсправочные данные, выписанные выше [1]. Пересчитаем емкость коллекторногоперехода на напряжение 10 В:
/>, емкость коллекторного перехода, рассчитанная при том женапряжении, что и постоянная времени цепи обратной связи.
Элементы схемы рассчитываются по формулам [2]:
/>, (2.9)
/>,
/>, (2.10)
/>, (2.11)
/>,
/>, (2.12)
/>, (2.13)
/>, (2.14)
/>.
б) Однонаправленная модель
Однонаправленнаямодель представлена на рисунке 2.6 данного пункта.
/>
Рисунок 2.6 — Однонаправленная модель.
Элементы модели 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.
/>
Рисунок 2.7 –Схема эмиттерной термостабилизации.
/> Расчет номиналовэлементов осуществляется по известной методике, исходя из заданной рабочейточки. На эмиттере должно падать напряжение не менее 3-5 В, чтобы стабилизациябыла эффективной. Рабочая точка:
Uкэ0= 16.5В,
Iк0=0.31А.
Номинал резистора Rэ находится по закону Ома:
/>. (2.17)
Емкость СЭобеспечивает беспрепятственное прохождение высокочастотной составляющейэмиттерного тока. Рассчитывается по формуле:
/>. (2.18)
Тогда />.
Мощность,рассеиваемая на резисторе RЭ:
/>. (2.19)
Видно, чторассеиваемая мощность значительна. Это является определенным недостатком, т.к.создает дополнительные сложности при практическом исполнении устройства.
Энергетический расчетпроизводится по формулам:
/>. (2.20)
Номиналы резисторовделителя рассчитываются по формулам:
/>. (2.21)
Расчет схемыэмиттерной термостабилизации закончен.
Схема активной коллекторнойтермостабилизации усилительного каскада приведена на рисунке 2.8.
/>
Рисунок 2.8 –Схема активной коллекторной термостабилизации.
В качествеуправляемого активного сопротивления выбран маломощный транзистор КТ 316А сосредним коэффициентом передачи тока базы 50. Напряжение на сопротивлении цепиколлектора по постоянному току должно быть больше 1 В, в данной схеме онопринято за 1.24 В.
Энергетический расчет схемыпроизводится по формулам [2]:
/>. (2.22)
Мощность, рассеиваемая насопротивлении коллектора:
/>. (2.23)
Видно, что мощностьрассеивания на отдельном резисторе уменьшилась почти в три раза по сравнению спредыдущей схемой.
Рассчитаем номиналы схемы[2]:
/>. (2.24)
Номиналы реактивныхэлементов рассчитываются по формулам:
/> (2.25)
Этим требованиямудовлетворяют следующие номиналы:
/>
Сравнивая две схемывидно, что более эффективно использовать активную коллекторнуютермостабилизацию, и с энергетической, и с практической точек зрения. Поэтому далеев принципиальной электрической схеме усилителя будет использоваться активная коллекторнаясхема термостабилизации.
2.3.4. Расчетвыходной корректирующей цепи
Схема оконечного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведенана рисунке 2.9.
/>
Рисунок 2.9 –Схема выходной корректирующей цепи.
От выходного каскада усилителя требуется получение максимально возможнойвыходной мощности в заданной полосе частот [1]. Это достигается путемреализации ощущаемого сопротивления нагрузки для внутреннего генераторатранзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Однаиз возможных реализаций — включение выходной емкости транзистора в фильтрнижних 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 пункте 2.3.2)найдем параметр b3, 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)
2.3.5 Расчет межкаскадной корректирующей цепи
Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка представлена нарисунке 2.10.
/>
Рисунок 2.10- Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка.
Цепь такого вида обеспечивает реализацию усилительногокаскада с различным наклоном АЧХ, лежащим в пределах необходимых отклонений(повышение или понижение) с заданными частотными искажениями [1]. Таблица коэффициентов,полученная с помощью методики проектирования согласующе-выравнивающих цепейтранзисторных усилителей, позволяет выбрать нормированные значения элементовМКЦ исходя из технического задания. МКЦ в данном усилителе должна обеспечитьнулевой подъем АЧХ, с частотными искажениями в пределах />. Требованиям техническогозадания соответствуют табличные [1] значения:
/>
Тип транзистора в каскаде,предшествующему данной МКЦ, точно такой же, как и в выходном каскаде. Это имеетзначение для параметров нормировки элементов МКЦ оконечного каскада. Длярасчета нормированных значений элементов МКЦ, обеспечивающих заданную форму АЧХс учетом реальных значений Cвых и Rн, следует воспользоваться формулами пересчета [1]:
/>. (2.28)
Найдем величины, необходимые длярасчета нормированных величин по известным формулам:
/>
Пересчитаем табличные величины сучетом корректирующих формул:
/> (2.29)
Разнормируем элементы МКЦ поформулам:
/> , />. (2.30)
Рассчитаем номиналы элементовкорректирующей схемы:
/>
Рассчитаем дополнительныепараметры:
/> (2.31)
где S210 — коэффициент передачи оконечногокаскада. Расчет оконечного каскада закончен.
2.4 Расчетпредоконечного каскада
Транзистор остался прежним. Этодиктуется требованиями к коэффициенту усиления. Значения элементов схемыДжиаколетто и однонаправленной модели не изменились.
2.4.1 Активная коллекторнаятермостабилизация
Схема активнойколлекторной термостабилизации предоконечного каскада приведена на рисунке2.11.
/>
Рисунок 2.11 – Схема активнойколлекторной термостабилизации.
Все параметры дляпредоконечного каскада остались прежними, но изменилась рабочая точка:
/> Uкэ0= 16.5В
Iк0= Iк0оконечного/S210Vtоконечного=0.101А.
Энергетическийрасчет производится по формулам, аналогичным (2.22):
/>
Мощность,рассеиваемая на сопротивлении коллектора:
/>.
Рассчитаем номиналы схемы по формулам (2.24):
/>
Номиналы реактивныхэлементов рассчитываются по формулам (2.25):
/>
Этим требованиямудовлетворяют следующие номиналы:
/>
2.4.2 Межкаскадная корректирующая цепь
Межкаскаднаякорректирующая цепь приведена на рисунке 2.12.
/>
Рисунок 2.12- Межкаскадная корректирующая цепь четвертого порядка.
Методика расчета корректирующейцепи не изменилась, условия – прежние, т.к. тип транзистора не изменился.Транзистор входного каскада аналогичен транзистору предоконечного каскада,поэтому параметры нормировки не изменились. Табличные значения прежние:
/>
Величины, необходимые дляразнормировки, не изменились по сравнению с оконечным каскадом:
/>
Нормированные параметры МКЦ неизменились:
/>
Разнормируем элементы МКЦ:
/>
Рассчитаем дополнительныепараметры:
/>
где S210 — коэффициент передачипредоконечного каскада. Расчет предоконечного каскада окончен.
2.5 Расчет входногокаскада
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 реализовать реальныйусилительный каскад с таким параметром генератора, сопротивление Rг приняли равным 100 Ом.
/>
Рисунок 2.13 – Входной корректированныйкаскад.
Транзистор входногокаскада остался прежним. Это диктуется требованиями к коэффициенту усиления.
2.5.1 Активная коллекторнаятермостабилизация
Схема активной коллекторнойтермостабилизации приведена на рисунке 2.14. Расчет схемы производится по тойже методике, что и для оконечного каскада.
/>
Рисунок 2.14 – Схема активнойколлекторной термостабилизации.
/> Все параметры для входного каскада остались прежними, ноизменилась рабочая точка:
Uкэ0= 16.5В,
Iк0= Iк0предоконечного/S210Vtпредоконечного=33мА.
Энергетическийрасчет производится по известным формулам:
/>
Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:
/>.
Рассчитаем номиналысхемы:
/>
Номиналы реактивныхэлементов рассчитываются по формулам (2.25):
/>
Этим требованиямудовлетворяют следующие номиналы:
/>
2.5.2 Расчет входной корректирующей цепи
В качестве 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.
/>
Рисунок 2.15- Входная корректирующая цепь четвертого порядка.
Методика расчета корректирующейцепи не изменилась, условия – прежние, т.к. тип транзистора не изменился.Нормировка элементов цепи осуществляется на выходные емкость и сопротивлениегенератора. Табличные значения нормированных элементов прежние:
/>
Величины, необходимые дляразнормировки, изменились с учетом параметров генератора:
/>
Нормированные параметрыизменились:
/>
Разнормируем элементы МКЦ:
/>
Рассчитаем дополнительныепараметры:
/>
где S210 — коэффициент передачи входного каскада. Расчет входногокаскада окончен.
2.6 Расчетразделительных емкостей
Рассчитываемый усилитель имеет 4реактивных элемента, вносящих частотные искажения — разделительные емкости.Усилитель должен обеспечивать в рабочей полосе частот искажения АЧХ, непревышающие 3дБ. Номинал каждой емкости с учетом заданных искажений, параметровкорректирующей 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 резистораМКЦ (Rдоп),Ом; wн – нижняя частота, Рад/с.
Приведем искажения, заданные вдецибелах, к безразмернойвеличине: />, (2.33)
где М – частотные искажения,приходящиеся на каскад, Дб. Тогда
/> />
Номинал разделительной емкостиоконечного каскада:
/>
Номинал разделительной емкостипредоконечного каскада:
/>
Номинал разделительной емкостивходного каскада:
/>
На этом расчет разделительныхемкостей и усилителя заканчивается.
3. Заключение.
В результате выполненнойкурсовой работы получена схема электрическая принципиальная усилителягенератора с емкостным выходом. Известны топология элементов и их номиналы.Поставленная задача решена в полном объеме, однако для практического производстваустройства данных недостаточно. Необходимая информация может быть получена врезультате дополнительных исследований, необходимость которых в техническомзадании настоящего курсового проекта не указывается.
Список использованных источников
1 Петухов В.М. Полевые ивысокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и ихзарубежные 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.