Реферат: Усилитель кабельных систем связи

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники изащиты информации (РЗИ)

УСИЛИТЕЛЬ КАБЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ СВЯЗИ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

Схемотехника 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.

КОЭФФИЦИЕНТУСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ),ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ОБРАТНЫЕСВЯЗИ.

Объектом проектирования являетсяусилитель кабельных систем связи.

Цель работы – приобретение навыкованалитического 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 был разработанмагистральный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилитель можетбыть использован для компенсации потерь мощности, устанавливаемый междумногокилометровыми отрезками кабелей.

Курсовая работа выполнена в текстовомредакторе Microsoft Word 7.0.

Рисунки выполнены в графическомредакторе Actrix Technical.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства”

студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н.

Тема проекта: Усилитель кабельных систем связи.

Исходныеданные для проектирования аналогового устройства.

1. Диапазончастот от 40 МГц до 230 МГц.

2.Допустимые частотные искажения Мн3 dB, МВ 3 dB.

3. Коэффициент усиления 30 dB.

4.Сопротивление источника сигнала 50 Ом.

5.Амплитуда напряжения на выходе 2 В.

6. Характери величина нагрузки 50 Ом.

7. Условияэксплуатации (+10 +60)ºС.

8.Дополнительные требования: согласованиеусилителя по входу и выходу.

Содержание

1Введение — ----------------------------- 5

2 Основнаячасть ---------------------------------------------------------------- 6

2.1 Анализисходных данных — 6

2.2 Расчётоконечного каскада ----------------------------------------------- 6

2.2.1Расчёт рабочей точки ---------------------------------------------------- 6

2.2.2 Выбортранзистора и расчёт эквивалентных схем замещения---- 8

2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто — 8

2.2.2.2Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9

2.2.3Расчёт и выбор схемы термостабилизации — 9

2.2.3.1Эмитерная термостабилизация -------------------------------------- 9

2.2.3.2Пассивная коллекторная — 11

2.2.3.3Активная коллекторная — 11

2.3 Расчётусилителя ----------------------------------------------------------- 12

2.4 Расчётёмкостей и дросселей — 15

Схемаэлектрическая принципиальная ------------------------------------- 16

Спецификация ------------------------------------------------------------------- 17

3Заключение -------------------------------------------------------------------- 18

4 Списокиспользуемой литературы ----------------------------------------- 19

1 Введение

Цель работы – приобретение навыкованалитического расчёта магистрального усилителя по заданным к нему требованиям.

Кабельныесистемы связи являются одной из важных составляющих глобальных и локальныхмировых систем телекоммуникаций. Для компенсации потерь мощности сигнала, втаких системах, используются широкополосные усилители, устанавливаемые междумногокилометровыми отрезками кабелей.

Указанные усилители относятся кнеобслуживаемым устройствам и должны обладать следующими достоинствами: хорошее согласование по входу и выходу, исключающеевозможность переотражения сигналов в кабельных сетях;неизменность параметров усилителя во времени, в диапазонетемператур, и при старении активных элементов схемы;хорошая повторяемость характеристик усилителей при ихпроизводстве, без необходимости подстройки;

Всеми перечисленными выше свойствамиобладают усилители с отрицательными перекрестными обратными связями [1], что достигается благодаря совместному использованиюпоследовательной местной и общей параллельной обратной связи по току впромежуточных каскадах и параллельной обратной связи по напряжению в выходномкаскаде.

2 Основная часть

2.1 Анализ исходных данных

Средне статистический транзистор даётусиление в 20 dB, по заданию у нас 30 dB, отсюда получим, что нашусилитель будет иметь как минимум <img src="/cache/referats/9557/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">Реализуем усилитель на 2-х активных элементах.Уровень допустимых искажений АЧХ, по заданию, 3dB, тогда на каждый каскад приходитсяпо 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 Uвыхв 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=<img src="/cache/referats/9557/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">=<img src="/cache/referats/9557/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

Рассмотрим два варианта реализациисхемы питания транзисторного усилителя [2]:первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад.

Реостатный каскад:

<img src="/cache/referats/9557/image008.jpg" v:shapes="_x0000_s1087">
Rк=50 (Ом),Rн=50 (Ом), Rн~=25(Ом) рис(2.2.1.1).

<img src="/cache/referats/9557/image010.jpg" v:shapes="_x0000_s1074">
Рисунок 2.2.1.1-Схема реостатного Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочныепрямые.

каскада по переменному току.

Iвых=<img src="/cache/referats/9557/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/9557/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

Uкэ0=Uвых+Uост, где (2.2.1)

Uкэ0-напряжение рабочей точки или постоянное напряжениена переходе коллектор эмитер.Uвых-напряжение на выходеусилителя.

Uост-остаточное напряжение на транзисторе.

Iк0=Iвых+0,1Iвых, где (2.2.2)

Iк0-постоянная составляющая тока коллектора.

Iвых-ток на выходе усилителя.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,132 (А)

Выходнаямощность усилителя равна:

Pвых=<img src="/cache/referats/9557/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/9557/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1031">0,09 (Вт)

Напряжениеисточника питания равно:

Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+Iк0×

Rк=11,6 (В)

Мощность рассеиваемая на коллекторетранзистора:u^2/2R

Pрасс=Uкэ0×

Iк0=0,66(Вт)

<img src="/cache/referats/9557/image020.jpg" v:shapes="_x0000_s1105">
Мощность потребляемаяот источника питания:

Рпотр=Eп×

Iк0=1,5312 (Вт)

Iвых=<img src="/cache/referats/9557/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> =<img src="/cache/referats/9557/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

Дроссельныйкаскад рис(2.2.1.3).

<img src="/cache/referats/9557/image024.jpg" v:shapes="_x0000_s1046">
Рисунок 2.2.1.3-Схемадроссельного Рисунок 2.2.1.4-Нагрузочные прямые.

каскадапо переменному току.

По формулам (2.2.1) и (2.2.2) рассчитаемрабочую точку.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,066 (А)

Pвых=<img src="/cache/referats/9557/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1034">=<img src="/cache/referats/9557/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1035">0,09 (Вт)

Eп=Uкэ0=5 (В) u^2/2R

Рк расс=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

0,33

0,066

Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно,что целесообразнее использовать дроссельный каскад.

2.2.2 Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схемзамещения.

Наосновании следующих неравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2;Рк расс> Рк расс(доп)*1,2;fт>(3¸

10)*fв>2300 МГц выберем транзистор, которым будет являться2Т996А [5]. Его параметры необходимые при расчете приведены ниже:

t

с=4,6 пс- постоянная цепиобратной связи,

Ск=1,6 пФ- ёмкость коллектора при Uкэ=10 В,

b

0=55- статический коэффициентпередачи тока в схеме с общим эмитером,

Uкэ0(доп)=20 В, Iк0(доп)=200 мА- соответственно паспортные значениядопустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора,

Рк расс(доп)=2,5Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт=5000 МГц- значениеграничной частоты транзистора при которой <img src="/cache/referats/9557/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

Lб=1 нГн, Lэ=0,183нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно.

2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто.

Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схемабиполярного

транзистора (схемаДжиаколетто).

Расчёт основан на [2].

Ск(треб)=Ск(пасп)*<img src="/cache/referats/9557/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1037">×

Ск(треб)-ёмкость коллекторногоперехода при заданном Uкэ0,

Ск(пасп)-справочное значение ёмкостиколлектора при Uкэ(пасп).

rб= <img src="/cache/referats/9557/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1039">; gб=<img src="/cache/referats/9557/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1040">=0,347(Cм), где

rб-сопротивление базы,

rэ=<img src="/cache/referats/9557/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> =<img src="/cache/referats/9557/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

Iк0в мА,

rэ-сопротивление эмитера.

gбэ=<img src="/cache/referats/9557/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/9557/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1045">, где

gбэ-проводимость база-эмитер,

Cэ=<img src="/cache/referats/9557/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1047"><img src="/cache/referats/9557/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1048">, где

Cэ-ёмкость эмитера,

fт-справочное значениеграничной частоты транзистора при которой <img src="/cache/referats/9557/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1049">

Ri= <img src="/cache/referats/9557/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1050">Ом), где

Ri-выходное сопротивление транзистора,

Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимогонапряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.

gi=0.01(См).

2.2.2.2Расчётоднонаправленной модели транзистора.

<img src="/cache/referats/9557/image057.jpg" v:shapes="_x0000_s1095">
Данная модель применяется в области высоких частот [4].

Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модельтранзистора.

Lвх=Lб+Lэ=1+0,183=1,183 (нГн), где

Lб,Lэ-справочные значенияиндуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно,

Lвх-индуктивность входа транзистора.

Rвх=rб=2,875 (Ом), где

Rвх-входное сопротивление транзистора.

Rвых=Ri=100(Ом), где

Rвых-выходноесопротивление транзистора.

Свых=Ск(треб)=2,26 (пФ), где

Свых-выходная ёмкостьтранзистора.

fmax=fт=5 (ГГц), где

fmax-граничная частота транзистора.

2.2.3 Расчёт и выбор схемытермостабилизации.

2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация.

Эмитерная термостабилизация широкоиспользуется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом незначительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошостабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении наэмиттере более 3В [3

Рисунок2.2.3.1.1-Схема каскада с эмитерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры элементов даннойсхемы.

Возьмём напряжение на эмиттере равным Uэ=4(В);

Eп=Uкэ0+Uэ=9 (В);

Сопротивление в цепи эмитера будет равно:

Rэ=<img src="/cache/referats/9557/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> =<img src="/cache/referats/9557/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1052">

Rб1=<img src="/cache/referats/9557/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1053">Iд=10×

Iб, Iб=<img src="/cache/referats/9557/image067.gif" v:shapes="_x0000_i1054">Iд=10×<img src="/cache/referats/9557/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> =10×<img src="/cache/referats/9557/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1056">, где

Rб1-сопротивление базового делителя,

Iд-ток базового делителя,

Iб-ток базы.

Rб1=<img src="/cache/referats/9557/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1057">;

Rб2=<img src="/cache/referats/9557/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> =391,6 (Ом).

Наряду с эмитерной термостабилизациейиспользуются пассивная и активная коллекторная термостабилизации.

<img src="/cache/referats/9557/image076.jpg" v:shapes="_x0000_s1099">
2.2.3.2 Пассивная коллекторная:

Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной коллекторнойтермостабилизации.

С использованием [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=<img src="/cache/referats/9557/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1059"> =360 (Ом).

Токбазы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение вточке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даётувеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы,напряжение в точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rкдолжно быть очень велико,что оправдывается только в маломощных каскадах. Но в силу того, что мы будемприменять перекрёстные обратные связи, данная схема нам не подходит.

2.2.3.3 Активная коллекторнаятермостабилизация.

Можносделать чтобы Rбзависило отнапряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что при незначительномуменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) токбазы. И вместо большого Rкможно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В [3]см.рис.(2.2.3.3.1).

Статическийкоэффициент передачи по току второго транзистора b

2=50;

Rк=<img src="/cache/referats/9557/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1060"><img src="/cache/referats/9557/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1061">,15 (Ом);

Eп=Uкэ0+URк=5+1=6(В);

Напряжение на базе второго транзистора будетравно:

UБ2=Uкэ0-0,7=5-0,7=4,3(В);

Ток коллектора второго транзистора будет равен:

Iк2=Iд1=0,012 (А);

Iд2=10×

Iб2=10×<img src="/cache/referats/9557/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1062"><img src="/cache/referats/9557/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

Iд2,Iб2-токи базового делителя ибазы второго транзистора соответственно.

R3=<img src="/cache/referats/9557/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1064"><img src="/cache/referats/9557/image090.gif" v:shapes="_x0000_i1065">,3(Ом);

R1=<img src="/cache/referats/9557/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><img src="/cache/referats/9557/image094.gif" v:shapes="_x0000_i1067">

Напряжение в рабочей точке второго транзисторабудет равно <img src="/cache/referats/9557/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1068">

R2=<img src="/cache/referats/9557/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1069">=<img src="/cache/referats/9557/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1070">.

<img src="/cache/referats/9557/image102.jpg" v:shapes="_x0000_s1098">
Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторная термостабилизация.

Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, втом числе и активных. Если Сфутратит свои свойства, то каскадсамовозбудится и будет не усиливать, а генерировать, т.е. данный вариант нежелателен, поскольку параметры усилителя должны как можно меньше зависеть отизменения параметров его элементов, позаданию. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберемэмитерную.

2.3 Расчёт усилителя.

Посколькумы будем использовать перекрёстные обратные [1],[3], то все соответствующиеэлементы схемы будут одинаковы, т.е. по сути дела расчёт всего усилителясводится к расчёту двух каскадов рис.(2.3.1). Достоинством данной схемыявляется то, что при выполнении условия <img src="/cache/referats/9557/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> схема оказывается согласван-ной по входу ивыходу с КСВН не более 1,3 в диапазоне частот, где выполняется условие <img src="/cache/referats/9557/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1089">³

0,7. Поэтому практическиотсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадированииКоличество каскадов будет зависеть от требуемого Кuи полосы пропускания,которые можно определить как:

Кu(общ)=<img src="/cache/referats/9557/image108.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

,где (2.3.1)

К0-коэффициент усиления двух каскадов,

n-число каскадов.

К=<img src="/cache/referats/9557/image110.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> (2.3.2)<img src="/cache/referats/9557/image112.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> (2.3.3)

fв-верхняя граничная частотаусилителя на nкаскадах.

Выберем К=0.2,и произведём расчётусилителя на двух каскадах см. рис.(2.3.1).

К0=<img src="/cache/referats/9557/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1075">

b1=<img src="/cache/referats/9557/image116.gif" v:shapes="_x0000_i1076">

b2=<img src="/cache/referats/9557/image118.gif" v:shapes="_x0000_i1077">

По формуле (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

<img src="/cache/referats/9557/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1078">ОС=250Ом.

<img src="/cache/referats/9557/image120.gif" v:shapes="_x0000_i1079"> (2.3.4)

fв-верхняя граничная частота усилителя на двухкаскадах,

Сэ,rэ-ёмкость исопротивление эмитера рассчитанные по схеме Джиаколетто.

<img src="/cache/referats/9557/image124.gif" v:shapes="_x0000_i1081"><img src="/cache/referats/9557/image126.gif" v:shapes="_x0000_i1082">, где

Yв-искажения в области верхних частот вносимые однимкаскадом,

fв-верхняя граничная частота по заданию.

<img src="/cache/referats/9557/image128.gif" v:shapes="_x0000_i1083"> (нс);

<img src="/cache/referats/9557/image132.gif" v:shapes="_x0000_i1085">;

,Кu(общ)=<img src="/cache/referats/9557/image136.gif" v:shapes="_x0000_i1088"> (раз);

Рисунок2.3.1-Схема магистрального усилитель на двух каскадах.

Каквидно из расчёта мы имеем запас по полосе пропускания, но не достаточныйкоэффициент усиления. Поэтому возьмём три каскада см. рис.(2.3.2), тогда поформулам (2.3.1) и (2.3.4) соответственно получим:

Кu(общ)=<img src="/cache/referats/9557/image140.gif" v:shapes="_x0000_i1090"> (раз)

, что соответствует 39,4 dB;

<img src="/cache/referats/9557/image112.gif" v:shapes="_x0000_i1091"><img src="/cache/referats/9557/image142.gif" v:shapes="_x0000_i1092"> (МГц);

Рисунок2.3.2- Магистральный усилитель на трёх каскадах.

2.4 Расчёт ёмкостей и дросселей.

Проводимый ниже расчёт основан на [2].

<img src="/cache/referats/9557/image146.gif" v:shapes="_x0000_i1093">нижняя граничная частота по заданию.

<img src="/cache/referats/9557/image148.gif" v:shapes="_x0000_i1094"><img src="/cache/referats/9557/image150.gif" v:shapes="_x0000_i1095"><img src="/cache/referats/9557/image152.gif" v:shapes="_x0000_i1096"> (пФ);

<img src="/cache/referats/9557/image154.gif" v:shapes="_x0000_i1097"><img src="/cache/referats/9557/image156.gif" v:shapes="_x0000_i1098"><img src="/cache/referats/9557/image158.gif" v:shapes="_x0000_i1099"> (мкГн);

На нижних частотах неравномерностьАЧХ обусловлена ёмкостями Сри Сэ,поэтому пусть 1,5 dB вносят Сри столько же Сэ.

<img src="/cache/referats/9557/image160.gif" v:shapes="_x0000_i1100"> , где (2.4.1)

R1и R2сопротивления соответственнослева и справа от Ср

Yндопустимые искажениявносимые одной ёмкостью.

<img src="/cache/referats/9557/image162.gif" v:shapes="_x0000_i1101"> (dB),<img src="/cache/referats/9557/image164.gif" v:shapes="_x0000_i1102"> (раз), для Ср1и <img src="/cache/referats/9557/image166.gif" v:shapes="_x0000_i1103"> (раз), для Сэ.

R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср1(межкаскадной),

R1=Rг=Rвых(3-го каскада)=50 (Ом), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср2,

S0-крутизна транзистора.

<img src="/cache/referats/9557/image178.gif" v:shapes="_x0000_i1109"> (Ом),

Поформуле (2.4.1) рассчитаем Ср.

<img src="/cache/referats/9557/image180.gif" v:shapes="_x0000_i1110"> (пФ),

<img src="/cache/referats/9557/image182.gif" v:shapes="_x0000_i1111"> (пФ),

<img src="/cache/referats/9557/image188.gif" v:shapes="_x0000_i1114"> (нс),

<img src="/cache/referats/9557/image190.gif" v:shapes="_x0000_i1115"> (нФ).

РТФ КП 468730.001 ПЗ

УСИЛИТЕЛЬ

Лит