Реферат: Усилитель широкополосный
--PAGE_BREAK--1 Введение Сейчас в электронной технике часто используются разнообразные усилительные устройства. В любом теле-радиоустройстве, в компьютере есть усилительные каскады.В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя напряжения на основе операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с полосой пропускания в несколько мегагерц с непосредственной связью между каскадами (т.е. без Ср), с большим коэффициентом усиления, высоким входным и малым выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума, при хорошей температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи (ОС).
ОУ предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами, при работе в схеме с глубокими отрицательными обратными связями (ООС). При этом под аналоговой величиной подразумевается непрерывно изменяющееся напряжение или ток
Основной целью данного курсового проекта является разработка широкополосного усилителя.
В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчёт цепей усилителя.
По заданию усилитель должен усиливать сигнал в полосе частот от 4 до 40 МГц с частотными искажениями не более 2 дБ на верхних и 3дБ нижних частотах. Нелинейные искажения усилителя необходимо оценить.
2 Расчет структурной схемы усилителя
2.1 Определение числа каскадов
Чтобы обеспечить амплитуду выходного сигнала, заданную в техническом задании, нужно выбрать многокаскадный усилитель, так как одного усилительного элемента недостаточно. Поэтому определим число каскадов для обеспечения выходного сигнала.
Структурную схему многокаскадного усилителя можно представить как
<img width=«546» height=«136» src=«ref-1_568652835-1967.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026">
Рисунок 2.1 — Структурная схема усилителя
K— коэффициент усиления, дБ;
Ki— коэффициент усиления i-го каскада, дБ; i= 1,...,n; n— число каскадов.
Для ШУ диапазона ВЧ с временем установления порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая, что все каскады с одинаковым Kiравным 10 децибел, то есть:
<img width=«124» height=«41» src=«ref-1_568654802-407.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025"> (2.1)
2.2 Распределение искажений по каскадам
Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется как:
<img width=«76» height=«45» src=«ref-1_568655209-338.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">, (2.2)
где Yв — результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ.
Yвi— коэффициент частотных искажений I-го каскада, дБ.
Суммирование в формуле (2.2) производится n+1 раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной Rг, Rвх, Cвх (рисунок 2.1).
Распределять искажения можно равномерно, при этом:
Yвi = Yв/(n+1) = 2/(2+1) дБ = 0,66 дБ = 0,926119 раз (2.3)
3 Расчет оконечного каскада
Выходной каскад работает в режиме большого сигнала, поэтому расчет его ведем так, чтобы обеспечить заданную амплитуду выходного напряжения при допустимых линейных (в области верхних частот или малых времен) и нелинейных искажениях.
Расчет начнем с выбора транзистора и режима его работы.
3.1 Расчет требуемого режима транзистора
Задание определённого режима транзистора по постоянному току необходимо для обеспечения требуемых характеристик всего каскада.
Для расчета требуемого режима транзистора необходимо определиться с типом каскада, для этого рассчитаем оба: и резистивный и дроссельный каскады и сравним их.
Затем выберем наиболее оптимальный тип каскада.
3.1.1 Расчёт параметров резистивного каскада
Для расчета используем параметры из задания: Rн=50 Ом, <img width=«67» height=«24» src=«ref-1_568655547-251.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">, сопротивление коллекторной цепи возьмем равной Rк = Rн = 50 Ом.
Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.1, а, эквивалентная схема по переменному току на рис. 3.1, б.
<img width=«587» height=«167» src=«ref-1_568655798-9539.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028"> а) б)
продолжение
--PAGE_BREAK--Рисунок 3.1 – Принципиальная и эквивалентная схемы резистивного каскада
1) Найдем ток и напряжение в рабочей точке:
<img width=«168» height=«22» src=«ref-1_568665337-368.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">, (3.1)
где <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_568665705-210.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030"> — напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;
<img width=«33» height=«25» src=«ref-1_568665915-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> — напряжение на выходе усилителя;
<img width=«32» height=«25» src=«ref-1_568666129-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032"> — остаточное напряжение на транзисторе.
2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:
<img width=«279» height=«43» src=«ref-1_568666343-633.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> (3.2)
3) Постоянный ток коллектора:
<img width=«403» height=«49» src=«ref-1_568666976-741.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">, (3.3)
где <img width=«32» height=«36» src=«ref-1_568667717-222.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035"> — постоянная составляющая тока коллектора;
<img width=«31» height=«25» src=«ref-1_568667939-219.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036"> — сопротивление нагрузки по сигналу.
4) Выходная мощность усилителя равна:
<img width=«281» height=«48» src=«ref-1_568668158-643.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037"> (3.4)
5) Напряжение источника питания равно:
<img width=«301» height=«24» src=«ref-1_568668801-505.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038"> (3.5)
6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:
<img width=«332» height=«25» src=«ref-1_568669306-568.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039"> (3.6)
7) Мощность, потребляемая от источника питания:
<img width=«255» height=«25» src=«ref-1_568669874-486.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040"> (3.7)
8) КПД:<img width=«273» height=«47» src=«ref-1_568670360-658.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041"> (3.8)
3.1.2 Расчёт дроссельного каскада
В дроссельном каскаде в цепи коллектора вместо сопротивления используется индуктивность, которая не рассеивает мощность и требует меньшее напряжение питания, поэтому у этого каскада выше КПД.
Используем требуемые параметры задания: Rн=50 Ом, <img width=«67» height=«24» src=«ref-1_568655547-251.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">.
<img width=«200» height=«109» src=«ref-1_568671269-2933.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027">
Принципиальная схема дроссельного каскада по переменному току изображена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2-Схема дроссельного каскада по переменному току.
1) Найдем напряжение в рабочей точке:
<img width=«215» height=«24» src=«ref-1_568674202-409.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043"> (3.9)
2) Постоянный ток коллектора:
<img width=«199» height=«45» src=«ref-1_568674611-500.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044"> (3.10)
3) Выходная мощность усилителя:
<img width=«219» height=«48» src=«ref-1_568675111-575.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045"> (3.11)
4) Напряжение источника питания равно:
<img width=«272» height=«24» src=«ref-1_568675686-467.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046"> (3.12)
5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
<img width=«248» height=«25» src=«ref-1_568676153-460.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047"> (3.13)
6) Мощность, потребляемая от источника питания:
<img width=«264» height=«25» src=«ref-1_568676613-484.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048"> (3.14)
7) КПД:<img width=«273» height=«47» src=«ref-1_568677097-659.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049"> (3.15)
Таблица 3.1 — Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.
Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что лучше выбрать дроссельный каскад.
3.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:
1) Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:
<img width=«100» height=«23» src=«ref-1_568678623-295.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">, (3.16)
где<img width=«93» height=«24» src=«ref-1_568678918-315.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055"> из технического задания.
Найдем граничную частоту усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:
<img width=«254» height=«26» src=«ref-1_568679233-434.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056"> (3.17)
2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:
<img width=«238» height=«26» src=«ref-1_568679667-448.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057"> (3.18)
3) Предельно допустимого тока коллектора:
<img width=«267» height=«29» src=«ref-1_568680115-525.coolpic» v:shapes="_x0000_i1058"> (3.19)
4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:
<img width=«273» height=«25» src=«ref-1_568680640-485.coolpic» v:shapes="_x0000_i1059"> (3.2)
Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ.
Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ913А.
Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-nгенераторный сверхвысокочастотный.
Предназначенный для работы в схемах усиления мощности, генерирования, умножения частоты в диапазоне 200 – 1000 МГц в режимах с отсечкой коллекторного тока.
Выпускается в герметичном металлокерамическом корпусе с полосковыми выводами.
Основные параметры транзистора:
1) Граничная частота коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:
fГ =900 МГц;
2) Постоянная времени цепи обратной связи:
τс=18пс;
3) Емкость коллекторного перехода при Uкб=28В:
Ск=7пФ;
4) Емкость эмиттерного перехода:
Cэ=40пФ;
5) Максимально допустимое напряжение на переходе К-Э:
Uкэ max= 55В;
6) Максимально допустимый ток коллектора:
Iк max= 0,5А;
Выберем следующие параметры рабочей точки:
Т.к. транзистор хорошо работает только начиная с 6В то примем <img width=«54» height=«23» src=«ref-1_568681125-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060">.
3.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации
Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования предъявляются к температурной стабильности каскада. В данной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, и активная коллекторная. Рассчитаем все три схемы, а затем определимся с выбором конкретной схемы стабилизации.
3.3.1 Эмиттерная термостабилизация
Эмиттерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 5В.
<img width=«312» height=«308» src=«ref-1_568681375-10573.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">
Рисунок 3.3-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.
Рассчитаем параметры элементов данной схемы:
1) Необходимое напряжение питания:
Еп=URэ+Uкэ0+Iк0*Rк (3.21)
Значение источника питания необходимо выбирать из стандартного ряда, поэтому выберем напряжение URэс учетом того, что Еп=10В, Rк=0Ом:
2)Напряжение на Rэ:
URэ=Eп-Uкэ0+Iк0*Rк=10В-6В=4В (3.22)
3) Сопротивление эмиттера:
<img width=«204» height=«47» src=«ref-1_568691948-533.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062"> (3.23)
4) Напряжение на базе транзистора:
Uб=URэ+0,7В = 4,7В (3.24)
5) Базовый ток транзистора:
Iб=<img width=«164» height=«48» src=«ref-1_568692481-441.coolpic» v:shapes="_x0000_i1063"> (3.25)
6) Ток делителя:
Iд=5×Iб=5,5мА, (3.26)
где Iд – ток, протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2.
Сопротивления делителей базовой цепи:
7) Rб1=<img width=«211» height=«48» src=«ref-1_568692922-565.coolpic» v:shapes="_x0000_i1064"> (3.27)
8) Rб2=<img width=«185» height=«49» src=«ref-1_568693487-522.coolpic» v:shapes="_x0000_i1065"> (3.28)
Наряду с эмиттерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторные термостабилизации.
3.3.2 Пассивная коллекторная термостабилизация
Данный вид термостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4) используется на малых мощностях и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся на базу через базовый делитель.
<img width=«456» height=«286» src=«ref-1_568694009-9679.coolpic» v:shapes="_x0000_i1066">
продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по коммуникациям
Реферат по коммуникациям
Усилитель систем контроля радиовещательных станций
1 Сентября 2013
Реферат по коммуникациям
Волоконно-оптические линии связи Волоконно-оптические линии
1 Сентября 2013
Реферат по коммуникациям
Расчёт цифровой радиорелейной линии связи
1 Сентября 2013
Реферат по коммуникациям
Расчет спутниковой линии связи Алматы Лондон
1 Сентября 2013