Реферат: Усилитель-корректор
Министерствообразования Российской ФедерацииТОМСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ(ТУСУР)
Кафедрарадиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)Усилитель корректор.
Пояснительная записка к курсовому
проекту по дисциплине «Схемотехника аналоговыхэлектронных устройств»
Выполнил
студент гр.148-3
КузнецовА.В._______
Проверил
Преподаватель каф.РЗИ
ТитовА.А.__________
2001
Реферат
ВЫСОКАЯЧАСТОТА (ВЧ), НИЗКАЯ ЧАСТОТА (НЧ), КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (КУ), КОРРЕКТИРУЮЩАЯЦЕПЬ (КЦ), АПЛИТУДНОЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (АЧХ).
Целью данной работы является усвоениеметодики расчета аналоговых
усилительных устройств.
В данной работе производился расчет широкополосногоусилителя с наклоном АЧХ для корректирования входного сигнала.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word7.0, (представлена на дискете).
Техническое задание
Тема проэкта: широкополосныйусилитель-корректор
1.Диапазон частот от 20МГц до400МГц
2.Допустимыечастотные искажения в области НЧ 3дБ, в ВЧ 3 дБ
3.Источник входного сигнала 50 Ом
4.Амплитуда напряжения на выходе 3В
5.Характер и величина нагрузки 50 Ом
6.Условия эксплуатации +10-+60 С
7.Дополнительные требования: С ростом частоты коэфициент усиления долженвозрастать с подъемом с 30дБ до 33дБ
Содержание
1.Введение......................................................................................…5
2.Определение числа каскадов........................................................6
3.Распределениеискажений в области высоких частот.................6
4Расчет оконечногокаскада.......................................................…..6
4.1 Расчет рабочей точки...........................................................….6
4.2 Выбор транзистора……………………………………........…7
4.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора.........................….8
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации.....….............…9
4.5 расчет элементов высокочастотной коррекции..…......…....12
5Расчёт предоконечного каскада…………………………...….….15
6Расчёт входного каскада……………………………….......……..16
7Расчет блокировочных и разделительных емкостей.…….……..19
8Техническая документация…………………………………….…21
9Заключение…………………………………………….………..…23
10Литература………………………………………………………..24
1.Введение
В данной курсовой работетребуется рассчитать корректирующий усилитель с подъёмом амплитудно-частотнойхарактеристики. Необходимость усиливать сигнал, возникает из-за того, чтодостаточно велики потери в кабеле. К тому же потери значительно возрастают сростом частоты.
Для того, чтобыкомпенсировать эти потери сигнал после приёма предварительно усиливают, а затемнаправляют далее по кабелю. При этом усилитель должен иметь подъём АЧХ вобласти высоких частот. В данной работе требовалось обеспечить подъём равный3дБ на октаву.
При проектировании усилителяосновной трудностью является обеспечение заданного усиления в рабочей полосечастот. В данном случае полоса частот составляет 20-400 МГц
Для реализации широкополосныхусилительных каскадов с заданным подъёмом амплитудно-частотной характеристики(АЧХ) предпочтительным является использование диссипативной корректирующей цепичетвертого порядка [1].
2 Определение числа каскадов
Для обеспечения заданного коэффициента усиления равного 30 дБ при коэффициенте усиления транзистора около 10дБ, примем число каскадов усилителяравное 3.
3 Распределение искажений в области высоких частот
Рассчитывая усилитель будем исходить из того, что искажения вносимыекорректирующими цепями каскадов не превышают 1,5 дБ, а искажения вносимыевыходной корректирующей цепью не превышают 1 дБ, тогда искажения вносимыеусилителем не превысят 2,5 дБ.
4 Расчетоконечного каскада
4.1 Расчет рабочей точки
Рассчитаем рабочую точку транзистора для резистивного и дроссельного каскадаиспользуя формулы:
/>, (4.1)
где /> амплитуда напряжения навыходе усилителя,/>сопротивлениенагрузки.
/> Вт;
/>; (4.2)
/> А;
/>, (4.3)
где /> ток рабочей точки
/> А для резистивногокаскада;
/> А ;
/>А для дроссельногокаскада;
/> А;
/>, (4.4)
где />напряжение рабочей точки, а />.
/>В;
/>; (4.5)
/> - Вт рассеиваемаямощность для резистивного каскада;
/> - Вт рассеиваемаямощность для дроссельного каскада;
/>, (4.6)
где/> напряжение питания каскада;
/> В- для резистивного каскада;
/>В — для дроссельногокаскада;
/>; (4.7)
/> Вт — для резистивногокаскада;
/> Вт — для дроссельногокаскада.
/> <td/> />Принципиальная схема резистивного каскадапредставлена на рисунке 4.1.1, а эквивалентная схема по переменному току нарисунке 4.1.1, б, дроссельного каскада на рисунке 4.1.2, а и его эквивалентнаясхема по переменному току на рисунке 4.1.2, б./> <td/> />
а) б)/> <td/> />
Рисунок 4.1.1/> <td/> />
а) б)Рисунок 4.1.2
Здесь/> сопротивление нагрузки, />разделительная емкость.
Результаты вычислений:
/>, В
/>, В
/>, мВт
/>, мВт
/>, мА
с />
11,6 5 660 1531 132с />
5 5 330 330 664.2 Выбор транзистора. Нагрузочные прямые
При выборетранзистора нужно учесть предельные значения транзистора />, />,/>,/>.
/> В;
/> А для резистивного каскада;
/> А для дроссельного каскада;
/> Вт для резистивногокаскада;
/> Вт для дроссельногокаскада;
/> Ггц.
/>, В
/>, мВт
/>, ГГц
/>, мА
с />
6 660 1,7-4 158с />
6 330 1,7-4 79Свой выборостановим на транзисторе КТ939А предельные допустимые значения которогополностью отвечают вышеуказанным требованиям.
Необходимыесправочные данные транзистора КТ939А [2].
/>=18 В ,/>=0,4 А ,/>=4 Вт ,/>=3060 МГц, />=4,6 пс, />=6,04 пФ при />=5 В, />=113, /> нГн, /> нГн.
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />Построим нагрузочные прямые для двухописанных выше каскадов.
а) б)
Рисунок 4.2Исходя из вышеуказанных результатов вычислений, целесообразней всего применятьдроссельный каскад, так как при использовании дроссельного каскада меньшенапряжение питания, рассеиваемая мощность, а также потребляемая мощность (чтоочень существенно).
4.3 Расчетэквивалентной схемы транзистора
/> /> /> /> /> /> /> /> /> />Расчет каскада основан на примененииэквивалентной схемы замещения транзистора [3] рисунок 4.3.1, а, а такжеоднонаправленной схемы замещения[4] рисунок 4.3.1, б.
а) б)
Рисунок 4.3.1
Здесь /> проводимость базы
/>, (4.8)
где />постоянная времени цепиобратной связи (табличное значение), />ёмкостьколлекторного перехода (табличное значение),/> проводимостьбаза-эмиттер
/> См;
/>, (4.9)
где /> сопротивление эмиттера
/>, (4.10)
где /> ток рабочей точки, /> статический коэффициентпередачи тока с общим эмиттером.
/>Ом;
/> См;
/>, (4.11)
где /> граничная частотатранзистора.
/>пФ;
/> входная индуктивность,
где /> /> индуктивностьбазового и эмиттерного выводов соответственно;
/> нГн;
/>=/>;
/>выходное сопротивление транзистора
/>, (4.12)
где /> и /> допустимые параметрытранзистора.
/> Ом;
/>.
В расчете также используетсяпараметр />, (4.13)
где /> верхняя частота усилителя;
/>.
4.4 Расчетцепей питания и выбор схемы термостабилизации
/> <td/> />Рассмотрим три варианта схемтермостабилизации: эмиттерную, пассивную коллекторную и активную коллекторную ипроизведем для них расчет. Схема эмиттерной термостабилизации представлена нарисунке 4.4.1.Рисунок 4.4.1 Здесь/>,/> задаютсмещение напряжения на базе транзистора, /> элементтермостабилизации, /> шунтирует /> по переменному току. />, (4.14)
где /> падение напряжения нарезисторе/> примем />=4 В.
/> Ом;
/>; (4.15)
/> В,
/>; (4.16)
/>; (4.17)
где/>ток базового делителя;
/>.
/> А;
/> Ом;
/> Ом;
/>; (4.18)
/>мкГн.
Схема пассивной коллекторнойтермостабилизации представлена на рисунке 4.4.2.
/> <td/> />Рисунок 4.4.2Здесь /> осуществляетсмещение напряжения, а также используется в качестве элементатермостабилизации. Примем />=/>; />, (4.19)где />; (4.20) /> А; /> КОм; />; (4.21) />8,3 В. Рассмотрим схему активной коллекторной термостабилизации [5]./> <td/> />
Рисунок 4.4.3В данной схеме транзистор VT2 используетсяв качестве элемента термостабилизации. Ток коллектора VT2 являетсябазовым током смещения. Здесь />,/>-базовый делитель длятранзистора VT2, />предотвращаетгенерацию в каскаде.
/>>1 В,
примем/>=1 В;
/>; (4.22)
/> Ом;
/>; (4.23)
/> В;
/>, (4.24)
где/> ток коллектора транзистора VT1, /> статический коэффициентпередачи тока с общим эмиттером транзистора VT1 />-ток базового смещениятранзистора VT1.
/> А;
/>, (4.25)
где/> — ток коллектора транзистораVT2.
/>, (4.26)
где/>,/>-напряжениярабочей точки транзистора VT1 и VT2.
/> В;
/>; (4.27)
/>Ом;
/>; (4.28)
/>; (4.29)
где /> Ом; />Ом; />Ом. Для данного каскада схема эмиттернойтермостабилизации более приемлема, чем остальные. Во-первых, она обеспечиваетвысокую стабильность, во-вторых, она легко реализуема, так как содержит малоеколичества элементов, в-третьих, эта схема применяется для маломощных каскадов. 4.5Расчет элементов высокочастотной коррекцииТак как нужно реализовать усилитель с подъемом АЧХ, то необходимо применениедиссипативной межкаскадной корректирующей цепи четвёртого порядка [1].Принципиальная схема усилителя с межкаскадной корректирующей цепью четвертогопорядка приведена на рисунке 4.5.1, а, эквивалентная схема по переменному току — на рисунке 4.5.1, б.
/> <td/> />а) б)/>
Рисунок 4.5.1
Коэффициент усиления каскада натранзисторе VT2 вобласти верхних частот можно описать выражением:
/>, (4.30)
где />, коэффициентусиления каскада (4.31)
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
RВХН–нормированное входное сопротивление транзистора VT2; />, />, />,
/>,/> – нормированныеотносительно /> и /> значения элементов L1, R2, C3, C4, L5, соответствующие преобразованной схеме КЦ, в которойзначение СВХ2 равно бесконечности; СВЫХ1 – выходнаяемкость транзистора T1; />; /> – нормированная частота; /> – текущая круговая частота;/> – высшая круговая частотаполосы пропускания разрабатываемого усилителя. Для расчета элементовкорректирующей цепи нужно воспользоваться таблицей 9.1 приведенной в [5].Оконечный каскад реализуем с подъёмом в 3дБ, а предоконечный и выходной сподъёмом в 0 дБ искажения каждого />=/> дБ. Так как для расчетатребуется знать />транзистора VT2то нужно сделать выбор транзистора предоконечного каскада. Свой выбор остановимна транзисторе КТ939А. Сопротивление выхода этого транзистора нам известно
Для расчета элементоввоспользуемся формулами:
/>; (4.32)
С помощью таблицы получены следующие нормированные значения элементов.
/>=1,68,/>=0,842,/>,=4,99,/>=4,62,/>=0,234.
/>,
/>; (4.33)
/>;
/>;
/>;
Денормируя полученные значения, определим:
/>=/>=57нГн;
/>=/>=71,5Ом;
/>=/>=18пФ;
/>=8,3 пФ;
/>=13 нГн.
В усилительных каскадахрасширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности врезисторах корректирующих цепей (КЦ) либо цепей обратной связи. От выходныхкаскадов усилителей требуется, как правило, получение максимально возможнойвыходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно, чтодля выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивлениенагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине вовсем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкостьтранзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве
/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />выходной КЦ. Схема включения выходной КЦприведена на рисунке 4.5.2./> <td/> />
а) б)
Рисунок 4.5.2
Использование фильтра нижнихчастот в качестве выходной КЦ при одновременном расчете элементов L1, C1 пометодике Фано позволяет обеспечить минимально возможное, соответствующеезаданным CВЫХ и fB, значение максимальной величины модуля коэффициента отражения /> в полосе частот от нуля до fB.
Находим коэффициент /> по формуле:/>; (4.34)
/>;
Далее находим по таблице 7.1приведённой в [1] значения />,/>, />,/>,соответствующие коэффициенту />:/>, />, />, />. Истинные значенияэлементов рассчитываются по формулам:
/>; (4.35)
/>.
5 Расчет предоконечногокаскада
Расчет рабочей точки предоконечного каскада производится по тем же формулам чтои оконечный, только ток рабочей точки вычисляется по формуле
/>, (5.1)
где />-ток рабочей точки выходногокаскада, а />-коэффициент усилениявыходного каскада,
/>А;
/>В;
/> мВт.
Произведем расчет схемзамещения по формулам (4.8-4.13).
/> См;
/>Ом;
/> См;
/>пФ;
/> Ом.
Произведем расчет схемытермостабилизации и цепи питания. В этом каскаде также применена эмиттернаятермостабилизация. Для расчета используем формулы (4.14-4.18).
/>=4 В;
/> Ом;
/> В;
/> А;
/> Ом;
/> Ом.
Для расчетамежкаскадной корректирующей цепи четвертого порядка выберем транзистор входногокаскада. В входном каскаде используется транзистор КТ939А. Данные из таблицыдля каскада с подъемом в 0 дБ с искажением />=/> дБ. Для расчета используемформулы (4.30-4.33).
/>=2,22,/>=1,11,/>,=5,23,/>=3,69,/>=0,291;
/>;
/>;
/>;
/>;
Денормируяполученные значения, определим:
/>=/>=75нГн;
/>=/>=94,3Ом;
/>=/>=18пФ;
/>=6,1 пФ;
/>=16,1 нГн;
/>мкГн.
/> <td/> />На рисунке 5.1 представленаэлектрическая схема каскада.Рисунок 5.1
6 Расчет входного каскада.
Расчет выходного каскада производится по тем же формулам что и оконечный.
/>А;
/>В;
/> мВт.
В данном каскаде используетсятранзистор КТ939А.
Расчет эквивалентных схемзамещения произведем по формулам (4.8-4.13):
/> См;
/>Ом;
/> См;
/>пФ;
/> Ом.
Произведемрасчет схемы термостабилизации и цепи питания. В этом каскаде примененаэмиттерная термостабилизация. Для расчета используем формулы (4.14-4.18).
/>=4 В;
/> Ом;
/> В;
/> А;
/> Ом;
/> Ом.
Расчет входной корректирующей цепи четвертого порядка.
Данный расчетотличается отсутствием выходной емкости источника сигнала поэтому расчетупрощается. Для расчета используем формулы (4.30-4.33). Данные из таблицы длякаскада с подъемом в 0 дБ с искажением />=/>дБ/>=2,22,/>=1,11,/>,=5,23,/>=3,69,/>=0,291.
/>,
/>
/>;
Денормируяполученные значения, определим:
/>=/>=44нГн;
/>=/>=55,5Ом;
/>=/>=41,6пФ;
/>=29 пФ;
/>=5,8 нГн;
/>мкГн.
/> <td/> />На рисунке 6.1 представлена электрическая схемакаскада.Рисунок 6.1
7Расчет разделительных и блокировочных ёмкостей
Рассчитаеммаксимальные искажения, вносимые разделительными и блокировочными ёмкостями вобласти низких частот. Так как значение искажений задано 1,5 дБ то наразделительные и блокировочные ёмкости должно приходится искажений по 0,75 дБ.Рассчитаем искажения приходящуюся на каждую ёмкость и переведём эти значения вразы.
/>;
/>;
Рассчитаемразделительные ёмкости по формуле [3]:
/>, (7.1)
где /> нижняя граничная круговаячастота, /> выходное сопротивлениеисточника сигнала,/> входноесопротивление приемника.
/> пФ;
/>пФ;
/>пФ;
/>Произведем расчет блокировочных емкостей по формуле[3]:
/>, (7.2)
где/> крутизна транзистора, /> сопротивлениетермостабилизации.
/>,
где
/>;
/>мА/в;
/> мА/в;
/> мА/в;
/> мА/в;
/> нФ;
/> нФ;
/>нФ.
Для уменьшенияискажений последовательно с разделительной емкостью включим дополнительноесопротивление параллельно емкости /> корректирующейцепи каскада. Дополнительное сопротивление высчитывается по формуле:
/>, (7.3)
где />сопротивление нагрузки дляоконечного каскада и сопротивление/> дляостальных каскадов.
/>Ом;
/>Ом;
/> Ом.
Так же включим /> последовательно ссопротивлением цепи коррекции /> состороны земли. Дополнительную емкость включим только к оконечному ипредоконечному каскаду:
/>; (7.4)
/> пФ.
/> нФ;