Реферат: Усилитель мощности широкополосного локатора

Министерство Образования Российской Федерации

Томский государственный университет систем управления ирадиоэлекроники (ТУСУР)

Кафедрарадиоэлектроники и защиты информации(РЗИ)

Усилитель мощности широкополосного локатора

Пояснительная записка к курсовойработепо дисциплине “Схемотехника аналоговых устройств”

Студент гр.148-3

Уткин А.Н

Руководитель

Доцент каф. РЗИ

Титов А.А

Томск 2001Реферат

Курсовая работа 39 с., 13 рис., 2 табл., 7 источников.

Усилитель мощности, выходная корректирующаяцепь, межкаскадная корректирующая цепь, рабочая точка, выбор транзистора, схемытермостабилизации, методика Фано, однонаправленная модель транзистора,эквивалентная схема Джиаколетто, нагрузочные прямые, дроссельный каскад.

Объектомисследования является усилитель мощности нелинейного локатора.

В даннойкурсовой работе рассматриваются условия выбора транзистора,

методы расчета усилительных каскадов, корректирующихцепей, цепей термостабилизации.

Цель работы – приобрести навыки расчетатранзисторных усилителей мощности.

Врезультате работы был расчитан широкополосный усилитель мощности, который можетиспользоваться в широкополосной локациидля исследования прохождения радиоволн в различных средах.

Курсоваяработа выполнена в текстовом редакторе Microsoft World 97 и представлена на дискете 3,5”.

Техническоезадание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

1Рабочая полоса частот: 50-500 МГц

2 Допустимые частотные искажения

вобласти нижних частот не более 3 дБ

вобласти верхних частот не более 3 дБ

3 Коэффициент усиления 20дБ

4 Выходная мощность P=0.5Вт

5Диапазон рабочих температур: от +10 до +50 градусов Цельсия

6Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом

Содержание1 Введение……………………………………………………………………… .52 Определение числа каскадов…………………………………………………6

3Распределение искажений на высоких частотах……………………...…….6

4Расчет оконечного каскада……………………………………………..…….6

4.1Расчет рабочей точки………………………………………………………..6

4.1.1Расчет рабочей точки при использовании Rк=Rн……………………….7

4.1.2Расчет рабочей точки для дроссельного каскада………………………..9

4.2Выбор транзистора оконечного каскада …………………………………10

4.3Расчет эквивалентной схемы транзистора ……………………………….11

4.4Расчет цепей питания и термостабилизации……………………………..13

4.41 Эмиттерная термостабилизация…………………………………………13

4.4.2Коллекторная пассивная термостабилизация…………………………..14

4.4.3Коллекторная активная термостабилизация……………………………15

4.5Расчет элементов высокочастотной коррекции…………………………..17

4.5.1Расчет выходной корректирующей цепи………………………………..17

4.5.2Расчет межкаскадной корректирующей цепи…………………………..20

5Расчет предварительного каскада……………………………………………24

6Расчет входного каскада……………………………………………………...27

7Расчет дросселей, разделительных и блокировочных конденсаторов…….31

8Заключение…………………………………………………………………….35

9Литература……………………………………………………………………..39

1Введение

В даннойкурсовой работе расчитывается усилитель широкополосного локатора, который можетиспользоваться в исследованиях прохождения радиоволн в различных средах, в томчисле прохождения различных длин волн в городских условиях, исследованиявлияния радиоволн на микроорганизмы.

Но так каккоэффициент усиления транзистора на высоких частотах составляет единицы раз, топри создании усилителя необходимо применять корректирующие цепи, обеспечивающиемаксимально возможный коэффициент усиления каждого каскада усилителя в заданнойполосе частот. Для нейтрализации влияния выходной емкости выходного транзисторана уровень выходной мощности усилителя, предложено использовать выходнуюкорректирующую цепь, рассчитанную по методике Фано. С целью повышениякоэффициента полезного действия усилителя, целесообразно применение активнойколлекторной термостабилизации

2 Определение числа каскадов

При расчете усилителей первым деломопределяют количество каскадов [1,2].Число каскадов определяется по коэффициенту усиления, который определяетсятехническим заданием (тз). Для этого выбирается коэффициент усиления для одногокаскада. Потом коэффициент усиления усилителя делится на коэффициент усиленияодного каскада.

В данноммне задании коэффициент усиления усилителя 20дб. Я задался коэффициентомусиления одного каскада около 6дб. Так число каскадов должно быть целым, тотогда после вычислений получается, что в состав усилителя будет входить 3каскада и на каждый каскад будет приходиться по 6.67дб усиления:20дб/3дб=6.67дб

3 Распределение искажений навысоких частотах

Навысоких частотах в усилителе возникают нелинейные искажения вследствие нелинейностиего элементов, что приводит к отклонению амплитудно-частотной характеристики.

Прираспределении искажений на высоких частотах определяются искажения приходящиесяна каждый каскад усилителя[1,2].

Для этогодопустимые частотные искажения, определяемые заданием, делятся на число каскадов усилителя.

Позаданию допустимые частотные искажения на высоких частотах равны 3дб. Вусилитель входит 3 каскада. Тогда на каждый каскад будет приходиться по 1дб искажений.

4 Расчет оконечного каскада

4.1 Расчет рабочей точки

Рабочейточкой называется ток или напряжение на транзисторе при отсутствии входногосигнала.

Рабочаяточка расчитывается по заданной мощности Рвых или выходному напряжению Uвых. Ночаще даётся мощность, по которой можно найти выходное напряжение (амплитуду) изсоотношения [1,2]:

<img src="/cache/referats/9451/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (4.1)

<img src="/cache/referats/9451/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (4.2)

Тогда амплитуда выходного напряжения будетравна:

По известному сопротивлению нагрузки ивыходному напряжению можно найти ток в нагрузке:

<img src="/cache/referats/9451/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (4.3)

В результате ток равен:

4.1.1 Расчет рабочей точки для реостатного каскада

Чтобы найти ток в рабочей точке, нужнознать ток на выходе каскада:

<img src="/cache/referats/9451/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> (4.4)

Сопротивления Rк и Rнвыбраны равными, то равны итоки, протекающие через них:

<img src="/cache/referats/9451/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (4.5)

Тогдаполучим:

Схемадля данного случая изображена на рисунке (4.1).

Координатырабочей точки находится по выражениям:

<img src="/cache/referats/9451/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> 3дб/1дб=3 (4.6)

<img src="/cache/referats/9451/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> (4.7)

Здесь Uостначальное напряжение нелинейного участка выходных характеристик транзистора,берется от 2В до 3В. После подстановки в выражения (4.6, 4.7) получится:

Рисунок 4.1

Напряжение источника питания для схемыбудет составлять сумму падений напряжений на сопротивлении Rк и транзисторе:

<img src="/cache/referats/9451/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> (4.8)

где <img src="/cache/referats/9451/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">

<img src="/cache/referats/9451/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> — напряжение в рабочей точке

Выражение (4.8) называется нагрузочной прямой попостоянному току. В пределах этой прямой будет изменяться рабочая точка.

Чтобыпровести прямую, достаточно знать две точки:

В сигнальном режиме строится нагрузочнаяпрямая по переменному току:

<img src="/cache/referats/9451/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (4.9)

<img src="/cache/referats/9451/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (4.10)

Для упрощения расчетов берут <img src="/cache/referats/9451/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> <img src="/cache/referats/9451/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> Послеподстановки получается:

Нарисунке (4.2) изображен вид нагрузочных прямых по постоянному и переменномутокам.

Рисунок4.2 – Нагрузочные прямые

Мощности рассеиваемая на транзисторе ипотребляемая каскадом определяются по выражениям:

<img src="/cache/referats/9451/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> (4.11)

<img src="/cache/referats/9451/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> (4.12)

Соответственно мощности будут равны:

4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада

В отличиеот предыдущего каскада дроссельный имеет вместо сопротивления Rкдроссель Lдр, который по постоянному току имеет сопротивлениеблизкое к нулю, а по переменному – намного большее сопротивления нагрузки.

Положимвыходное напряжение тем же (Uвых=7.71В).

Рисунок 4.3-Дроссельный каскад

Расчет рабочей точки производится по тем жевыражениям, что и для предыдущего каскада (4.6, 4.7), но выходной ток каскадабудет равен току нагрузки:

Тогдарабочая точка будет иметь следующие координаты:

Так какдроссель по постоянному току является короткозамкнутым проводником, тонапряжение питания будет равным падению напряжения на транзисторе, то есть Еп=Uкэо=10.71В.

Нагрузочная прямая по переменному току описывается выражением:

<img src="/cache/referats/9451/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> (4.13)

Для упрощения здесь <img src="/cache/referats/9451/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1055">Тогда изменение напряжения на транзисторе будет равно:

Вид нагрузочных прямых изображен нарисунке (4.4).

Рисунок 4.4- Нагрузочные прямые длядроссельного каскада

Потребляемаямощность каскадом и рассеиваемая на транзисторе аналогично определяется повыражениям (4.11, 4.12). В результате<img src="/cache/referats/9451/image068.gif" v:shapes="_x0000_s1079">
получается:

Видно,что мощность рассеивания равна потребляемой.

Сравнивая энергетическиехарактеристики двух каскадов, можно сделать вывод, что лучше взять дроссельныйкаскад, так как он имеет наименьшее потребление, напряжение питания и ток.

4.2 Выбор транзистораоконечного каскада

Выбортранзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:

— предельный допустимый ток коллектора<img src="/cache/referats/9451/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1059">

— предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер <img src="/cache/referats/9451/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1060">

— предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе<img src="/cache/referats/9451/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1061">

— граничная частота усилениятранзистора по току в схеме с ОЭ <img src="/cache/referats/9451/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1062">.

Этимтребованиям удовлетворяет транзистор КТ939А[3]. Основные техническиехарактеристики этого транзистора приводятся ниже.

Электрические параметры:

-граничная частота коэффициента передачи тока всхеме с ОЭ <img src="/cache/referats/9451/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

-постоянная времени цепи обратной связи при <img src="/cache/referats/9451/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1064"><img src="/cache/referats/9451/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1065">

-индуктивность базового вывода <img src="/cache/referats/9451/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1066">

-индуктивность эмиттерного вывода <img src="/cache/referats/9451/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1067">

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ <img src="/cache/referats/9451/image090.gif" v:shapes="_x0000_i1068">

-емкость коллекторного перехода при <img src="/cache/referats/9451/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> В <img src="/cache/referats/9451/image094.gif" v:shapes="_x0000_i1070">

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер <img src="/cache/referats/9451/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1071">

-постоянный ток коллектора <img src="/cache/referats/9451/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора приТк=298К <img src="/cache/referats/9451/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> Вт;

-температура перехода <img src="/cache/referats/9451/image102.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

4.3 Расчет эквивалентнойсхемы транзистора

Так какрабочие частоты усилителя больше частоты<img src="/cache/referats/9451/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1075">

<img src="/cache/referats/9451/image106.jpg" v:shapes="_x0000_i1076"> Рисунок 4.5 – Однонаправленная модельтранзистора

Рисунок 4.6 –Схема Джиаколетто

Параметры эквивалентной схемы не даны в справочнике, но они совпадают спараметрами схемы транзистора, предложенной Джиаколетто [1,4](рис.4.6).

Входная индуктивность:

<img src="/cache/referats/9451/image110.gif" v:shapes="_x0000_i1078"> (4.14)

Входное сопротивление:

<img src="/cache/referats/9451/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1080"> (4.15)

где <img src="/cache/referats/9451/image116.gif" v:shapes="_x0000_i1081"><img src="/cache/referats/9451/image118.gif" v:shapes="_x0000_i1082">

<img src="/cache/referats/9451/image124.gif" v:shapes="_x0000_i1084"> – берётся изсправочника.

Крутизна транзистора:

<img src="/cache/referats/9451/image126.gif" v:shapes="_x0000_i1085">, (4.16)

где

<img src="/cache/referats/9451/image130.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> — ток в рабочей точке в милиамперах

Выходное сопротивление:

<img src="/cache/referats/9451/image132.gif" v:shapes="_x0000_i1088">. (4.17)

Выходная ёмкость:

<img src="/cache/referats/9451/image134.gif" v:shapes="_x0000_i1089"> (4.18)

Тогда в соответствие с этими формулами получаются следующие значенияэлементов эквивалентной схемы:

<img src="/cache/referats/9451/image140.gif" v:shapes="_x0000_i1092">В

<img src="/cache/referats/9451/image144.gif" v:shapes="_x0000_i1094"> Ом

<img src="/cache/referats/9451/image146.gif" v:shapes="_x0000_i1095"> Ом

4.4 Расчет цепейтермостабилизации

Существует несколько видов схем термостабилизации[5,6].Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований ктермостабильности. В данной работе рассмотрены следующие схемытермостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, активная коллекторная.

4.4.1 Эмиттернаятермостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена нарисунке (4.7). Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробноописан в [5,6].

Рисунок 4.7 – Схема эмиттерной термостабилизации

Прирасчёте элементов схемы выбирается падение напряжения Uэ на сопротивлении Rэ (винтервале 2-5В), расчитываются ток делителя <img src="/cache/referats/9451/image152.gif" v:shapes="_x0000_i1098"><img src="/cache/referats/9451/image154.gif" v:shapes="_x0000_i1099"><img src="/cache/referats/9451/image156.gif" v:shapes="_x0000_i1100">Uкэо=10.71В и Iко=0.154А.

Выбранонапряжение Uэ=3В.

Ток базового делителя находится повыражению:

<img src="/cache/referats/9451/image158.gif" v:shapes="_x0000_i1101"> (4.19)

где <img src="/cache/referats/9451/image160.gif" v:shapes="_x0000_i1102">

Сопротивления <img src="/cache/referats/9451/image156.gif" v:shapes="_x0000_i1103"> определяютсявыражениями:

<img src="/cache/referats/9451/image162.gif" v:shapes="_x0000_i1104"> (4.20)

<img src="/cache/referats/9451/image164.gif" v:shapes="_x0000_i1105"> (4.21)

<img src="/cache/referats/9451/image166.gif" v:shapes="_x0000_i1106">. (4.22)

Напряжение питания <img src="/cache/referats/9451/image154.gif" v:shapes="_x0000_i1107">

<img src="/cache/referats/9451/image168.gif" v:shapes="_x0000_i1108"> (4.23)

<img src="/cache/referats/9451/image068.gif" v:shapes="_x0000_s1091">
После подстановки получаются следующиерезультаты:

<img src="/cache/referats/9451/image176.gif" v:shapes="_x0000_i1112"> Ом

<img src="/cache/referats/9451/image178.gif" v:shapes="_x0000_i1113"> Ом

Рассеиваемая мощность на Rэ:

<img src="/cache/referats/9451/image180.gif" v:shapes="_x0000_i1114"> (4.24)

Тогда мощность Pэ равна:

4.4.2 Коллекторная пассивнаятермостабилизация

Этот видтермостабилизации[5,6]применяется в маломощных каскадах и менееэффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи,регулирующее ток через транзистор подаётся на базу. Расчет начинают с того, чтовыбирается напряжение Urк в интервале 5-10В. Потомрасчитываются напряжение питания, ток базы Iб, сопротивления Rб иRк по выражениям:

<img src="/cache/referats/9451/image184.gif" v:shapes="_x0000_i1116"> (4.25)

Рисунок 4.8 – Схема коллекторной пассивной термостабилизации

<img src="/cache/referats/9451/image188.gif" v:shapes="_x0000_i1118"> (4.26)

<img src="/cache/referats/9451/image190.gif" v:shapes="_x0000_i1119"> (4.27)

<img src="/cache/referats/9451/image192.gif" v:shapes="_x0000_i1120"> (4.28)

Результатом подстановки будет:

<img src="/cache/referats/9451/image194.gif" v:shapes="_x0000_i1121">Ом

<img src="/cache/referats/9451/image200.gif" v:shapes="_x0000_i1124"> Ом

Напряжение Еп=Uкэо, потому что припостоянном токе Urк равно нулю.

Рассеиваемая мощность при такойтермостабилизации находится по формуле:

<img src="/cache/referats/9451/image202.gif" v:shapes="_x0000_i1125"> (4.29)

Тогда получится:

4.4.3 Коллекторная активнаятермостабилизация

Вактивной коллекторной термостабилизации используется дополнительный транзистор,который управляет работой основного транзистора. Эта схема применяется в мощныхкаскадах, где требуется высокий КПД. Её описание и расчёт можно найти в [5,6].

Рисунок 4.9 – Схема активной коллекторной термостабилизации

Вначале, при расчете выбирается транзистор VT1.Вкачестве VT1 выбран КТ361А[3]. Основные техническиепараметры приведены ниже.

Электрические параметры:

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ <img src="/cache/referats/9451/image208.gif" v:shapes="_x0000_i1128">

-емкость коллекторного перехода при <img src="/cache/referats/9451/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1129"> В <img src="/cache/referats/9451/image210.gif" v:shapes="_x0000_i1130">

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер <img src="/cache/referats/9451/image212.gif" v:shapes="_x0000_i1131">

-постоянный ток коллектора <img src="/cache/referats/9451/image214.gif" v:shapes="_x0000_i1132">

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора приТк=298К <img src="/cache/referats/9451/image216.gif" v:shapes="_x0000_i1133">

Послеэтого выбирается падение напряжения на резисторе <img src="/cache/referats/9451/image218.gif" v:shapes="_x0000_i1134"> из условия <img src="/cache/referats/9451/image220.gif" v:shapes="_x0000_i1135"><img src="/cache/referats/9451/image222.gif" v:shapes="_x0000_i1136">

<img src="/cache/referats/9451/image224.gif" v:shapes="_x0000_i1137">; (4.30)

<img src="/cache/referats/9451/image226.gif" v:shapes="_x0000_i1138">; (4.31)

<img src="/cache/referats/9451/image228.gif" v:shapes="_x0000_i1139">; (4.32)

<img src="/cache/referats/9451/image230.gif" v:shapes="_x0000_i1140">; (4.33)

<img src="/cache/referats/9451/image232.gif" v:shapes="_x0000_i1141">, (4.34)

<img src="/cache/referats/9451/image234.gif" v:shapes="_x0000_i1142"> (4.35)

<img src="/cache/referats/9451/image236.gif" v:shapes="_x0000_i1143">; (4.36)

<img src="/cache/referats/9451/image238.gif" v:shapes="_x0000_i1144"> (4.37)

<img src="/cache/referats/9451/image240.gif" v:shapes="_x0000_i1145"> (4.38)

После подстановки получаем следующиезначения:

<img src="/cache/referats/9451/image242.gif" v:shapes="_x0000_i1146"> Ом

<img src="/cache/referats/9451/image248.gif" v:shapes="_x0000_i1149"> Ом

Рассеиваемая мощность на сопротивлении R4определяется по выражению:

<img src="/cache/referats/9451/image260.gif" v:shapes="_x0000_i1155"> (4.39)

После подстановки имеем:

В результате, если сравнить все три вида схемтермостабилизации, то видно, что лучше взять активную коллекторную, так как онаболее экономична. К тому же, у высокочастотных транзисторов на высокой частотеэмиттер заземлен, поэтому эмиттерная термостабилизация не используется.

4.5 Расчет элементоввысокочастотной коррекции

4.5.1 Расчет выходнойкорректирующей цепи

Изтеории усилителей известно [1,6], что для получения максимальной выходноймощности в заданной полосе частот необходимо реализовать ощущаемоесопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора, равноепостоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого добиваютсявключением выходной емкости транзистора (см. рисунок 4.10) в фильтр нижнихчастот, используемый в качестве выходной корректирующей цепи (ВКЦ). Схема включенияВКЦ приведена на рисунке (4.10).

Рисунок 4.10 — Схема выходной корректирующей цепи

Приработе усилителя без ВКЦ модуль коэффициента отражения |<img src="/cache/referats/9451/image266.gif" v:shapes="_x0000_i1173">ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистораравен

|<img src="/cache/referats/9451/image267.gif" v:shapes="_x0000_i1158"><img src="/cache/referats/9451/image269.gif" v:shapes="_x0000_i1174"> (4.40)

а уменьшение выходной мощности относительно максимальногозначения, обусловленное наличием Cвых,составляет:

<img src="/cache/referats/9451/image271.gif" v:shapes="_x0000_i1175"> (4.41)

где <img src="/cache/referats/9451/image273.gif" v:shapes="_x0000_i1176"> — максимальноезначение выходной мощности на частоте <img src="/cache/referats/9451/image275.gif" v:shapes="_x0000_i1177"> при условии равенстванулю <img src="/cache/referats/9451/image277.gif" v:shapes="_x0000_i1178">;

<img src="/cache/referats/9451/image279.gif" v:shapes="_x0000_i1179"> — максимальноезначение выходной мощности на частоте <img src="/cache/referats/9451/image275.gif" v:shapes="_x0000_i1180"> при наличии <img src="/cache/referats/9451/image281.gif" v:shapes="_x0000_i1181">.

Методика Фано [6] позволяет при заданнойвеличине <img src="/cache/referats/9451/image281.gif" v:shapes="_x0000_i1182"> и <img src="/cache/referats/9451/image283.gif" v:shapes="_x0000_i1183"> усилителя таким образом рассчитатьэлементы ВКЦ <img src="/cache/referats/9451/image285.gif" v:shapes="_x0000_i1159"> и<img src="/cache/referats/9451/image287.gif" v:shapes="_x0000_i1160"><img src="/cache/referats/9451/image289.gif" v:shapes="_x0000_i1184"><img src="/cache/referats/9451/image283.gif" v:shapes="_x0000_i1185"></span

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Усилитель мощности 1-5 каналов ТВ

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Блок усиления мощности нелинейного локатора

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Усилитель мощности системы поиска нелинейностей

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Передающие спиральные антенны

29 Августа 2013