Реферат: Блок усиления мощности нелинейного локатора

Министерствообразования Российской Федерации

ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защитыинформации (РЗИ)

Блок усиления мощности нелинейного локатора

Пояснительнаязаписка к курсовому

проектупо дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Выполнил:

студент гр.148-3

______ Авраменко А.А.

Проверил:

преподаватель каф. РЗИ

______Титов А.А.

2001

Содержание

1.Введение..........................................................................................3

2.Техническоезадание......................................................................4

3.Расчётнаячасть…...........................................................................5

3.1 Структурная схема усилителя...........................................…..5

3.2 Распределение линейных искажений в области ВЧ........….5

3.3 Расчёт выходного каскада……………………………............5

3.3.1 Выбор рабочейточки..................................................5

3.3.2 Выбортранзистора......................................................6

3.3.3 Расчёт эквивалентных схем

транзистора.......….…………………………...............7

3.3.4 Расчёт цепи термостабилизации

и выбор источника питания …........…………...........9

3.3.5 Расчёт элементов ВЧкоррекции...............................15

3.4 Расчётпромежуточного каскада.…………............................…………………….............18

3.4.1 Выбор рабочей точки……………………….............18

3.4.2 Выбор транзистора………………………….............18

3.4.3 Расчёт эквивалентных схем

транзистора………………………………….............19

3.4.4 Расчёт цепитермостабилизации..…………............19

3.4.5 Расчёт цепи коррекции между входным

ипромежуточным каскадами....................................20

3.5 Расчёт входногокаскада...........……………………..............23

3.5.1 Выбор рабочейточки....................………….............23

3.5.2 Выбортранзистора...........……………………..........23

3.5.3 Расчёт эквивалентных схем

транзистора …............………....……………............24

3.5.4 Расчёт цепейтермостабилизации.............................25

3.5.5 Расчёт входной корректирующейцепи...................25

3.6 Расчёт выходной корректирующейцепи..............................26

3.7 Расчёт разделительных иблокировочных ёмкостей……………………………………………...............28

4Заключение…………………………………………….…………31

Литература

1.Введение

В даннойкурсовой работе требуется рассчитатьблокусиления мощности нелинейного локатора (БУМ). БУМ является одним из основныхблоков нелинейного локатора, он обеспечивает усиление сканирующего по частотесложного сигнала.

БУМ должениметь малый уровень нелинейных искажений и высокий коэффициент полезногодействия, обеспечивать заданную выходную мощность в широкой полосе частот иравномерную амплитудно-частотную характеристику нелинейного локатора.

Припроектировании любого усилителя основной трудностью является обеспечениезаданного усиления в рабочей полосе частот. В данном случае полоса частотсоставляет 20-500 МГц. С учётом того, что усилительные свойства транзисторовзначительно ухудшаются с ростом частоты, то разработка устройства с подъёмомАЧХ на таких частотах является непростой задачей. Наиболее эффективнымпредставляется использование в данном случае межкаскадных корректирующих цепей3-го порядка. Такая цепь позволит оптимальным, для нашего случая, образомполучить нужный коэффициент усиления с нелинейными искажениями, не выходящимиза рамки данных в задании.

2. Техническое задание

Усилительдолжен отвечать следующим требованиям:

1.

2.

в области нижних частот не более 1.5 дБ

в области верхних частот не более 1ю5 дБ

3.

4.

5.

6.

Rг=Rн=50 Ом

3. Расчётная часть

3.1 Структурная схема усилителя.

Зная, чтокаскад с общим эмиттером позволяет получать усиление около 7 дБ, оптимальноечисло каскадов данного усилителя равно трём. Предварительно распределим накаждый каскад по 6 дБ. Таким образом, коэффициент усиления устройства составит18 дБ, из которых 15 дБ требуемые по заданию, а 3 дБ будут являться запасомусиления.

Структурнаясхема, представленная на рисунке 3.1, содержит кроме усилительных каскадовкорректирующие цепи, источник сигнала и нагрузку.

Рисунок 3.1

3.2 Распределение линейных искажений в

области ВЧ

Расчётусилителя будем проводить исходя из того, что искажения распределены как 1 дБна каждый каскад БУМ.

3.3

Расчёт выходного каскада

3.3.1 Выбор рабочей точки

Координатырабочей точки можно приближённо рассчитать по следующим формулам [1]:

<img src="/cache/referats/9453/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (3.3.1)

где <img src="/cache/referats/9453/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (3.3.2)

<img src="/cache/referats/9453/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (3.3.3)

где <img src="/cache/referats/9453/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> – начальное напряжениенелинейного участка выходных

<img src="/cache/referats/9453/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1037">
характеристик транзистора, <img src="/cache/referats/9453/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

Так как ввыбранной мной схеме выходного каскада сопротивление коллектора отсутствует, то<img src="/cache/referats/9453/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

, (3.3.4)

. (3.3.5)

Приподстановке значений, получаем .

Рассчитываяпо формулам 3.3.1 и 3.3.3, получаем следующие координаты рабочей точки:

Найдёммощность, рассеиваемую на коллекторе

3.3.2 Выбортранзистора

Выбортранзистора осуществляется с учётом следующих предельных параметров:

1.

<img src="/cache/referats/9453/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1035">;

2.

3.

4.

Этимтребованиям полностью соответствует транзистор КТ916А. Его основные техническиехарактеристики приведены ниже.

Электрическиепараметры:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Предельныеэксплуатационные данные:

1.

2.

3.

Нагрузочныепрямые по переменному и постоянному току для выходного каскада представлены нарисунке 3.2. Напряжение питания выбрано равным 24,36 В.

Рисунок 3.2

3.3.3 Расчёт эквивалентныхсхем транзистора

Расчёт схемы Джиаколетто:

Соотношения для расчётаусилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемытранзистора, предложенной Джиаколетто, справедливой для области относительнонизких частот.

Схема модели представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3

<img src="/cache/referats/9453/image060.gif" v:shapes="_x0000_s1041"> Элементы схемы можно рассчитать, знаяпаспортные данные транзистора, по формулам [2]:

Проводимость базового вывода :

, (3.3.6)

<img src="/cache/referats/9453/image066.gif" v:shapes="_x0000_s1045"><img src="/cache/referats/9453/image068.gif" v:shapes="_x0000_s1046"> — ёмкость коллекторноговывода, при напряжении на транзисторе равном 10 В. Значение этой ёмкости можновычислить. Для этого нужно знать паспортное значение коллекторной ёмкости и значение напряжение , при котором снималась паспортнаяёмкость. Пересчёт производится по формуле:

, (3.3.7)

Ёмкость коллекторного вывода:

Ёмкость эмитерного вывода:

(3.3.8)

Проводимость :

. (3.3.9)

<img src="/cache/referats/9453/image084.gif" v:shapes="_x0000_s1052"> и оказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, врасчётах они обычно не учитываются.

Проведя расчёт по формулам 3.3.6 ¸

3.3.9, получаемзначения элементов схемы:

<img src="/cache/referats/9453/image095.gif" v:shapes="_x0000_s1060"><img src="/cache/referats/9453/image097.gif" v:shapes="_x0000_s1059"> пФ

пФ

Расчёт высокочастотной модели:

Поскольку рабочие частоты усилителя заметно больше частоты <img src="/cache/referats/9453/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

Рисунок 3.4

Параметры эквивалентной схемырассчитываются по приведённым ниже формулам.

Входная индуктивность:

<img src="/cache/referats/9453/image103.gif" v:shapes="_x0000_i1052">, (3.3.10)

где <img src="/cache/referats/9453/image105.gif" v:shapes="_x0000_i1053">

Входное сопротивление:

<img src="/cache/referats/9453/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> (3.3.11)

Крутизна транзистора:

<img src="/cache/referats/9453/image109.gif" v:shapes="_x0000_i1055">, (3.3.12)

Выходное сопротивление:

<img src="/cache/referats/9453/image111.gif" v:shapes="_x0000_i1056">. (3.3.13)

Выходная ёмкость:

<img src="/cache/referats/9453/image113.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> (3.3.14)

В соответствие с этими формуламиполучаем следующие значения элементов эквивалентной схемы:

3.3.4 Расчёт цепей термостабилизации и выбор источника питания

Существуетнесколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит отмощности каскада и от того, насколько жёсткие требования к термостабильности. Вданной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: пассивная коллекторная,активная коллекторная и эмиттерная.

3.3.4.1 Пассивнаяколлекторная термостабилизация

Данный видтермостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4) используется на малыхмощностях и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжениеотрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся набазу через базовый делитель.

Рисунок 3.5

Расчёт,подробно описанный в [3], заключается в следующем: выбираем напряжение <img src="/cache/referats/9453/image129.gif" v:shapes="_x0000_i1065"> (в данном случае <img src="/cache/referats/9453/image131.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><img src="/cache/referats/9453/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1067"><img src="/cache/referats/9453/image135.gif" v:shapes="_x0000_i1068"><img src="/cache/referats/9453/image137.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> – ток базы), затемнаходим элементы схемы по формулам:

<img src="/cache/referats/9453/image139.gif" v:shapes="_x0000_i1070"> (3.3.15)

<img src="/cache/referats/9453/image141.gif" v:shapes="_x0000_i1071">, (3.3.16)

где <img src="/cache/referats/9453/image143.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

<img src="/cache/referats/9453/image145.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> (3.3.17)

Получимследующие значения:

<img src="/cache/referats/9453/image149.gif" v:shapes="_x0000_i1075">Ом;

3.3.4.2 Активнаяколлекторная термостабилизация

Активнаяколлекторная термостабилизация используется в мощных каскадах и является оченьэффективной, её схема представлена на рисунке 3.5. Её описание и расчёт можнонайти в [2].

Рисунок 3.6

В качестве VT2 возьмём КТ916А. Выбираем падениенапряжения на резисторе <img src="/cache/referats/9453/image155.gif" v:shapes="_x0000_i1078"> из условия <img src="/cache/referats/9453/image157.gif" v:shapes="_x0000_i1079"><img src="/cache/referats/9453/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1080">

<img src="/cache/referats/9453/image161.gif" v:shapes="_x0000_i1081">; (3.3.18)

<img src="/cache/referats/9453/image163.gif" v:shapes="_x0000_i1082">; (3.3.19)

<img src="/cache/referats/9453/image165.gif" v:shapes="_x0000_i1083">; (3.3.20)

<img src="/cache/referats/9453/image167.gif" v:shapes="_x0000_i1084">; (3.3.21)

<img src="/cache/referats/9453/image169.gif" v:shapes="_x0000_i1085">, (3.3.22)

где <img src="/cache/referats/9453/image171.gif" v:shapes="_x0000_i1086"> – статическийкоэффициент передачи тока в схеме с ОЭ транзистора КТ361А;

<img src="/cache/referats/9453/image173.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> (3.3.23)

<img src="/cache/referats/9453/image175.gif" v:shapes="_x0000_i1088">; (3.3.24)

<img src="/cache/referats/9453/image177.gif" v:shapes="_x0000_i1089">. (3.3.25)

Величинаиндуктивности дросселя выбирается таким образом, чтобы переменная составляющаятока не заземлялась через источник питания, а величина блокировочной ёмкости –таким образом, чтобы коллектор транзистора VT1 по переменному току был заземлён.

3.3.4.3 Эмиттернаятермостабилизация

Принципдействия эмиттерной термостабилизации представлен на рисунке 3.6. Метод расчётаи анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в [3].

Рисунок 3.7

Расчётпроизводится по следующей схеме:

1.Выбираютсянапряжение эмиттера <img src="/cache/referats/9453/image181.gif" v:shapes="_x0000_i1091"> и ток делителя <img src="/cache/referats/9453/image183.gif" v:shapes="_x0000_i1092"> (см. рис. 3.7), атакже напряжение питания <img src="/cache/referats/9453/image185.gif" v:shapes="_x0000_i1093">

2. Затемрассчитываются <img src="/cache/referats/9453/image187.gif" v:shapes="_x0000_i1094">

3.Производится поверка – будет ли схема термостабильна при выбранных значениях <img src="/cache/referats/9453/image181.gif" v:shapes="_x0000_i1095"> и <img src="/cache/referats/9453/image183.gif" v:shapes="_x0000_i1096"><img src="/cache/referats/9453/image181.gif" v:shapes="_x0000_i1097"> и <img src="/cache/referats/9453/image183.gif" v:shapes="_x0000_i1098"><img src="/cache/referats/9453/image189.gif" v:shapes="_x0000_i1099"><img src="/cache/referats/9453/image191.gif" v:shapes="_x0000_i1100"> мА. Учитывая то, что вколлекторной цепи отсутствует резистор, то напряжение питания рассчитывается поформуле <img src="/cache/referats/9453/image193.gif" v:shapes="_x0000_i1101">

<img src="/cache/referats/9453/image195.gif" v:shapes="_x0000_i1102"> (3.3.25)

<img src="/cache/referats/9453/image197.gif" v:shapes="_x0000_i1103"> (3.3.26)

<img src="/cache/referats/9453/image199.gif" v:shapes="_x0000_i1104">. (3.3.27)

Для того,чтобы выяснить будет ли схема термостабильной производится расчёт приведённыхниже величин.

Тепловоесопротивление переход – окружающая среда:

<img src="/cache/referats/9453/image201.gif" v:shapes="_x0000_i1105"> (3.3.28)

где <img src="/cache/referats/9453/image203.gif" v:shapes="_x0000_i1106"><img src="/cache/referats/9453/image205.gif" v:shapes="_x0000_i1107"> – справочные данные;

Температура перехода:

<img src="/cache/referats/9453/image209.gif" v:shapes="_x0000_i1109"> (3.3.29)

где <img src="/cache/referats/9453/image211.gif" v:shapes="_x0000_i1110">

<img src="/cache/referats/9453/image213.gif" v:shapes="_x0000_i1111"> – мощность,рассеиваемая на коллекторе.

Неуправляемый ток коллекторного перехода:

<img src="/cache/referats/9453/image215.gif" v:shapes="_x0000_i1112"> (3.3.30)

где <img src="/cache/referats/9453/image217.gif" v:shapes="_x0000_i1113"> – отклонениетемпературы транзистора от нормальной;

<img src="/cache/referats/9453/image219.gif" v:shapes="_x0000_i1114"> лежит в пределах <img src="/cache/referats/9453/image221.gif" v:shapes="_x0000_i1115">

<img src="/cache/referats/9453/image223.gif" v:shapes="_x0000_i1116"> – коэффициент, равный0.063–0.091 для германия и 0.083–0.120 для кремния.

Параметры транзистора с учётом изменениятемпературы:

<img src="/cache/referats/9453/image225.gif" v:shapes="_x0000_i1117"> (3.3.31)

где <img src="/cache/referats/9453/image227.gif" v:shapes="_x0000_i1118"> равно 2.2(мВ/градусЦельсия) для германия и

3(мВ/градус Цельсия) для кремния.

<img src="/cache/referats/9453/image229.gif" v:shapes="_x0000_i1119"> (3.3.32)

где <img src="/cache/referats/9453/image231.gif" v:shapes="_x0000_i1120">

Определим полный постоянный ток коллектора при изменениитемпературы:

<img src="/cache/referats/9453/image233.gif" v:shapes="_x0000_i1121"> (3.3.33)

где

<img src="/cache/referats/9453/image235.gif" v:shapes="_x0000_i1122"> (3.3.34)

Для тогочтобы схема была термостабильна необходимо выполнение условия:

где <img src="/cache/referats/9453/image239.gif" v:shapes="_x0000_i1124"> (3.3.35)

Рассчитываяпо приведённым выше формулам, получим следующие значения:

<img src="/cache/referats/9453/image245.gif" v:shapes="_x0000_i1127">Ом;

Как видно из расчётов условиетермостабильности выполняется.

Из всех рассмотренных вышетипов термостабилизации была выбрана активная коллекторная термостабилизация,как наиболее подходящая для моего усилителя. Активным элементом был выбрантранзистор КТ361A.

3.3.4.4 Выбор источникапитания

<img src="/cache/referats/9453/image265.gif" v:shapes="_x0000_s1065"><img src="/cache/referats/9453/image267.gif" v:shapes="_x0000_s1064"><img src="/cache/referats/9453/image268.gif" v:shapes="_x0000_s1063"> выбранный вид термостабилизации. При активной коллекторной термостабилизациина резисторе дополнительно будет падать 1 вольт. Такимобразом номинал источника питания будет складываться из напряжения в рабочейточке транзистора и падения напряжения на . Тогда:

3.3.5 Расчет элементов ВЧкоррекции

В качестве ВЧкоррекции мною была выбрана межкаскадная корректирующая цепь 3-го порядка. Нопосле расчёта коэффициента усиления выходного каскада оказалось, что каскаддаёт слишком малое усиление, а именно – около 2.5 дБ. После расчётапромежуточного каскада были получены примерно такие же результаты. В результатеобщее усиление, выдаваемое трёмя каскадами усилителя, вышло равным примерно 11дБ, вместо 15 требуемых. Для увеличения коэффициента усиления третий каскад натранзисторе КТ916А был заменен каскадом со сложением напряжения, выполненным натранзисторе КТ948Б. Для активного элемента промежуточного каскада был выбрантранзистор КТ913Б.

Схема каскадапо переменному току приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8

Расчёт каскада полностью описанв [2].

При условии:

<img src="/cache/referats/9453/image272.gif" v:shapes="_x0000_i1138"> (3.3.36)

<img src="/cache/referats/9453/image274.gif" v:shapes="_x0000_s1066"> . При выполнении условия (3.3.36) коэффициентусиления каскада в области ВЧ описывается выражением:

Где:

<img src="/cache/referats/9453/image290.gif" v:shapes="_x0000_s1069"> В случае получения оптимальной поБрауде АЧХ, значения

равны:

<img src="/cache/referats/9453/image292.gif" v:shapes="_x0000_i1145"> (3.3.37)

<img src="/cache/referats/9453/image294.gif" v:shapes="_x0000_i1146"> (3.3.38)

Так как был использован каскад со сложениемнапряжения, произошло смещение рабочей точки, рассчитанной ранее. Напряжение врабочей точке транзистора КТ948Б будет равно 13.2 вольт. Ток останетсянеизменным, т.е. будет равен 0.5 ампер. Также можно поменять номинал источникапитания — взять его равным 14.2 вольт.

Так как каскад со сложением напряженияосуществляет подъём АЧХ, т.е. улучшает её форму, будем считать, что каскад невносит линейных искажений и не требует МКЦ. Тогда произведём пересчётискажений: 2 дБ отдадим на промежуточный каскад и 1 дБ на входной.

Основныетехнические характеристики транзистора КТ948Б:

<img src="/cache/referats/9453/image295.gif" v:shapes="_x0000_s1067">
Электрические параметры:

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Предельныеэксплуатационные данные:

4.

5.

6.

По формулам 3.3.6 ¸

3.3.9 получаемзначения элементов модели Джиаколетто:

<img src="/cache/referats/9453/image320.gif" v:shapes="_x0000_s1075"><img src="/cache/referats/9453/image322.gif" v:shapes="_x0000_s1074"> пФ

пФ

По формулам 3.3.10 ¸

3.3.14 получаемзначения элементов ВЧ модели:

<img src="/cache/referats/9453/image328.gif" v:shapes="_x0000_s1090"> Ом;

<img src="/cache/referats/9453/image290.gif" v:shapes="_x0000_s1078"><img src="/cache/referats/9453/image290.gif" v:shapes="_x0000_s1079"> по формулам 3.3.37-3.3.38, а также значенияэлементов схемы термостабилизации, используя формулы 3.3.18¸

3.3.25.

Значения :

Значения элементов схемы термостабилизации:

<img src="/cache/referats/9453/image338.gif" v:shapes="_x0000_i1161">,

<img src="/cache/referats/9453/image340.gif" v:shapes="_x0000_i1162">,

<img src="/cache/referats/9453/image342.gif" v:shapes="_x0000_i1163">,

<img src="/cache/referats/9453/image344.gif" v:shapes="_x0000_i1164">,

<img src="/cache/referats/9453/image348.gif" v:shapes="_x0000_i1166">,

<img src="/cache/referats/9453/image350.gif" v:shapes="_x0000_i1167">.

Коэффициент усиления выходного каскада – 6 дБ.

3.4 Расчёт промежуточного каскада

3.4.1 Выбор рабочей точки

При расчётетребуемого режима транзистора промежуточных и входного каскадов по постоянномутоку, следует ориентироваться на соотношения, приведённые в пункте 3.3.1 сучётом того, что <img src="/cache/referats/9453/image352.gif" v:shapes="_x0000_i1168"> заменяется на входноесопротивление последующего каскада. Так как выходной каскад является каскадомсо сложением напряжения, то координаты рабочей точки у промежуточного каскадате же, что и у выходного.

3.4.2 Выбор транзистора

Выбортранзистора осуществляется в соответствии с требованиями, приведенными в пункте3.3.2. Этим требованиям отвечает транзистор КТ913Б. Его основные техническиехарактеристики приведены ниже.

Электрическиепараметры:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Предельныеэксплуатационные данные:

1.

2.

3.

3.4.3 Расчёт эквивалентных схем транзистора