Реферат: Широкополосный усилитель

Министерствообразования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

Широкополосныйусилитель

Пояснительнаязаписка к курсовому проекту по дисциплине “Схемотехника аналоговых устройств”

РТФ КП468714.001 ПЗ

Студент гр. 180

___________Т. А. Сизиков

___________________дата

Руководитель

Доцент кафедры РЗИ

_____________А.А. Титов

___________________дата

2003

Реферат

Курсовой проект 48 стр., 1 табл., 20 рис., 8 ист.

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, РАБОЧАЯ ТОЧКА, ДРОССЕЛЬНЫЙКАСКАД, ВХОДНАЯ ЦЕПЬ, НАГРУЗОЧНЫЕ ПРЯМЫЕ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, ЭМИТТЕРНАЯКОРРЕКЦИЯ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМАДЖИАКОЛЕТТО.

Объектом разработки является широкополосныйусилитель.

Цель данной работы – приобретение практическихнавыков в расчете усилителей на примере конкретной задачи.

В процессе работы производился анализ различных схемреализации усилительного устройства, расчет его параметров и элементов. Врезультате была разработана схема усилителя, отвечающая требованиямтехнического задания.

Пояснительная записка выполнена в текстовомредакторе MicrosoftWorld 2000, а рисунки в графическом редакторе PaintBrush.

Техническое задание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

1 Рабочая полоса частот: 0,8-30 МГц

2 Допустимые частотные искажения

в области нижних частот не более 1,5 дБ

в области верхних частот не более 3 дБ

3 Коэффициент усиления 30 дБ

4 Амплитуда выходного сигнала Uвых=8В

5 Диапазон рабочих температур: от +25 до +50градусов Цельсия

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

Содержание

TOC o «1-3» h z 1 Введение. PAGEREF _Toc39298817 h 5

2 Структурнаясхема усилителя. PAGEREF _Toc39298818 h 6

2.1 Определениечисла каскадов. PAGEREF _Toc39298819 h 6

3 Распределение искаженийАЧХ… PAGEREF _Toc39298820 h 6

4 Расчет выходногокаскада. PAGEREF _Toc39298821 h 7

4.1 Расчет рабочейточки. PAGEREF _Toc39298822 h 7

4.1.1 Расчетрабочей точки для резистивного каскада. PAGEREF _Toc39298823 h 7

4.1.2 Расчетрабочей точки для дроссельного каскада. PAGEREF _Toc39298824 h 11

4.2 Выбортранзистора выходного каскада. PAGEREF _Toc39298825 h 13

4.3 Расчетэквивалентных схем транзистора. PAGEREF _Toc39298826 h 14

4.3.1 Расчет схемыДжиаколетто. PAGEREF _Toc39298827 h 14

4.3.2 Расчетвысокочастотной однонаправленной модели. PAGEREF _Toc39298828 h 17

4.4 Расчет цепейтермостабилизации. PAGEREF_Toc39298829 h 18

4.4.1 Эмиттернаятермостабилизация. PAGEREF_Toc39298830 h 18

4.4.2 Пассивнаяколлекторная термостабилизация. PAGEREF _Toc39298831 h 20

4.4.3 Активнаяколлекторная термостабилизация. PAGEREF _Toc39298832 h 21

4.5 Расчетнекорректированного каскада. PAGEREF _Toc39298833 h 24

4.5.1 Анализкаскада в области верхних частот. PAGEREF _Toc39298834 h 24

4.5.2 Расчетискажений, вносимых входной цепью… PAGEREF _Toc39298835 h 27

4.6 Расчетэлементов эмиттерной коррекции. PAGEREF _Toc39298836 h 29

5 Расчет входногокаскада. PAGEREF _Toc39298837 h 32

5.1 Расчет рабочейточки. PAGEREF _Toc39298838 h 32

5.2 Выбортранзистора входного каскада. PAGEREF _Toc39298839 h 33

5.3 Расчетэквивалентных схем транзистора. PAGEREF _Toc39298840 h 33

5.4 Расчет схемытермостабилизации. PAGEREF_Toc39298841 h 34

5.5 Расчет некорректированного каскада. PAGEREF _Toc39298842 h 35

5.6 Расчетэлементов эмиттерной коррекции. PAGEREF _Toc39298843 h 36

5.7 Расчетискажений, вносимых входной цепью… PAGEREF _Toc39298844 h 38

6 Расчётколлекторных дросселей и разделительных ёмкостей. PAGEREF _Toc39298845 h 40

7Амплитудно-частотная характеристика усилителя. PAGEREF _Toc39298846 h 43

8 Заключение. PAGEREF _Toc39298847 h 45

Списокиспользованных источников. PAGEREF _Toc39298848 h 46

Схемаэлектрическая принципиальная. PAGEREF _Toc39298849 h 47

Переченьэлементов. PAGEREF _Toc39298850 h 48

1Введение

В данном курсовом проекте рассчитываетсяширокополосный усилитель СВЧ. В настоящее время такие усилители могутприменяться в осциллографии, в исследованиях прохождения радиоволн в различныхсредах, в том числе прохождения различных длин волн в городских условиях. Такжев последнее время весьма актуальна задача поиска и обнаруженияподслушивающе–передающих устройств (“жучков”). Одним из основных требований в данномслучае является обеспечение необходимого усиления принимаемого сигнала вширокой полосе частот. Но так как коэффициент усиления транзистора на высокихчастотах составляет единицы раз, то при создании усилителя необходимо применятькорректирующие цепи, обеспечивающие максимально возможный коэффициент усилениякаждого каскада усилителя в заданной полосе частот.

2Структурная схема усилителя2.1 Определение числа каскадов

Так как на одном каскаде трудно реализовать усиление30дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используемсложение двух каскадов. Учитывая, что входная цепь ослабляет общий коэффициентусиления всего усилителя считаем, что каждый каскад в среднем даёт усиление в 9раз, или 19,085 дБ.

<img src="/cache/referats/14701/image002.jpg" v:shapes="_x0000_s1037">
Структурная схема усилителя,представленная на рисунке 2.1, содержит кроме усилительных каскадов источниксигнала и нагрузку.20дб/3дб=6.67дб

Рисунок2.1-Структурнаясхема усилителя

3Распределение искажений АЧХ

Исходя из технического задания, устройство должнообеспечивать искажения в области верхних не более 3дБ и в области нижних частотне более 1.5дБ. Так как используется два каскада, то получаем, что каждый можетвносить не более 1.5дБ искажений в общую АЧХ. Так как наибольшие искажения вАЧХ усилителя обычно вносит входная цепь, то распределим их с запасом, т.е. YB для каждогокаскада возьмем по 0.5дБ а на входную цепь оставим 2дБ.

Эти требования накладывают ограничения на номиналыэлементов, вносящих искажения.

4Расчет выходного каскада4.1Расчет рабочей точки

Рабочей точкой называются ток и напряжение наактивном элементе при отсутствии входного воздействия.

Рассмотрим две схемы реализации выходного каскада:резистивную и дроссельную. Выбор той или иной схемы осуществим на основеполученных данных расчета. Критерий выбора – оптимальные энергетическиехарактеристики схемы.

4.1.1Расчет рабочей точки для резистивного каскада

Принципиальная схема резистивного каскада иэквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.1, а и 4.1, бсоответственно.

Рисунок 4.1, а — Принципиальная схема резистивного каскада

Рисунок 4.1, б- Эквивалентная схема по переменному току

Сопротивлением по переменному току для резистивногокаскада будет являться параллельное соединение сопротивлений Rk и Rн (рисунок 4.1, б):

<img src="/cache/referats/14701/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (4.1)

Принимая сопротивление коллекторной цепи транзистораRk равным сопротивлениюнагрузки Rн (Rн = 50 Ом), согласно формуле(4.1), получаем:

По известному сопротивлению нагрузки по переменномутоку и выходному напряжению можно найти выходной ток:

<img src="/cache/referats/14701/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (4.2)

В результате ток равен:

Зная выходное напряжение и ток, определим координатырабочей точки согласно следующим формулам:

<img src="/cache/referats/14701/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (4.3)

где Iко – ток в рабочей точке;

Iвых– выходной ток;

Iост- остаточный ток, принимается равным 0.1*Iвых.

<img src="/cache/referats/14701/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (4.4)

где Uкэо – напряжение в рабочейточке;

Uвых– выходное напряжение;

Uнас- начальное напряжение нелинейного участка выходных

характеристиктранзистора, выбирается от 1В до 2В.

Полагая Uнас=1.5В, по формулам (4.3) и (4.4) находим:

Напряжение источника питания для схемы,представленной на рисунке 4.1, а, будет составлять сумму падений напряжений насопротивлении Rк итранзисторе:

<img src="/cache/referats/14701/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (4.5)

Перепишем выражение (4.5) в следующем виде:

<img src="/cache/referats/14701/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> (4.6)

Выражение (4.6) есть ни что иное как уравнениепрямой (в данном случае ток Iкo является функцией аргументаUкэо), котораяназывается нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой ибудет изменяться рабочая точка.

Для проведения прямой выберем две точки скоординатами (Еп,0) и (0,Iкmax):

В сигнальном режиме строится нагрузочная прямая попеременному току. Для построения данной прямой зададимся некоторым приращениемтока и соответствующим приращением напряжения, учитывая, что в данном случаесопротивление нагрузки будет определяться выражением (4.1):

<img src="/cache/referats/14701/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1036">. (4.7)

Для упрощения расчетов примем <img src="/cache/referats/14701/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1037">. Тогда после подстановки в выражение (4.7) числовыхзначений получаем:

Нагрузочные прямые по постоянному и переменномутокам представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 –Нагрузочные прямые для резистивного каскада

Мощности, рассеиваемая на транзисторе, потребляемаякаскадом и выходная, определяются согласно следующим выражениям:

<img src="/cache/referats/14701/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> (4.8)

<img src="/cache/referats/14701/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (4.9)

<img src="/cache/referats/14701/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (4.10)

По формулам (4.8), (4.9) и (4.10) вычисляемсоответствующие мощности:

Коэффициент полезного действия (КПД) рассчитываетсяпо формуле

<img src="/cache/referats/14701/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> (4.11)

Подставляя в(4.11) числовые значения, получаем:

4.1.2Расчет рабочей точки для дроссельного каскада

В отличие от предыдущего каскада дроссельный имеет вцепи коллектора вместо сопротивления Rк дроссель Lдр.

Принципиальная схема дроссельного каскада иэквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.3, а и 4.3, бсоответственно.

Рисунок 4.3, а- Принципиальная схема дроссельного каскада

Рисунок 4.3, б- Эквивалентная схема по переменному току

Поскольку для сигнала дроссель является холостымходом, то в данном случае сопротивление нагрузки по переменному току будетравно сопротивлению нагрузки:

Расчет рабочей точки производится по тем жевыражениям, что и для предыдущего каскада.

По формуле (4.2) рассчитаем выходной ток:

Тогда согласно выражениям (4.3) и (4.4) рабочаяточка будет иметь следующие координаты:

Так как дроссель по постоянному току являетсякороткозамкнутым проводником, то напряжение питания будет равным падениюнапряжения на транзисторе:

Таким образомполучаем все необходимые данные для построения нагрузочной прямой попостоянному току.

Для построения нагрузочной прямой по переменномутоку примем приращение коллекторного тока равным току в рабочей точке:

Тогда согласно выражению (4.7) соответствующееприращение напряжения будет равно:

Нагрузочные прямые по постоянному и переменномутокам представлены на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4-Нагрузочные прямые для дроссельного каскада

Мощности, рассеиваемая на транзисторе, потребляемаякаскадом и выходная, аналогично определяются по выражениям (4.8), (4.9) и(4.10):

Видно, что мощность рассеивания равна потребляемой.

По формуле (4.11) рассчитаем КПД дроссельногокаскада:

Проведем сравнительный анализ двух схем.Энергетические характеристики резистивного и дроссельного каскадов представленыв таблице 4.1.

Параметр

Еп, В

Ррас, Вт

Рпот, Вт

Iко, мА

Uкэо, В

h

, %

Резистивный каскад

26.6

3.168

9.363

352

13.7

Дроссельный каскад

1.584

176

40.4

Таблица 4.1 –Энергетические характеристики резистивного и дроссельного каскадов

Сравнивая энергетические характеристики двухкаскадов, можно сделать вывод, что лучше взять дроссельный каскад, так как онимеет наименьшее потребление, напряжение питания и ток, а также более высокийКПД.

4.2Выбор транзистора выходного каскада

Выбор транзистора осуществляется по следующимпредельным параметрам:

предельный допустимый ток коллектора

<img src="/cache/referats/14701/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> (4.12)

предельное допустимое напряжение коллектор-эмиттер

<img src="/cache/referats/14701/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> (4.13)

предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе

<img src="/cache/referats/14701/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> (4.14)

граничная частота усиления транзистора по току всхеме с ОЭ

<img src="/cache/referats/14701/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1057">. (4.15)

Требованиям (4.12), (4.13), (4.14) и (4.15)удовлетворяет транзистор КТ911А [3]. Основные технические характеристики этоготранзистора приведены ниже.

Электрические параметры:

-граничная частота коэффициента передачи тока всхеме с ОЭ <img src="/cache/referats/14701/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1058">

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ <img src="/cache/referats/14701/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1059">

-постоянная времени цепи ОС при UКБ=10В, IЭ=30мА t

ОС=25пс

-емкость коллекторного перехода при <img src="/cache/referats/14701/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> <img src="/cache/referats/14701/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1061">

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер <img src="/cache/referats/14701/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1062">

-постоянный ток коллектора <img src="/cache/referats/14701/image090.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора <img src="/cache/referats/14701/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1064">

-температура перехода <img src="/cache/referats/14701/image094.gif" v:shapes="_x0000_i1065">

4.3Расчет эквивалентных схем транзистора4.3.1Расчет схемы Джиаколетто

Соотношения для расчёта усилительных каскадовоснованы на использовании эквивалентной схемы транзистора, предложеннойДжиаколетто, справедливой для области относительно низких частот [4].

Эквивалентная схема Джиаколетто представлена на рисунке4.5.

Рисунок 4.5- Эквивалентная схема Джиаколетто

Зная паспортные данные транзистора, можно рассчитатьэлементы схемы, представленной на рисунке 4.5, согласно следующим формулам [4]:

Проводимость базы вычисляем по формуле

<img src="/cache/referats/14701/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1067"> (4.16)

где Ск — ёмкость коллекторного перехода;

<img src="/cache/referats/14701/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> — постоянная времени цепи обратной связи. (паспортныеданные, в

дальнейшем — *)

В справочной литературе значения <img src="/cache/referats/14701/image102.gif" v:shapes="_x0000_i1082"> и <img src="/cache/referats/14701/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1083"> часто приводятсяизмеренными при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер <img src="/cache/referats/14701/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1084"><img src="/cache/referats/14701/image108.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> значение <img src="/cache/referats/14701/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1085"> следует пересчитать поформуле

<img src="/cache/referats/14701/image110.gif" v:shapes="_x0000_i1070"> (4.17, а)

где <img src="/cache/referats/14701/image112.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> — напряжение <img src="/cache/referats/14701/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1086"><img src="/cache/referats/14701/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1087">

<img src="/cache/referats/14701/image115.gif" v:shapes="_x0000_i1072"> — напряжение <img src="/cache/referats/14701/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1088"><img src="/cache/referats/14701/image117.gif" v:shapes="_x0000_i1089">

Также следует пересчитать ёмкость коллекторногоперехода для напряжения коллектор-эмиттер, равному напряжению в рабочей точке:

<img src="/cache/referats/14701/image119.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> (4.17, б)

Сопротивление эмиттерного перехода рассчитывается поформуле

<img src="/cache/referats/14701/image121.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> (4.18)

где Iко- ток в рабочей точке в миллиамперах;

а=3 – для планарных кремниевых транзисторов,

а=4 – для остальных транзисторов.

Проводимость перехода база-эмиттер рассчитывается поформуле

<img src="/cache/referats/14701/image123.gif" v:shapes="_x0000_i1075"> (4.19)

где <img src="/cache/referats/14701/image125.gif" v:shapes="_x0000_i1076"> — сопротивление эмиттерного перехода;

<img src="/cache/referats/14701/image127.gif" v:shapes="_x0000_i1077"> — статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ(*).

Ёмкость эмиттера рассчитывается по формуле

<img src="/cache/referats/14701/image129.gif" v:shapes="_x0000_i1078"> (4.20)

где fт– граничная частота коэффициента усиления тока базы (*).

Крутизна внутреннего источника рассчитывается поформуле

<img src="/cache/referats/14701/image131.gif" v:shapes="_x0000_i1079"> (4.21)

где <img src="/cache/referats/14701/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1080">

<img src="/cache/referats/14701/image135.gif" v:shapes="_x0000_i1081"> (4.22)

Проводимости gБК и giоказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, врасчётах они обычно не учитываются.

Подставляя численные значения, по формулам (4.16) ¸

(4.22) проводим расчёт элементов схемы.

По формуле (4.16) производим расчет проводимостибазы:

По формуле (4.18) производим расчет сопротивленияэмиттерного перехода:

Проводимость база-эмиттер вычисляем согласно формуле(4.19):

По формуле (4.20) рассчитываем ёмкость эмиттера:

Крутизну внутреннего источника вычисляем по формулам(4.21) и (4.22):

4.3.2Расчет высокочастотной однонаправленной модели

Однонаправленная модель справедлива в области частотболее <img src="/cache/referats/14701/image151.gif" v:shapes="_x0000_i1101"><img src="/cache/referats/14701/image153.gif" v:shapes="_x0000_i1102"><img src="/cache/referats/14701/image155.gif" v:shapes="_x0000_i1103"> (<img src="/cache/referats/14701/image157.gif" v:shapes="_x0000_i1104"> — граничная частотакоэффициента передачи тока, <img src="/cache/referats/14701/image159.gif" v:shapes="_x0000_i1105"> — статическийкоэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером) [4].

Однонаправленная модель транзистора представлена нарисунке 4.6.

Рисунок 4.6 –Однонаправленная модель транзистора

Элементы схемы замещения, приведенной на рисунке4.6, могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4].

Входное сопротивление:

<img src="/cache/referats/14701/image162.gif" v:shapes="_x0000_i1097"> (4.24)

где <img src="/cache/referats/14701/image164.gif" v:shapes="_x0000_i1098">

Выходное сопротивление:

<img src="/cache/referats/14701/image168.gif" v:shapes="_x0000_i1100"> (4.25)

где UКЭМАХ– предельное значение напряжения коллектор-эмиттер (*);

IКМАХ – предельноезначение постоянного тока коллектора (*).

Подставляя в выражение (4.25) числовые значения,получаем:

Выходная ёмкость:

<img src="/cache/referats/14701/image172.gif" v:shapes="_x0000_i1107"> (4.26)

где СК – ёмкость коллектора, рассчитаннаяв соответствии с формулой

(4.17, б)

4.4Расчет цепей термостабилизации

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

4.4.1Эмиттерная термостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схемакоторой приведена на рисунке 4.7. Метод расчёта и анализа эмиттернойтермостабилизации подробно описан в [5,6].

Рисунок 4.7 –Схема эмиттерной термостабилизации

Расчет номиналов элементов осуществляется по известнойметодике, исходя из заданной рабочей точки.

Рабочая точка достаточно жестко стабилизирована,если

<img src="/cache/referats/14701/image178.gif" v:shapes="_x0000_i1110"> (4.27)

Номинал резистора RЭ находится по закону Ома:

<img src="/cache/referats/14701/image180.gif" v:shapes="_x0000_i1111"> (4.28)

Емкость СЭ позволяет всему сигналу отгенератора выделяться на транзисторе. Номинал рассчитывается по формуле:

<img src="/cache/referats/14701/image182.gif" v:shapes="_x0000_i1112"> (4.29)

Напряжение источника питания будет составлять суммупадений напряжений на транзисторе и резисторе в цепи эмиттера:

<img src="/cache/referats/14701/image184.gif" v:shapes="_x0000_i1113"> (4.30)

Базовый ток в <img src="/cache/referats/14701/image186.gif" v:shapes="_x0000_i1114"> раз меньше токаколлектора:

<img src="/cache/referats/14701/image188.gif" v:shapes="_x0000_i1115"> (4.31)