Широкополосный усилитель

Поз.Обозна-чение

Наименование

Кол.

Примечание

Катушкииндуктивности

L1

Индуктивность183.5мГн 5

1

L2

Индуктивность199мГн 5

1

Конденсаторы

С1

КД-2-1.56нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С2

КД-2-261пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С3

КД-2-26.1нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С4

КД-2-3.92нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С5

КД-2-523пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С6

КД-2-226нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С7

КД-2-3.79нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С8

КД-2-23.7пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

Резисторы ГОСТ7113-77

R1

МЛТ– 0.125 – 1.18кОм 10

1

R2

МЛТ– 0.125 –759Ом 10

1

R3

МЛТ– 0.125 –22.6Ом 10

1

R4

МЛТ– 0.125 – 130Ом 10

1

R4=RтсVT1-R3

R5

МЛТ– 0.125 – 11Ом 10

1

R6

МЛТ– 0.125 –189Ом 10

1

R7

МЛТ– 0.125 – 83.5Ом 10

1

R8

МЛТ– 0.125 – 4.99Ом 10

1

R9

МЛТ– 0.125 –12Ом 10

1

R9=RтсVT2-R8

Транзисторы

VT1,VT2

КТ911АаА о.339150ТУ

2

РТФКП 468714.001 ПЭЗ

Усилительширокополосный

Лит.

Масса

Масштаб

Изм.

Лиcт.

№ докум.

Подп.

Дата

Разработал

Сизиков

Проверил

ТитовА.А.

Т.контроль

Лист48

Листов48

Переченьэлементов

ТУСУР,РТФ, гр.180

Н.контроль

Утв.

МинистерствообразованияРоссийскойФедерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ(ТУСУР)

Кафедрарадиоэлектроникии защиты информации(РЗИ)

Широкополосныйусилитель

Пояснительнаязаписка к курсовомупроекту подисциплине“Схемотехникааналоговыхустройств”

РТФ КП468714.001 ПЗ

Студентгр. 180

___________Т. А.Сизиков

___________________дата

Руководитель

Доценткафедры РЗИ

_____________А.А.Титов

___________________дата

2003

Реферат

Курсовойпроект 48 стр.,1 табл., 20 рис., 8 ист.

ШИРОКОПОЛОСНЫЙУСИЛИТЕЛЬ,РАБОЧАЯ ТОЧКА,ДРОССЕЛЬНЫЙКАСКАД, ВХОДНАЯЦЕПЬ, НАГРУЗОЧНЫЕПРЯМЫЕ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ,ЭМИТТЕРНАЯКОРРЕКЦИЯ,ОДНОНАПРАВЛЕННАЯМОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА,ЭКВИВАЛЕНТНАЯСХЕМА ДЖИАКОЛЕТТО.

Объектомразработкиявляетсяширокополосныйусилитель.

Цельданной работы– приобретениепрактическихнавыков в расчетеусилителейна примереконкретнойзадачи.

Впроцессе работыпроизводилсяанализ различныхсхем реализацииусилительногоустройства,расчет егопараметрови элементов.В результатебыла разработанасхема усилителя,отвечающаятребованиямтехническогозадания.

Пояснительнаязаписка выполненав текстовомредакторе Microsoft World2000, а рисунки вграфическомредакторе PaintBrush.

Техническоезадание

Усилительдолжен отвечатьследующимтребованиям:

1Рабочая полосачастот: 0,8-30 МГц

2Допустимыечастотныеискажения

вобласти нижнихчастот не более1,5 дБ

вобласти верхнихчастот не более3 дБ

3Коэффициентусиления 30 дБ

4Амплитудавыходногосигнала U_вых=8В

5Диапазон рабочихтемператур:от +25 до +50 градусовЦельсия

6Сопротивлениеисточникасигнала и нагрузкиRг=Rн=50Ом

Содержание

1Введение5

2Структурнаясхема усилителя6

2.1Определениечисла каскадов6

3Распределениеискажений АЧХ6

4Расчет выходногокаскада7

4.1Расчет рабочейточки7

4.1.1Расчет рабочейточки длярезистивногокаскада7

4.1.2Расчет рабочейточки длядроссельногокаскада11

4.2Выбор транзисторавыходногокаскада 13

4.3Расчет эквивалентныхсхем транзистора14

4.3.1Расчет схемыДжиаколетто14

4.3.2Расчет высокочастотнойоднонаправленноймодели17

4.4Расчет цепейтермостабилизации18

4.4.1Эмиттернаятермостабилизация18

4.4.2Пассивнаяколлекторнаятермостабилизация20

4.4.3Активнаяколлекторнаятермостабилизация21

4.5Расчет некорректированногокаскада24

4.5.1Анализ каскадав области верхнихчастот24

4.5.2Расчет искажений,вносимых входной цепью 27

4.6Расчет элементовэмиттерной коррекции29

5Расчет входногокаскада32

5.1Расчет рабочейточки32

5.2Выбор транзисторавходного каскада33

5.3Расчет эквивалентныхсхем транзистора33

5.4Расчет схемытермостабилизации34

5.5Расчет некорректированногокаскада35

5.6Расчет элементовэмиттерной коррекции36

5.7Расчет искажений,вносимых входной цепью 38

6Расчёт коллекторныхдросселей иразделительныхёмкостей40

7Амплитудно-частотнаяхарактеристикаусилителя43

8Заключение45

Списокиспользованныхисточников46

Схемаэлектрическаяпринципиальная47

Переченьэлементов48

1 Введение

Вданном курсовомпроекте рассчитываетсяширокополосныйусилитель СВЧ.В настоящеевремя такиеусилители могутприменятьсяв осциллографии,в исследованияхпрохождениярадиоволн вразличныхсредах, в томчисле прохожденияразличных длинволн в городскихусловиях. Такжев последнеевремя весьмаактуальназадача поискаи обнаруженияподслушивающе–передающихустройств(“жучков”). Однимиз основныхтребованийв данном случаеявляется обеспечениенеобходимогоусиления принимаемогосигнала в широкойполосе частот.Но так каккоэффициентусиления транзисторана высокихчастотах составляетединицы раз,то при созданииусилителянеобходимоприменятькорректирующиецепи, обеспечивающиемаксимальновозможныйкоэффициентусиления каждогокаскада усилителяв заданнойполосе частот.

2 Структурнаясхема усилителя

2.1 Определениечисла каскадов

Таккак на одномкаскаде труднореализоватьусиление 30дБ,то для того,чтобы обеспечитьтакой коэффициентусиления, используемсложение двухкаскадов. Учитывая,что входнаяцепь ослабляетобщий коэффициентусиления всегоусилителясчитаем, чтокаждый каскадв среднем даётусиление в 9раз, или 19,085 дБ.

С

труктурнаясхема усилителя,представленнаяна рисунке 2.1,содержит кромеусилительныхкаскадов источниксигнала и нагрузку.

Рисунок2.1-Структурнаясхема усилителя

3 Распределениеискажений АЧХ

Исходяиз техническогозадания, устройстводолжно обеспечиватьискажения вобласти верхнихне более 3дБ ив области нижнихчастот не более1.5дБ. Так какиспользуетсядва каскада,то получаем,что каждыйможет вноситьне более 1.5дБискажений вобщую АЧХ. Таккак наибольшиеискажения вАЧХ усилителяобычно вноситвходная цепь,то распределимих с запасом,т.е. Y_Bдля каждогокаскада возьмемпо 0.5дБ а на входнуюцепь оставим2дБ.

Этитребованиянакладываютограниченияна номиналыэлементов,вносящих искажения.

4 Расчет выходногокаскада

4.1 Расчет рабочейточки

Рабочейточкой называютсяток и напряжениена активномэлементе приотсутствиивходного воздействия.

Рассмотримдве схемы реализациивыходногокаскада: резистивнуюи дроссельную.Выбор той илииной схемыосуществимна основе полученныхданных расчета.Критерий выбора– оптимальныеэнергетическиехарактеристикисхемы.

4.1.1 Расчет рабочейточки длярезистивногокаскада

Принципиальнаясхема резистивногокаскада иэквивалентнаясхема по переменномутоку представленына рисунках4.1,а и 4.1,б соответственно.

Рисунок4.1,а - Принципиальнаясхема резистивногокаскада

Рисунок4.1,б- Эквивалентнаясхема по переменномутоку

Сопротивлениемпо переменномутоку для резистивногокаскада будетявляться параллельноесоединениесопротивленийRk и Rн (рисунок 4.1,б):

(4.1)

Принимаясопротивлениеколлекторнойцепи транзистораRk равнымсопротивлениюнагрузки Rн(Rн = 50 Ом), согласноформуле (4.1), получаем:

Поизвестномусопротивлениюнагрузки попеременномутоку и выходномунапряжениюможно найтивыходной ток:

(4.2)

Врезультатеток равен:

Знаявыходное напряжениеи ток, определимкоординатырабочей точкисогласно следующимформулам:

,(4.3)

гдеIко – токв рабочей точке;

Iвых– выходной ток;

Iост- остаточныйток, принимаетсяравным 0.1*Iвых.

,(4.4)

гдеUкэо – напряжениев рабочей точке;

Uвых– выходноенапряжение;

Uнас- начальноенапряжениенелинейногоучастка выходных

характеристиктранзистора,выбираетсяот 1В до 2В.

ПолагаяUнас=1.5В, поформулам (4.3) и(4.4) находим:

Напряжениеисточникапитания длясхемы, представленнойна рисунке4.1,а, будет составлятьсумму паденийнапряженийна сопротивленииRк и транзисторе:

.(4.5)

Перепишемвыражение (4.5)в следующемвиде:

.(4.6)

Выражение(4.6) есть ни чтоиное как уравнениепрямой (в данномслучае ток Iкoявляется функциейаргументаUкэо), котораяназываетсянагрузочнойпрямой по постоянномутоку. В пределахэтой прямойи будет изменятьсярабочая точка.

Дляпроведенияпрямой выберемдве точки скоординатами(Еп,0) и (0,Iк_max):

Всигнальномрежиме строитсянагрузочнаяпрямая по переменномутоку. Для построенияданной прямойзададимсянекоторымприращениемтока и соответствующимприращениемнапряжения,учитывая, чтов данном случаесопротивлениенагрузки будетопределятьсявыражением(4.1):

.(4.7)

Дляупрощениярасчетов примем

.Тогда послеподстановкив выражение(4.7) числовыхзначений получаем:

Нагрузочныепрямые по постоянномуи переменномутокам представленына рисунке 4.2.

Рисунок4.2 – Нагрузочныепрямые длярезистивногокаскада

Мощности,рассеиваемаяна транзисторе,потребляемаякаскадом ивыходная,определяютсясогласно следующимвыражениям:

,(4.8)

,(4.9)

.(4.10)

Поформулам (4.8), (4.9)и (4.10) вычисляемсоответствующиемощности:

Коэффициентполезногодействия (КПД)рассчитываетсяпо формуле

(4.11)

Подставляя в (4.11) числовыезначения, получаем:

4.1.2 Расчет рабочейточки длядроссельногокаскада

Вотличие отпредыдущегокаскада дроссельныйимеет в цепиколлекторавместо сопротивленияRк дроссельLдр.

Принципиальнаясхема дроссельногокаскада иэквивалентнаясхема по переменномутоку представленына рисунках4.3,а и 4.3,б соответственно.

Рисунок4.3,а- Принципиальнаясхема дроссельногокаскада

Рисунок4.3,б- Эквивалентнаясхема по переменномутоку

Посколькудля сигналадроссель являетсяхолостым ходом,то в данномслучае сопротивлениенагрузки попеременномутоку будетравно сопротивлениюнагрузки:

Расчетрабочей точкипроизводитсяпо тем же выражениям,что и для предыдущегокаскада.

Поформуле (4.2) рассчитаемвыходной ток:

Тогдасогласно выражениям(4.3) и (4.4) рабочаяточка будетиметь следующиекоординаты:

Таккак дроссельпо постоянномутоку являетсякороткозамкнутымпроводником,то напряжениепитания будетравным падениюнапряженияна транзисторе:

Такимобразом получаемвсе необходимыеданные дляпостроениянагрузочнойпрямой по постоянномутоку.

Дляпостроениянагрузочнойпрямой по переменномутоку примемприращениеколлекторноготока равнымтоку в рабочейточке:

Тогдасогласно выражению(4.7) соответствующееприращениенапряжениябудет равно:

Нагрузочныепрямые по постоянномуи переменномутокам представленына рисунке 4.4.

Рисунок4.4- Нагрузочныепрямые длядроссельногокаскада

Мощности,рассеиваемаяна транзисторе,потребляемаякаскадом ивыходная, аналогичноопределяютсяпо выражениям(4.8), (4.9) и (4.10):

Видно,что мощностьрассеиванияравна потребляемой.

Поформуле (4.11) рассчитаемКПД дроссельногокаскада:

Проведемсравнительныйанализ двухсхем. Энергетическиехарактеристикирезистивногои дроссельногокаскадов представленыв таблице 4.1.

Параметр	Еп,В	Ррас,Вт	Рпот,Вт	Iко,мА	Uкэо,В	, 
Резистивныйкаскад	26.6	3.168	9.363	352	9	13.7
Дроссельныйкаскад	9	1.584	1.584	176	9	40.4

Таблица4.1 – Энергетическиехарактеристикирезистивногои дроссельногокаскадов

Сравниваяэнергетическиехарактеристикидвух каскадов,можно сделатьвывод, что лучшевзять дроссельныйкаскад, так какон имеет наименьшеепотребление,напряжениепитания и ток,а также болеевысокий КПД.

4.2 Выбор транзисторавыходногокаскада

Выбортранзистораосуществляетсяпо следующимпредельнымпараметрам:

предельныйдопустимыйток коллектора

;(4.12)

предельноедопустимоенапряжениеколлектор-эмиттер

(4.13)

предельнаямощность,рассеиваемаяна коллекторе

;(4.14)

граничнаячастота усилениятранзисторапо току в схемес ОЭ

.(4.15)

Требованиям(4.12), (4.13), (4.14) и (4.15) удовлетворяеттранзисторКТ911А [3]. Основныетехническиехарактеристикиэтого транзистора приведеныниже.

Электрическиепараметры:

-граничнаячастота коэффициентапередачи токав схеме с ОЭ

МГц;

-статическийкоэффициентпередачи токав схеме с ОЭ

;

-постояннаявремени цепиОС при U_КБ=10В,I_Э=30мА_ОС=25пс

-емкостьколлекторногоперехода при

В пФ.

Предельныеэксплуатационныеданные:

-постоянноенапряжениеколлектор-эмиттер

В;

-постоянныйток коллектора

мА;

-постояннаярассеиваемаямощность коллектора

Вт;

-температураперехода

.

4.3 Расчет эквивалентныхсхем транзистора

4.3.1 Расчет схемыДжиаколетто

Соотношениядля расчётаусилительныхкаскадов основанына использованииэквивалентнойсхемы транзистора,предложеннойДжиаколетто,справедливойдля областиотносительнонизких частот[4].

Эквивалентнаясхема Джиаколеттопредставленана рисунке 4.5.

Рисунок4.5- Эквивалентнаясхема Джиаколетто

Знаяпаспортныеданные транзистора,можно рассчитатьэлементы схемы,представленнойна рисунке 4.5, согласно следующимформулам [4]:

Проводимостьбазы вычисляемпо формуле

(4.16)

гдеСк - ёмкостьколлекторногоперехода;

-постояннаявремени цепиобратной связи.(паспортныеданные, в

дальнейшем- *)

Всправочнойлитературезначения

и часто приводятсяизмереннымипри различныхзначенияхнапряженияколлектор-эмиттер .Поэтому прирасчетах значение следует пересчитатьпо формуле

(4.17,а)

где

- напряжение ,при которомпроизводилосьизмерение ;

- напряжение ,при которомпроизводилосьизмерение .

Такжеследует пересчитатьёмкость коллекторногоперехода длянапряженияколлектор-эмиттер,равному напряжениюв рабочей точке:

(4.17,б)

Сопротивлениеэмиттерногопереходарассчитываетсяпо формуле

(4.18)

гдеIко - ток врабочей точкев миллиамперах;

а=3– для планарныхкремниевыхтранзисторов,

а=4– для остальныхтранзисторов.

Проводимостьперехода база-эмиттеррассчитываетсяпо формуле

(4.19)

где

-сопротивлениеэмиттерногоперехода;

-статическийкоэффициентпередачи токав схеме с ОЭ(*).

Ёмкостьэмиттерарассчитываетсяпо формуле

(4.20)

гдеf_т – граничнаячастота коэффициентаусиления токабазы (*).

Крутизнавнутреннегоисточникарассчитываетсяпо формуле

(4.21)

где

-статическийкоэффициентпередачи токав схеме с ОБ.

(4.22)

Проводимостиg_БК и g_iоказываютсямного меньшепроводимостинагрузки усилительныхкаскадов, врасчётах ониобычно неучитываются.

Подставляячисленныезначения, поформулам (4.16) (4.22) проводимрасчёт элементовсхемы.

П

оформулам (4.17а)и (4.17б) пересчитаемёмкость коллекторадля напряжения,при которомизмерена постояннаявремени цепиобратной связи,а также длянапряжения,равного напряжениюв рабочей точке:

Поформуле (4.16) производимрасчет проводимостибазы:

Поформуле (4.18) производимрасчет сопротивленияэмиттерногоперехода:

Проводимостьбаза-эмиттервычисляемсогласно формуле(4.19):

Поформуле (4.20) рассчитываемёмкость эмиттера:

Крутизнувнутреннегоисточникавычисляем поформулам (4.21) и(4.22):

4.3.2 Расчет высокочастотнойоднонаправленноймодели

Однонаправленнаямодель справедливав области частотболее

,где = ( - граничнаячастота коэффициентапередачи тока, - статическийкоэффициентпередачи токав схеме с общимэмиттером) [4].

Однонаправленнаямодель транзисторапредставленана рисунке 4.6.

Рисунок4.6 – Однонаправленнаямодель транзистора

Элементысхемы замещения,приведеннойна рисунке 4.6,могут бытьрассчитаныпо следующимэмпирическимформулам [4].

Входноесопротивление:

(4.24)

где

-сопротивлениебазы в схемеДжиаколетто(см. рисунок.4.5).

Выходноесопротивление:

(4.25)

гдеU_КЭМАХ –предельноезначение напряженияколлектор-эмиттер(*);

I_КМАХ– предельноезначение постоянноготока коллектора(*).

Подставляяв выражение(4.25) числовыезначения, получаем:

Выходнаяёмкость:

(4.26)

гдеС_К – ёмкостьколлектора,рассчитаннаяв соответствиис формулой

(4.17,б)

4.4 Расчет цепейтермостабилизации

Существуетнесколько видовсхем термостабилизации[5,6]. Использованиеэтих схем зависитот мощностикаскада и требованийк термостабильности.В данной работерассмотреныследующие трисхемы термостабилизации:эмиттерная,пассивнаяколлекторная,активнаяколлекторная.Необходимосравнитьэффективностьиспользованияданных схем.

4.4.1 Эмиттернаятермостабилизация

Рассмотримэмиттернуютермостабилизацию,схема которойприведена нарисунке 4.7. Методрасчёта и анализаэмиттернойтермостабилизацииподробно описанв [5,6].

Рисунок4.7 – Схема эмиттернойтермостабилизации

Расчетноминаловэлементовосуществляетсяпо известнойметодике, исходяиз заданнойрабочей точки.

Рабочаяточка достаточножестко стабилизирована,если

(4.27)

Номиналрезистора R_Энаходится позакону Ома:

(4.28)

ЕмкостьС_Э позволяетвсему сигналуот генераторавыделятьсяна транзисторе.Номинал рассчитываетсяпо формуле:

.(4.29)

Напряжениеисточникапитания будетсоставлятьсумму паденийнапряженийна транзистореи резисторев цепи эмиттера:

(4.30)

Базовыйток в

раз меньше токаколлектора:

(4.31)

Выбортока делителяосуществляетсяследующимобразом:

(4.32)

Расчетноминаловрезисторовбазового делителяпроизводимпо формулам:

(4.33)

(4.34)

Принимая

и ,согласно выражениям(4.27) – (4.34) производимчисленныйрасчет:

Такжепроведем расчетмощности,рассеиваемойна резистореR_Э.

4.4.2 Пассивнаяколлекторнаятермостабилизация

Этотвид термостабилизации[5,6] применяетсяв маломощныхкаскадах именее эффективен,чем две другие,потому чтонапряжениеотрицательнойобратной связи,регулирующееток через транзисторподаётся набазу.

Схемакаскада сиспользованиемпассивнойколлекторнойтермостабилизациипредставленана рисунке 4.8:

Рисунок4.8 – Схема пассивнойколлекторнойтермостабилизации

Расчетначинают стого, что выбираетсянапряжениена резистореRk:

(4.35)

Номиналрезистора R_Кнаходится позакону Ома:

(4.36)

Напряжениеисточникапитания будетсоставлятьсумму паденийнапряженийна транзистореи резистореRk:

(4.37)

Базовыйток в

раз меньше токаколлектора:

(4.38)

Расчетноминала резистораRб производитсяпо формуле:

(4.39)

Принимая

,согласно выражениям(4.35) – (4.39) производимчисленныйрасчет:

Рассеиваемаяна резистореRk мощностьпри такойтермостабилизациинаходится поформуле:

(4.40)

4.4.3 Активнаяколлекторнаятермостабилизация

Вактивной коллекторнойтермостабилизациииспользуетсядополнительныйтранзистор,который управляетработой основноготранзистора.Эта схема применяетсяв мощных каскадах,где требуетсявысокий КПД[5,6].

Схемакаскада сиспользованиемактивной коллекторнойтермостабилизациипредставленана рисунке 4.9.

Рисунок4.9 – Схема активнойколлекторнойтермостабилизации

Вкачестве управляемогоактивногосопротивлениявыбран маломощныйтранзисторКТ361А (на рисунке4.9 – VT1). Основныетехническиепараметрыданного транзистораприведены ниже[4].

Электрическиепараметры:

-статическийкоэффициентпередачи токав схеме с ОЭ

;

-емкостьколлекторногоперехода при

В пФ.

Предельныеэксплуатационныеданные:

-постоянноенапряжениеколлектор-эмиттер

В;

-постоянныйток коллектора

мА;

-постояннаярассеиваемаямощность коллекторапри Тк=298К

Вт.

Приусловии, чтона резистореR4 за счетпротеканиятока покоятранзистораVT₂ выделяетсянапряжениеU_R4более одноговольта, нестабильностьэтого тока вдиапазонеизменениятемпературыот минус 60 доплюс 60 градусовне превышает2%.

Вданном случаепримем напряжениеU_R4равным 1.5 В.

Энергетическийрасчет схемыпроизводитсяпо следующимформулам:

Напряжениеисточникапитания будетсоставлятьсумму паденийнапряженийна транзистореVT2 и резистореR₄ (рисунок4.9):

(4.41)

Рабочаяточка транзистораVT1 находитсясогласно следующимвыражениям:

(4.42)

(4.43)

Базовыйток транзистораVT1 и ток делителяR₁, R₃рассчитываютсясоответственнопо формулам:

(4.44)

(4.45)

Мощности,рассеиваемыена транзистореVT1 и на резистореR_4, находятсяследующимобразом:

(4.46)

(4.47)

Расчетноминаловсхемы, представленнойна рисунке 4.9,производитсясогласно следующимвыражениям:

(4.48)

(4.49)

(4.50)

(4.51)

Подставляяв выражения(4.41) - (4.51) числовыезначения, получаем:

Даннаясхема требуетзначительноеколичестводополнительныхэлементов, втом числе иактивных. ЕслиС_БЛ утратитсвои свойства,то каскадсамовозбудитсяи будет не усиливать,а генерировать.Основываясьна проведённомвыше анализесхем термостабилизациивыберем эмитерную.

4.5 Расчет некорректированногокаскада

4.5.1 Анализ каскадав области верхнихчастот

Принципиальнаясхема некорректированногоусилительногокаскада приведенана рисунке4.10, а эквивалентнаясхема по переменномутоку - на рисунке4.10,б.

Рисунок4.10,а – Принципиальнаясхема некорректированногокаскада

Рисунок4.10,б – Эквивалентнаясхема по переменномутоку

Всоответствиис [8] коэффициентусиления каскадав области верхнихчастот можноописать выражением:

(4.52)

гдеК₀ – коэффициентусиления вобласти среднихчастот (где ещене

возникаютискажения);

-постояннаявремени в областиверхних частот.

Рассчитаемкоэффициентусиления вобласти среднихчастот по формуле:

(4.53)

(4.54)

КрутизнаS₀ находитсяпо формуле:

(4.55)

Приподстановкечисловых значенийв формулы (4.53),(4.54) и (4.55) получаем:

Переведемполученныйкоэффициентусиления изразов в децибелы:

Коэффициентусилениянекорректированногокаскада получилсябольше заданного.Но подключениевходной цепи(генератора)даст значительныеискажения, чтоприведет куменьшениюкоэффициентаусиления. Такимобразом, необходимакоррекция.

Оценимискажения начастоте, соответствующейверхней границеполосы пропускания:

(4.56)

гдепостояннаявремени в областиверхних частот

рассчитываетсяпо формуле

(4.57)

где

(4.58)

Приподстановкечисловых значенийв формулы (4.56) -(4.58) получаем:

Переведемполученныеискажения вобласти верхнихчастот из разовв децибелы:

Получается,что искаженияв области верхнихчастот превышаютзаданный уровеньискажений дляодного каскада.

4.5.2 Расчет искажений,вносимых входной цепью

Схемавходной цепикаскада попеременномутоку приведенана рисунке4.12, где R_Г- внутреннеесопротивлениеисточникасигнала.

Рисунок4.12 - Схема входнойцепи некорректированногокаскада

Приусловии аппроксимациивходногосопротивлениякаскада параллельнойRC-цепью,коэффициентпередачи входнойцепи в областиверхних частотописываетсявыражением[5]:

(4.59)

где

,(4.60)

(4.61)

,(4.62)

.(4.63)

Подставляяв формулы (4.59) –(4.63) численныезначения, получаем:

Оценимискажения,обусловленныеналичием входнойцепи, на частоте,соответствующейверхней границеполосы пропускания:

(4.64)

Переведемполученныеискажения изразов в децибелы:

Рассчитаем,на какой верхнейграничнойчастоте будутвозникатьдопустимыеискажения(0.5дБ) по формуле

(4.65)

Получается,что искажения,обусловленныеналичием входнойцепи, значительнопревышаютзаданный уровень.Кроме того,некорректированныйкаскад необеспечиваетзаданной полосыпропускания.

4.6 Расчет элементовэмиттерной коррекции

Принципиальнаясхема каскадас эмиттернойкоррекциейприведена нарисунке 4.13а,эквивалентнаясхема по переменномутоку - на рисунке4.13б, где R1, C1– элементыкоррекции. Приотсутствииреактивностинагрузки эмиттернаякоррекциявводится длякоррекцииискажений АЧХвносимыхтранзистором,увеличиваяамплитудусигнала напереходе база-эмиттерс ростом частотыусиливаемогосигнала.

Рисунок4.13а - Принципиальнаясхема каскадас эмиттернойкоррекцией

Рисунок4.13а - эквивалентнаясхема по переменномутоку

Всоответствиис [8], коэффициентпередачи каскадав области верхнихчастот, привыборе элементовкоррекции

и соответствующимиоптимальнойпо Брауде формеАЧХ, описываетсявыражением:

,(4.66)

где

;

- нормированнаячастота;

;

;

;(4.67)

;(4.68)

- глубина ООС;(4.69)

;(4.70)

;(4.71)

.(4.72)

Призаданном значении

,значение определяетсявыражением:

.(4.73)

Подставляяизвестные

и в (4.1) найдем:

,(4.74)

где

.

Входноесопротивлениекаскада с эмиттернойкоррекциейможет бытьаппроксимированопараллельнойRC-цепью [1]:

;(4.75)

.(4.76)

Используяданные, полученныепри расчетсхемы Джиаколетто,и формулы(4.67-4.76), рассчитаемполосу пропускания(верхнюю граничнуючастоту) усилителя,C_ВХ и R_ВХ.

Рассчитаем

, , , , каскада с эмиттернойкоррекцией,схема которогоприведена нарисунке 4.13, длянашего транзистораКТ911А (данныетранзистораприведены ввыше) и условий:

=0.5дБ; =9; R_H=50 Ом.

Поизвестным

, и из (4.67), (4.68) получим:

.

Подставляя

в (4.69) и (4.73) найдем

Ом;

.

Рассчитывая

по (4.72)

иподставляяв (4.70), (4.71) получим:

с;

Ф.

Поизвестным

, , , и из (4.74) определим:

=539.410⁶Гц=539.4МГц.

Поформулам (4.75),(4.76) найдем

=52.510^-12Ф=52.5 пФ;

Ом^-1.

5 Расчет входногокаскада

5.1 Расчет рабочейточки

Навысоких частотахдроссель в цепиколлектораначинает пропускатькакую-то частьвысокочастотногосигнала, посколькувозрастаетроль паразитныхпараметров(межвитковыхёмкостей). Врезультатена внутреннемсопротивленииисточникапитания могутвозникнутьвысокочастотныепульсации. Еслиэти пульсациипопадут на входусилителя, тоустройствоможет самовозбудиться.Для устраненияпаразитнойобратной связичерез источникпитания вводятRC – фильтр[8].

Принципиальнаясхема входногокаскада представленана рисунке 6.1.

Рисунок5.1 – Принципиальнаясхема входногокаскада

Выберемпадение напряженияна резистореR_Ф равное2.5В. Тогда напряжениев рабочей точкетранзистораVT1 уменьшитсяна данную величинуи будет равно

Токв рабочей точкетранзисторавходного каскадарассчитаемпо формуле(5.1):

5.2 Выбор транзисторавходного каскада

Длярасчета предоконечногокаскада возьмемтот же транзисторКТ911А, что былвыбран в пункте4.2, так как онполностьюудовлетворяетвсем требованиям.Его основныепараметрыприведены тамже.

5.3 Расчет эквивалентныхсхем транзистора

Посколькуток в рабочейточке транзистораоконечногокаскада имеетдругое значениепо сравнениюс током в рабочейточке выходногокаскада, тозначения элементовсхемы Джиаколеттотоже изменятся.По формулам(4.18) – (4.22) рассчитаемданные значения:

Расчетэквивалентныхсхем транзисторавходного каскадапроизводитсяпо тем же формулам,которые представленыв пунктах 4.3.1 и4.3.2. Схема Джиаколеттои эквивалентнаясхема замещенияоднонаправленнойвысокочастотноймодели представленына рисунках4.5 и 4.6 соответственно.

-сопротивлениебазового перехода:

,

-емкость коллекторногоперехода врабочей точке:

-проводимостьбаза-эмиттер:

,

-ёмкость эмиттерногоперехода:

,

-выходноесопротивлениетранзистора:

.

Тогда

,

-входное сопротивление:

,

-выходная ёмкость:

,

-крутизна:

.

5.4 Расчет схемытермостабилизации

Какбыло сказанов пункте 4.4.3, дляданного усилителяпредпочтительнейвыбрать во всехкаскадах эмиттернуютермостабилизацию.Её схема представленана рисунке 4.7.Расчёт производитсяаналогичнорасчёту выходногокаскада. Отличиемявляется лишьто, что коллекторныйток

будет иметьдругое значение.

Принимая

и ,согласно выражениям(4.27) – (4.34) производимчисленныйрасчет:

напряжениепитания:

базовыйток транзистора:

,

токделителя:

,

резисторыбазовых делителейи резисторав цепи эмиттера:

,

,

,

Емкостьконденсаторав цепи эмиттера:

Такжепроведем расчетмощности,рассеиваемойна резистореR_Э.

5.5 Расчет некорректированногокаскада

Всоответствиис [8] коэффициентусиления каскадав области верхнихчастот описываетсявыражением:

,

где

;(5.1)

;(5.2)

;(5.3)

;(5.4)

f_B=

(5.5)

– входноесопротивлениеи входная емкостьнагружающегокаскада.

Значения

,входное сопротивлениеи входная емкостькаскада рассчитываютсяпо формулам(2.5), (2.6), (2.7).

Поизвестным

и из (2.8) получим:

;

.

Поформуле (2.9) определим:

Подставляяизвестные

, в соотношение(55) получим

Получается,что некорректированныйвходной каскадне обеспечиваетнам требуемойполосы.

5.6 Расчет элементовэмиттерной коррекции

Рисунок5.2 – Эквивалентнаясхема входногокаскада попеременномутоку

Всоответствиис [8], коэффициентпередачи каскадав области верхнихчастот, привыборе элементовкоррекции

и соответствующимиоптимальнойпо Брауде формеАЧХ, описываетсявыражением:

,(5.6)

где

;

- нормированнаячастота;

;

;

;(5.7)

;(5.8)

- глубина ООС;(5.9)

;(5.10)

;(5.11)

;(5.12)

;(5.13)

– входноесопротивлениеи емкостьнагружающегокаскада;

и рассчитываютсяпо (4.55) и (4.58) соответственно.

Призаданном значении

,значение определяетсявыражением:

,(5.14)

Подставляяизвестные

и в (4.12) найдем:

,(5.15)

где

.

Входноесопротивлениеи входная емкостькаскада рассчитываютсяпо соотношениям(4.75) и (4.76).

Рассчитаем

, , , , каскада с эмиттернойкоррекцией,схема которогоприведена нарисунке 4.13, длянашего транзистораКТ911А (данныетранзистораприведены ввыше) и условий:

=0.5дБ; =9; R_ЭКВ=R_ВХ=222.22 Ом,С_Н= С_ВХ=52.5пФ.

Поизвестным

, и из (5.7), (5.8) получим:

.

Подставляя

в (5.9) найдем

Ом;

Рассчитывая

по (5.12)

иподставляяв (5.13), (5.14) получим:

;

с;

Ф.

Поизвестным

, , , и из (15) определим:

=40.1910⁶Гц=40.19МГц.

Поформулам (4.75),(4.76) найдем

=72.3810^-12Ф=72.38 пФ;

5.7 Расчет искажений,вносимых входной цепью

Схемавходной цепикаскада попеременномутоку приведенана рисунке4.12, где R_г- внутреннеесопротивлениеисточникасигнала.

Расчетведется поформулам (4.59) –(4.63), приведеннымв пункте 4.5.2.

Подставляячисленныезначения, получаем:

Оценимискажения,обусловленныеналичием входнойцепи, на частоте,соответствующейверхней границеполосы пропускания:

Переведемполученныеискажения изразов в децибелы:

Рассчитаем,на какой верхнейграничнойчастоте будутвозникатьдопустимыеискажения (2дБ) по формуле4.65

Получается,что искажения,обусловленныеналичием входнойцепи, удовлетворяютусловию задания.

Анализируявсе три каскада,можно сказать,что общий коэффициентусиления усилителябудет равен:

Выражаякоэффициентусиления вдецибелах,получаем:

Усилительимеет запаспо усилению7.742дБ. Это нужнодля того, чтобыв случае ухудшенияусилительныхсвойств коэффициентпередачи усилителяне опускалсяниже заданногоуровня, определённоготехническимзаданием.

6 Расчёт коллекторныхдросселей иразделительныхёмкостей

Величинаиндуктивностидросселя выбираетсятаким образом,чтобы переменнаясоставляющаяколлекторноготока не ответвляласьв коллекторнуюцепь. Для этоговеличина реактивногосопротивлениядросселя X_Lдолжна бытьмного большесопротивлениянагрузки:

,(6.1)

Дроссель,рассчитанныйпо формуле(6.1) для выходногокаскада будетравен:

Длявходного каскадав качественагрузочногосопротивленияRн в формуле(6.1) выступаетвходное сопротивлениеи сопротивлениябазовых делителейоконечногокаскада:

Всхеме усилителяна входе и навыходе каждогокаскада ставитсяразделительныйконденсатордля развязкикаскадов попостоянномутоку.

Таккак искаженияна низких частотах в основномопределяютсяразделительнойемкостью, тоискажения,приходящиесяна одну емкость равны отношениюискажений на нижних частотахна число емкостейN усилителя.В результатеискажения, приходящиесяна одну емкостьравны:

Переводяискажения издецибел в разы,получаем:

Расчетτ_н производитсяпо формуле [3]:

(6.2)

где f_Н - нижняячастота

-нормироваеисканныженияв разах.

Номиналыразделительныхемкостей можноопределить из соотношения:

,где(6.3)

и –эквивалентныесопротивления,стоящие слеваи справа отразделительногоконденсаторасоответственно.

.

Проведемрасчет дляразделительныхконденсаторов.

-

,при ,R_П=100;

-

,при

,где

- входноесопротивлениеи сопротивлениябазовых делителейоконечногокаскада;

-

,при

,где

- входноесопротивлениеи сопротивлениябазовых делителейвходного каскада;

Рассчитаемэлементы RC-фильтра,служащего дляустраненияпаразитнойобратной связичерез источникпитания (пункт6.1) по формулам

(6.4)

гдевсе токи рассчитаныв пункте 4.4.1

Приподстановкечисленныхзначений вформулы (7.4) получаем

Дляуменьшениявнутреннегосопротивленияисточникапитания исопротивлениясоединительныхпроводов (таккак источникпитания зачастуюотделен отсамого блокаусилителя) параллельновключают конденсатор,сопротивлениекоторого нанижней частотедиапазона многоменьше внутреннегосопротивленияисточникапитания. Ёмкостьданного конденсаторарассчитаемпо формуле

(6.5)

Полагаясопротивлениеисточника R_ИСТ= 1Ом, по формуле(6.5) рассчитываем:

7 Амплитудно-частотнаяхарактеристикаусилителя

Всоответствиис [8], коэффициентпередачи выходногокаскада в областиверхних частот,при выбореэлементовкоррекции

и соответствующимиоптимальнойпо Брауде формеАЧХ, описываетсявыражением:

,

где

;

- нормированнаячастота;

;

.

Коэффициентпередачипредоконечногокаскада в областиверхних частотописываетсявыражением:

,

где

;

- нормированнаячастота;

;

;

;

– входноесопротивлениеи емкостьнагружающегокаскада;

Приусловии аппроксимациивходногосопротивлениякаскада параллельнойRC-цепью,коэффициентпередачи входнойцепи в областиверхних частотописываетсявыражением[5]:

где

,

.

Такимобразом, общийкоэффициентпередачи усилителяв области верхнихчастот будетравен:

Таккак искаженияна низких частотах в основномопределяютсяразделительнойемкостью, тоискажения,приходящиесяна одну емкость равны:

τ_ндля всех емкостейодинакова,поэтому общиеискажения вобласти нижнихчастот будутравны:

Общийкоэффициентпередачи усилителябудет равен:

Нормированныйграфик амплитудно-частотнойхарактеристикиусилителяпредставленна рисунке 7.1

lg(f)

40.76МГц

0.8МГц

0.707

0.841

Рисунок7.1 НормированнаяАЧХ усилителя

8 Заключение

Врезультатевыполненногокурсовогопроекта полученасхема электрическаяпринципиальнаяширокополосногоусилителя.Известны топологияэлементов иих номиналы.Поставленнаязадача решенав полном объеме.

Рассчитанныйусилитель имеетследующиетехническиехарактеристики:

1Рабочая полосачастот: 0.8-35.4 МГц

2Линейные искажения

-вобласти нижнихчастот не более3 дБ

-вобласти верхнихчастот не более1,5 дБ

3Коэффициентусиления 37.742дБ

4АмплитудавыходногонапряженияUвых=8В

5Напряжениепитания Eп=12В

6Диапазон рабочихтемператур:от +10 до +40 градусовЦельсия

Список использованныхисточников

1Красько А.С.Проектированиеаналоговыхэлектронныхустройств -Томск: ТУСУР,2000.-29с.

2 Мамонкин И.Г.Усилительныеустройства.Учебное пособиедля вузов - М.:Связь. 1977 г.

3Полупроводниковыеприборы. Транзисторысредней и большоймощности. Справочник/ А.А. Зайцев, А.И.Миркин; Подред. А.В. Голомедова.– М.: Радио исвязь,1989 – 640 с.

4Расчет корректирующихцепей широкополосныхусилительныхкаскадов набиполярныхтранзисторах./Титов А.А–http://www.referat.ru/referats/015-0030.zip

5БолтовскийЮ.Г. Расчёт цепейтермостабилизацииэлектрическогорежима транзисторов.Методическиеуказания. –Томск: ТИАСУР,1981 г.

6Широкополосныерадиопередающиеустройства/ Под ред. О.В.Алексеева. -М.: Связь. 1978.

7ГОСТ 2.755 – 74 и др.ЕСКД. Обозначенияусловные играфическиев схемах.

8Титов А.А. Расчетширокополосныхусилителейна биполярныхтранзисторах/Учебное пособие,Томск: ТУСУР,2002.

					РТФКП 468714.001 ПЭЗ
					Усилительширокополосный	Лит.			Масса		Масштаб
Изм	Лист	№ докум.	Подп.	Дата
Разраб.		Сизиков
Проверил		ТитовА.А.
Т. контроль					Лист47				Листов48
					Схема электрическаяпринципиальная	ТУСУР,РТФ, гр. 180
Н. контроль
Утв.

Поз.Обозна-чение

Наименование

Кол.

Примечание

Катушкииндуктивности

L1

Индуктивность183.5мГн 5

1

L2

Индуктивность199мГн 5

1

Конденсаторы

С1

КД-2-1.56нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С2

КД-2-260.8пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С3

КД-2-521.5пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С4

КД-2-3.9нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С5

КД-2-26нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С6

КД-2-23.7пФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С7

КД-2-3.8нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

С8

КД-2-227.5нФ5ОЖО.460.203 ТУ

1

РезисторыГОСТ7113-77

R1

МЛТ– 0.125 – 1.19кОм 10

1

R2

МЛТ– 0.125 –757Ом 10

1

R3

МЛТ– 0.125 – 154Ом 10

1

R4

МЛТ– 0.125 – 23Ом 10

1

R5

МЛТ– 0.125 – 11Ом 10

1

R6

МЛТ– 0.125 –189Ом 10

1

R7

МЛТ– 0.125 – 84Ом 10

1

R8

МЛТ– 0.125 – 17Ом 10

1

R9

МЛТ– 0.125 –5Ом 10

1

Транзисторы

VT1,VT2

КТ911АаА о.339150ТУ

2

РТФКП 468714.001 ПЗ

Усилительширокополосный

Лит.

Масса

Масштаб

Изм.

Лиcт.

№ докум.

Подп.

Дата

Разработал

Сизиков

Проверил

ТитовА.А.

Т.контроль

Лист48

Листов48

Переченьэлементов

ТУСУР,РТФ, гр.180

Н.контроль

Утв.