Основи схемотехніки

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ЗВ’ЯЗКУ ТА ІНФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ

Державний університет  інформаційно-комунікаційних технологій

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни “ Основи схемотехніки ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав: студент групи АД-22Б

Мовчан Р.А.

Перевірив: викладач Толюпа С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2010

 

Вихідні дані

 

Загальні вимоги:

Температура навколишнього середовища, С 0+30;

Хвильовий опір коаксіальних кабелів, ρ=75 Ом

Вихідний опір корректора амплітудно-частотної характеристикиі вхідний опір автоматичного регулятора підсилення(АРП), R=100 Ом

 

Показники підсилювача:

	Потужність, що віддається в навантаження Рн,мВт	15
	Нестабільність коефіцієнта підсилення каскаду КF,%	3,5
	Загасання не лінійності по другій і  третій гармоніках άr,дБ	70
	Верхня робоча частота fв, кГц	1600
	Нижня робоча частота fн, кГц	116
	Допустимий коефіцієнт підсилення частотних спотворень на нижній робочій частоті, дБ	0,3

 

Загальні параметри:

	Опір резистора в колі колектора V4,Ом	300
	Вхідний опір каскаду на транзисторі V4, кОм	0,6
	Коефіцієнт підсилення каскаду  на транзисторі V4 з врахуванням місцевого  зворотнього зв’язку	8

 

 

 

 

 

 

 

 

Вибір типу транзисторів

 

Тип транзисторів вибирається  з врахуванням можливості їхнього використання в вихідному каскаді за максимально припустимою потужністю, що розсіюється, на  колекторі Р_ктах, граничній частоті підсилення струму в схемі з ЗЕ f_h21Э.

В трансформаторному каскаді, що працює в режимі класу «А», при потужності, що віддається, у десятки міліватів із транзистора завжди можна зняти задану потужність сигналу і забезпечити полегшений температурний режим, якщо виконати умову:

,                            (3)

де  P_H — потужність, що віддається підсилювачем,;

- ККД вихідного трансформатора;

- максимальний ККД підсилювального  приладу в режимі «А»;

N₁ - коефіцієнт запасу;

- максимально допустима потужність, що  розсіюється на колекторі.

Для розрахунку зручно прийняти;

=0,9; =0,4; N₁=2,5...3.

Підсилювальні властивості транзисторів зі зростанням частоти сигналу значно погіршуються, причому через технологічний розкид характеристик в кожному екземплярі підсилювального приладу вони міняються індивідуально. Для того, щоб спростити процес настроювання підсилювачів і підвищити стійкість в області верхніх частот, тип транзистора вибирають з врахуванням нерівності

,                                            (4)

де f_h21е - гранична частота коефіцієнта передачі струму транзистора в схемі з ЗЕ (на цій частоті статичний коефіцієнт передачі струму f_h21е зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот);

f_в - верхня робоча частота.

Іноді в довідниках замість  частоти f_h21е вказується частота f_h21б або f_гр . f_h21б це гранична частота коефіцієнта передачі струму h_21б в схемі з ЗБ, тобто частота, на якій цей коефіцієнт зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот. Частота f_гр - гранична частота транзистора в схемі з ЗЕ, при якій  h_21е=1.

Параметри транзистора КТ315Б
Структура транзистора	n-p-n
Максимально допустима постійна розсіювана потужність на колекторі РК max , мВт	150
Гранична частота підсилення в схемі з ЗЕ fh21Е, МГц	7,7
Модуль коефіцієнта передачі струму в схемі з ЗЕ  fh21Е min  fh21Е max	20 90
Максимально допустима постійна напруга колектор-емітер UKе тах ,В	30
Вхідний опір транзистора в схемі з ЗЕ h11Е, Ом	750
Опір бази r’б Ом	35
Ємність коллекторного переходу CK , пФ	7
Ємність емітерного переходу Cб'е , пФ	10

 

Взаємозв'язок між названими частотами  можна встановити за допомогою наступних  виразів:

f_h21е h_21е» f_h21е»1,3 f_гр ,                                           (5)

 

,                                 (6)

де h_21е - статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ЗЕ;

- довідкові параметри; межі  технологічного розкиду.

В інших випадках у довідниках вказується величина модуля коефіцієнта передачі струму на визначеній частоті f. Тоді можна скористатися виразом

.                                                     (7)

Результати обчислень по формулах (3) і (4) дозволяють підібрати підходящий тип транзистора в довіднику.

Розрахунок  вихідного каскаду

 

Розрахунок всіх багатокаскадних  підсилювачів починають з вихідного  каскаду з метою забезпечення необхідних параметрів вихідного сигналу. Спрощена принципова схема однотактного трансформаторного каскаду підсилювача потужності приведена на рис. 6. Навантаженням каскаду служить коаксіальна лінія з хвильовим опором ρ.

З метою підвищення надійності радіоелектронної апаратури потужність, що розсіюється реально на транзисторі Р_к в режимі спокою повинна бути менше максимально допустимої. Прийнято витримувати співвідношення

.                                  (8)

В трансформаторному  каскаді, що працює в режимі класу  «А», напруга між колектором і  емітером при досить великому сигналі може приблизно в 2 рази перевищувати напругу живлення. Тому доцільно напругу спокою U_К вибрати з умови

,                                                    (9)

де  - максимальна допустима напруга колектор-емітер.

Через те, що всі підсилювачі включені послідовно по колу живлення виникає  небезпека, що загальна напруга джерел живлення може перевищити межу міцності ізоляції центральної жили кабелю. Тому потрібно обмежити U_КЕ= 5...6 В, Тоді струм спокою I_K дорівнює:

                                            (10)

 

 

 

 

Точка спокою (робоча точка) з координатами U_КЕ, І_К позначається на сімействі вихідних статичних характеристик рис. 7. Через цю точку потрібно провести навантажувальну пряму так, щоб з підсилювального приладу можна було зняти сигнал необхідної потужності Р_К~ :

,                          (11)

де N₂ - коефіцієнт запасу, що враховує втрати енергії за рахунок неточного узгодження з навантаженням і втрат в колі НЗЗ. Звичайно приймають N₂ = 1,2.

Близька до оптимального величина опору навантаження в колекторному ланцюзі транзистора R_К~ розраховується за формулою:

                                           (12)

Потім розраховуються амплітуди змінних складових струму I_km і напруги U_km у колекторному колі:

,                                             (13)

.                                                     (14)

По осі абсцис від  координати U_КЕ праворуч відкладається відрізок I_KR_K~ і через його кінець і крапку спокою проводиться навантажувальна пряма. Відзначаються струми

,                                                 (15)

.                                                 (16)

При дотриманні умови (3) робоча область  навантажувальної прямої автоматично  виявиться поза межами областей, що заштриховані на рис.7.

Максимальний і мінімальний  струми бази розраховуються з урахуванням використання найгіршого транзистора:

                                                    (17)

 

Струми I_бmax і I_бmin відзначають на осі ординат вхідних характеристик (рис. 8) і знаходять відповідні їм значення напруги між базою і емітером U_{бе max} і U_беmin

Потім визначають амплітуду  вхідного струму I_бm, амплітуду вхідної напруги U_бет і вхідний опір транзистора

,                                  (18)

 

                              (19)

                                              (20)

Коефіцієнт підсилення напруги  вихідного каскаду

                                                      (21)

Обчислення, зроблені відповідно до приведеної методики розрахунку, будуть справедливі, якщо вибрати коефіцієнт трансформації Т₂ рівним n₂ і активні опори його первинної r₄ і вторинної r₆ обмоток рівними:

                        (22)

де r - хвильовий опір кабелю;

- відношення опору первинної  обмотки до перерахованого опору  вторинної обмотки.

З метою найбільш повного використання напруги живлення в трансформаторних каскадах, де через первинну обмотку  протікає постійна складового струму вихідного транзистора, прийнято вибирати с»0,5. Для вхідного трансформатора приймають с=1.

Амплітуда сигналу на навантаженні U_H складе;

                                       (23)

Розрахунок  стабілізуючих кіл

 

З практики відомо, що нестабільність коефіцієнта підсилення DК на каскад при нестабільності струму спокою в межах 10 % складає приблизно 15%. Доцільно в кожний каскад ввести місцеве коло НЗЗ по змінному струму і зменшити нестабільність коефіцієнта підсилення до DК =3-5%. Таким чином, вихідний каскад повинен бути охоплений колом НЗЗ глибиною

.                                                            (24)

Зворотній зв'язок в каскаді –  комбінований: по струму та напрузі  і послідовний за виходом. При  зміні навантаження параметри каскаду не повинні змінюватись. З цілю збереження постійних характеристик каскаду необхідно виконати умову:

.                                                  (25)

Тоді коефіцієнт передачі петлі  НЗЗ по струму та опору резистора R_еF розраховується по формулам:

                                                            (26)

.                                                         (27)

Причому активний опір обмотки  L₅ повинен бути значно менше R_eF, тобто .

Коефіцієнт трансформації  по відношенню до обмотки, з якої знімається напруга ЗЗ, приймається рівним:

,                                                  (28)

де W₄ та W₅ – кількість витків відповідних обмоток трансформатора.

Індуктивний опір обмотки W₅ дуже малий у порівнянні з R_eF,і з ним можна не рахуватися.

Спільний коефіцієнт передачі кіл НЗЗ кінцевого каскаду та його коефіцієнт підсилення К_F3 , будуть рівні:

                                                          (29)

Тоді припустивши зменшення  амплітуди сигналу ЗЗ в коректуючи колах на 20%, коефіцієнт передачі кола спільного НЗЗ можна прийняти рівним:

.                                                       (30)

Стабілізація струму спокою здійснюється високоефективними схемами емітерної стабілізації, для чого необхідно забезпечити значне падіння напруги на резисторах в колі емітерів. Падіння напруги на резисторах в колі емітера задається в межах 1,5 – 2В. Тоді величина напруги живлення підсилювача складе

.                                    (31)

Опір резистора R_e розраховується за формулою:

.                                                     (32)

Для розрахунку опорів резисторів базового дільника зручно скористатися наступними формулами:

                                                   (33)

де  =2 – 4 – чутливість зміни струму колектора при зміні оберненого струму колектора. Зі зменшенням цього коефіцієнта зростає стабільність струму та знижується коефіцієнт підсилення.

З урахуванням двох послідовних  по входу кола НЗЗ для отримання  заданої потужності в навантаженні на вхід вихідного каскаду необхідно подати сигнал U_вхF3:

                                     (34)            

≈0,01. З урахуванням ЗЗ реальний коефіцієнт гармонік буде:

.                                                      (35)

Заданий на підсилювач коефіцієнт гармонік обраховується за формулою:

.                                               (36)

Глибина спільного НЗЗ F₀ буде рівним:

.                                                         (37)

Розрахунок  каскаду попереднього підсилення

 

Оскільки параметри другого  каскаду відомі, то його вхідне коло буде споживати струм з амплітудою І_вх2:

                                           (38)

- дані з таблиці 2.

Вихідні дані для розрахунку першого каскаду (рис. 9) отримані. Тепер  необхідно вибрати режим роботи транзистора і розрахувати параметри  елементів принципової схеми. Напругу спокою вибирають близькою до напруги, при якій знімалися паспортні дані транзистора. Майже для всіх транзисторів при максимально допустимій потужності розсіювання      50...500 мВт U_К= 5 В.

Струм спокою вибирається  значно більшим, ніж струм, споживаний вхідним колом наступного каскаду:

.                                      (39)

Потрібно  мати на увазі, що І_К для германієвих транзисторів не повинен бути менше 3...4 мА, а для кремнієвих менше 4...5 мА.

Досить ефективна стабілізація струму спокою каскаду  забезпечується, якщо прийняти величину спадання напруги на резисторах у колі емітера

                                                     (40)

Опір резистора R_К1, опір навантаження колектора R_K~ і коефіцієнт підсилення розраховуються відповідно по формулах (41), (42), (43).

;                                               (41)

;                                               (42)

,                                                    (43)

де h_11Е - вхідний опір транзистора.

Задана нестабільність коефіцієнту підсилення на каскад забезпечується при обхваті його колом НЗЗ  глибиною:

а незмінність вхідного опору забезпечується при рівності величини глибини НЗЗ по напрузі та по струму , так як одна з них вводиться по входу паралельно, а інша послідовно:

.                                                (44)

Коефіцієнти передачі ланцюга НЗЗ і R_е розраховуються так само, як і у вихідному каскаді

                          (45)

 Для того, щоб не враховувати місцевий ЗЗ за рахунок протікання змінної  складової струму емітера через обмотку зв’язку L3, необхідно по всій робочій смузі частот виконати умову де - повний опір обмотки L3.

Припустимо:

               (46)

Тоді для забезпечення рівноглибоких НЗЗ по струму та по напрузі за рахунок сигналу, який поступає із загальної петлі ЗЗ, коефіцієнт трансформації відносно обмотки зворотного зв’язку п_1F повинен дорівнювати:

                                                  (47)

де W₂ та W₃ – число витків відповідних обмоток.

З врахуванням місцевого  НЗЗ коефіцієнт підсилення першого  каскаду та його вхідний опір розраховуються за формулами:

                                                       (48)

                                           (49)

де  - опір бази транзистора;

- опір емітера транзистора.

Активні опори обмоток вибирається рівним:

                                          (50)

де ρ – хвильовий опір кабелю, що підводиться;

    η_Т – ККД трансформатора. Взагалі приймають η_Т =0,9.

Кабель, що підводиться  буде навантажений на опір, рівний хвилевому, якщо коефіцієнт трансформації вхідного трансформатора буде рівний

                                                    (51)

Резистори R_б1 і R_б2 розраховуються так само, як і у вихідному каскаді.

 

Розрахунок  регулятора підсилення

 

Спроектований підсилювач без врахування загального ланцюга НЗЗ має коефіцієнт підсилення

.                                              (52)

З метою отримання заданого затухання  нелінійності при заданій стабільності коефіцієнта підсилення вибирають необхідну величину глибини загального кола НЗЗ. Тоді оптимальна величина коефіцієнта передачі кола загального ЗЗ складає:

                                               (53)

яка набагато менша величини 2В₀. Коефіцієнт 2 з’явився, так як отриманий з вихідного каскаду сигнал НЗЗ одночасно вводиться в коло емітера і бази вхідного каскаду. Тому в коло подачі загальної НЗЗ необхідно ввести регулятор, якій має затухання α:

                                                  (54)

де U₁ – амплітуда сигналу, який подається на регулятор;

     U₂ – амплітуда сигналу на виході регулятора.

Принципова схема найпростішого T-подібного регулятора підсилення приведена на рис. 10.

Найбільш простий вид  розрахункових співвідношень виходить, коли вхідний і вихідний опори  регулятора, опору джерела сигналу  і навантаження взаємно рівні, тобто  при роботі з погодженими опорами  генератора і навантаження. Вихідний опір коректора амплітудно-частотної характеристики й автоматичного регулятора підсилення обговорені в завданні.

Тоді опори резисторів розраховуються по наступних формулах

                                               (55)

де R - опір погодженого навантаження (джерела сигналу або навантаження).

Розрахунок  якісних показників підсилювача

Знаючи необхідну для  збудження вихідного каскаду  амплітуду сигналу U_вхF3, можна розрахувати амплітуду сигналу на базі першого каскаду без врахування загального зворотного зв’язку:

.

Задана потужність сигналу в  навантаженні забезпечується при ЕРС  джерела сигналу:

.

Наскрізний коефіцієнт підсилення напруги G_u, робоче підсилення G_р і потужність, яка відбирається від джерела сигналу Р_н, розраховується за формулами:

;

  .

Нестабільність коефіцієнта підсилення при n каскадах буде не гірше ΔК_Fо:

.

Розрахунок  реактивних елементів

 

Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики в межах робочого діапазону частот в реальних підсилювачів складає десяті частки децибела, що досягається за рахунок використання глибоких негативних зворотних зв'язків і спеціальних коригувальних ланцюгів. В навчальному проекті з метою спрощення розрахункової частини величина спотворень трохи завищена, що не позначилося істотно на відмінності розрахункових даних від реальних параметрів елементів схем лінійних підсилювачів.

Для оцінки спотворень використовують коефіцієнт частотних спотворень М:

,                                  (56)

де К₀ — модуль коефіцієнта підсилення в області середніх частот;

     К_f - модуль коефіцієнта підсилення на довільній частоті.

В підсилювачі виду рис. 1 спотворення в області нижніх частот виникають за рахунок трансформаторів, конденсаторів ланцюгів міжкаскадного зв'язку і конденсаторів в емітерних колах транзисторів. Якщо задано величину спотворень в області нижніх частот М_н, то доцільно їх розподілити в такий спосіб: по 0,05 дБ на кожний із трансформаторів, а частину, що залишилася, між усіма чотирма ланцюгами, що спотворюють, розподілити порівно. Сумарна величина спотворень (у децибелах) не повинна перевищувати М_н. Розподіливши спотворення між колами, необхідно їхню оцінку в децибелах замінити абсолютними одиницями відповідно до виразу (43). Також з достатнім ступенем точності можна скористатися наближеною перерахунковою формулою (справедлива тільки для М 2дБ):

                                                 (57)

 

Далі починають  розрахунок параметрів реактивних елементів схеми.

Індуктивність первинної  обмотки вихідного трансформатора L₄:

(58)

де  f_н - нижня робоча частота;

   М_НТ - спотворення, внесені трансформатором на частоті f_н. Індуктивність розсіювання Т2 вибирають орієнтовно;

Індуктивність первинної обмотки  вхідного трансформатора:

             (59)

де R_{н экв}

- еквівалентний опір трансформатора в області нижніх частот        .

З врахуванням кіл  місцевих негативних зворотних зв'язків  можна прийняти великі коефіцієнти  частотних спотворень при розрахунку перехідних і блокувальних конденсаторів

                                  (60)

де 

`- прийнятий при розподілі спотворень коефіцієнт частотних спотворень, без врахування ланцюгів ЗЗ, виражений в абсолютних одиницях ;

M_НР,М_НЕ - коефіцієнти частотних спотворень відповідно за рахунок перехідних кіл і кіл R_Е С_Е ;

F=F₁=F₃ - глибина місцевого НЗЗ.

Ємність перехідних конденсаторів

                 (61)

де   R_K - опір резистора в ланцюзі колектора попереднього каскаду;

R_вх - вхідний опір наступного каскаду з обліком паралельно включених резисторів базових дільників.

Ємність блокувального конденсатора вихідного каскаду 

 (62)

де  - крутизна струму емітера;    (63)

       - опір джерела сигналу стосовно бази.

        R_K2 - опір резистора в ланцюзі колектора попереднього каскаду;

        R_вх5 - вхідний опір каскаду без врахування ланцюга НЗЗ.

         R’’_r розраховується за формулою (50).

Для першого каскаду  опір джерела сигналу стосовно бази транзистора

                              (64)

Конденсатор С_е в першому каскаді розраховується так же як і в кінцевому, але в формулі (50) треба замінити на і R_{вх V5} на R_вхV3 (38).

Фільтр  в колі живлення розраховується на основі даних про рівень завад, які  попадають в коло живлення, а також  з врахуванням коефіцієнта передачі напруги живлення в колі з мінімальним рівнем сигналу.

Ємність високочастотних конденсаторів  вибирають так, щоб частота зрізу  вхідного та вихідного кола перевищувала верхню робочу частоту f_в в 3 – 5 раз:

,

 розраховується за формулою (51).

;

,

R₁ розраховується за формулою (44).

Всі діоди в нормальному робочому режимі знаходяться в зачиненому стані. Вони не повинні помітно шунтувати  сигнальні ланцюги ємністю р-n переходів. Тому діоди вибираються  високочастотні, із прохідною ємністю при зворотному зсуві близько 0,5 пф, наприклад Д-220.

 
Література

1. Мурадян А.Г., Разумихин В.М., Тверецкий М.С. Усилительные устройства.-М.:Связь, 1976.