Проектирование широкополосного усилителя

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра «Приборостроение и наноэлектроника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Проектирование широкополосного усилителя

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        Студентка,     гр. РФ 08-10                                            

                           

 

Руководитель                                                                 В.Д. Скачко                          

 

                                                    

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2010

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Техническое задание ……………………………………………………3

2. Анализ технического задания…………………………………………..4

3. Расчет числа каскадов…………………………………………………...5

4. Расчет выходного каскада……………………………………………….8

5. Расчет промежуточного каскада……………………………………….12

6. Расчет входного каскада………….…………………………………….15

7. Расчет истокового повторителя………………………………………...18

8. Расчет амплитудно-частотных характеристик усилителя….………...20

Заключение…………………………………………………………………26

Список литературы………………………………………………………...27

Приложение А Принципиальная схема  усилителя………………………28

Приложение Б Спецификация…………………………………………….29

 

1. Техническое задание

 

ЭДС входного сигнала (E) 2мВ

Нагрузка:

- активная (R_н) 100 кОм

- емкость (C_нд) 50 пФ

Частотные искажения:

- нижние частоты (M_н) 2.8 дБ

- верхние частоты (M_в) 3  дБ

Температура:

- минимальная (T_н) -5 °C

- максимальная (T_в) 40 °C

Сопротивление источника (R_ист) 200 Ом

Граничные частоты:

- нижняя (f_н) 40 Гц

- верхняя (f_в) 18 МГц

Входное сопротивление (R_вх)                                               50 кОм

Амплитуда выходного сигнала (E_вых) 1 В

Нестабильность коэффициента усиления (dK) 5 %

 

 

1. Анализ технического задания

 

Необходимость получения большого входного сопротивления R_вх=50 кОм требует установки на вход истокового повторителя. Ввиду низкой нижней граничной частоты желательно использование минимального числа блокировочных и разделительных конденсаторов, или необходимо выбрать номиналы этих конденсаторов довольно большими. Т.к. сопротивление нагрузки велико, выходной каскад следует выполнить по схеме ОЭ – ОБ на маломощном транзисторе.

 

 

2. Расчет числа каскадов

 

Задаваясь коэффициентом запаса K_з=1.5, определяем расчетный коэффициент усиления:

Необходимое число каскадов при  K_m=40 оказывается:

Определим требования к отдельным  каскадам:

1) коэффициент усиления каскада:

2) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

3) коэффициент частотных искажений  на верхних частотах:

4) нестабильность усиления в  каждом каскаде:

5) коэффициент нелинейных искажений  выходного каскада:

Определяем необходимую  площадь усиления для каждого  каскада. Глубина обратной связи, необходимая  для получения заданного усиления:

Так как граничная частота усилителя  достаточно высока, используются усилительные секции общий эмиттер – общая база с применением коррекции эмиттерной противосвязью.

Из графика (рис.1) находим проигрыш в площади усиления по сравнению с параллельной коррекцией:

K'=0.65

Рисунок 1 – Потери площади  усиления при эмиттерной коррекции

 

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных  искажениях на высоких частотах М_вi, определяется из графика (рис.2). Значение K_k/K_opt зададим на уровне 0.9, так как допустимый подъем характеристики достаточно велик:

Рисунок 2 – Выигрыш площади  усиления при простой параллельной коррекции

 

Окончательно выигрыш в площади  усиления при эмиттерной коррекции:

Рассчитываем необходимую  верхнюю граничную частоту каждого  каскада:

Для необходимой площади усиления каскада теперь можно получить:

Такая площадь может быть обеспечена с помощью усилительной секции общий  эмиттер – база, например на интегральной микросхеме типа К265УВ6.

Учитывая небольшое выходное напряжение при высокоомной нагрузке, этот же тип интегральной схемы применяется и в выходном каскаде. Для входного истокового повторителя выбираем высокочастотный полевой транзистор КП305Ж.

Таким образом, для рассчитываемого  усилителя принимается четырёхкаскадная схема, содержащая входной истоковый повторитель, выполненный на дискретном элементе, и три активных каскада, выполненных по схеме общий эмиттер – база на интегральных микросхемах К256УВ6.

Структурная схема усилителя  изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная  схема усилителя 

3. Расчет выходного каскада

Схема выходного каскада  приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема электрическая К256УВ6

 

Задаваясь предварительно величинами емкости монтажа C_м=5 пФ и выходной емкостью транзистора C_б’к=5 пФ, для максимально допустимого сопротивления нагрузки получим:

Ориентируясь на интегральную схему  К265УВ6 с током покоя I_k=4.4 мА, для минимально допустимого сопротивления нагрузки:

Так как условие R_нmax>R_нmin выполняется и типовое коллекторное сопротивление R_к=670 Ом лежит в указанных пределах, выбираем его в качестве коллекторного сопротивления.

Уточненное значение нагрузки каскада можно подсчитать по формуле:

Для расчета минимально допустимого  коллекторного напряжения предварительно зададимся DI_k = 0.1I_k = 0,44 мА, U_ост=2 В, U_э2=0.6 В (напряжение на эмиттере транзистора включенного с общей базой). Для напряжения питания:

Так как полученное значение меньше типового, выбираем E_k = 6,3 В.

Для интегральной схемы использован типовой режим, поэтому значения токов и напряжения, а также параметры транзисторов возьмем:

,      ,              ,.                

  ,      ,                      

Сопротивление эквивалентного генератора:

где R_кпр – сопротивление коллектора предыдущего каскада (ИС типа К265УВ6); R₁ и R₃ – сопротивления базового делителя МС. Эквивалентное сопротивление цепи смещения:

Емкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:

Поскольку достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным  свойствам выполнены.

Входное сопротивление транзистора  с учетом обратной связи:

Величина сопротивления обратной связи:

Выбрав большее из относительных  приращений коэффициентов передачи по току:

Оцениваем нестабильность усиления каскада:

Полученная нестабильность удовлетворяет условию.

Для расчета емкости коррекции  оцениваются постоянные времени  каскада:

и корректируемого звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

При ранее выбранном К_к/К_opt = 0.9 выражение для корректирующей емкости:

При расчёте переходных емкостей (на входе и на выходе) и блокировочной ёмкости зададимся и . Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах определяется:

Следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

Эквивалентные сопротивления для  низких частот:

Величины каждого из конденсаторов  рассчитываются по формулам:

Сопротивление шунтирования:

 

4. Расчет промежуточного каскада

 

Схема промежуточного каскада изображена на рисунке 4.

Режим транзистора, его параметры те же, что и в  выходном каскаде, поэтому их можно  здесь не рассчитывать.

Сопротивление генератора в данном каскаде, как и в выходном:

Откуда площадь усиления оказывается равной:

,

где

Поскольку достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным  свойствам выполнены.

Сопротивление нагрузки с  учетом входного сопротивления выходного  каскада:

Требуемое входное сопротивление:

Сопротивление обратной связи:

Нестабильность усиления каскада:

Полученная нестабильность удовлетворяет  условию.

Для расчета емкости  коррекции оценим постоянные времени каскада:

и корректируемого звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

При ранее выбранном К_к/К_opt = 0.9 выражение для корректирующей емкости:

Эквивалентная постоянная каскада на нижних частотах:

Следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

Эквивалентные сопротивления для  низких частот:

 

Величины каждого из конденсаторов  рассчитываются по формулам:

Сопротивление шунтирования:

 

 

 

5. Расчет входного каскада

 

Схема входного каскада изображена на рисунке 4.

Значения токов, напряжений, а также  параметры транзисторов рассчитаны в пункте 4:

 

  

        

         

 

Сопротивление нагрузки каскада для  расчета коэффициента усиления:

Сопротивление нагрузки каскада для  расчета площади усиления:

Сопротивление генератора:

Уточнив емкость нагрузки:

Оцениваем достижимую площадь усиления:

Поскольку достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным  свойствам выполнены.

Входное сопротивление транзистора  с учетом обратной связи:

Величина сопротивления обратной связи:

Выбрав большее из относительных  приращений коэффициентов передачи по току:

Оценивается нестабильность усиления каскада:

Полученная нестабильность удовлетворяет  условию.

Для расчета емкости коррекции  оцениваются постоянные времени  каскада:

и корректируемого звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

При ранее выбранном К_к/К_opt = 0.9 выражение для корректирующей емкости:

Для разделительной и блокировочной  емкостей a_вх=2, a_бл=0.5.

Эквивалентная постоянная каскада  на нижних частотах:

Следовательно, постоянные времени каждой из ёмкостей:

Эквивалентные сопротивления для  низких частот:

Величины каждого из конденсаторов  рассчитываются по формулам:

Сопротивление шунтирования:

 

6. Расчет истокового повторителя

 

Схема  истокового повторителя  изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Электрическая схема истокового повторителя

  _{Некоторые справочные  данные канального транзистора КП305Ж:}

     

     

_{Параметры транзистора КП305Ж:}

_{Напряжение питания  истокового повторителя:}

_{Отсюда общее  сопротивление в  истоке:}

_{Сопротивление нагрузки истокового повторителя:}

_{Коэффициент усиления:}

_{Выходное  сопротивление повторителя:}

_{Входная емкость:} 

_{Эквивалентное входное сопротивление  повторителя:}

Величину сопротивления утечки в затворе выберем исходя из требования получения заданного входного сопротивления:

_{Постоянная  времени разделительного  конденсатора на входе:}

Разделительная входная  ёмкость на входе ИП:

 

7. Расчет амплитудно-частотных характеристик каскадов

 

1) Для выходного каскада:

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области верхних  частот определяется из выражения:

где К – значение коэффициента коррекции:

Расчет амплитудно-частотной характеристики на низких частотах ведется по формуле:

 

АЧХ выходного каскада  на нижних частотах изображена на рисунке 6, на верхних – на рисунке 7.

Рисунок 6 - АЧХ выходного каскада на нижних частотах

Рисунок 7 - АЧХ выходного каскада на верхних частотах

 

2) Для промежуточного каскада:

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области верхних  частот определяется из выражения:

где К – значение коэффициента коррекции, которое определяется из выражения:

Расчет амплитудно-частотной характеристики на низких частотах ведется по формуле:

АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах изображена на рисунке 8, на верхних – на рисунке 9.

Рисунок 8 - АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах

 

Рисунок 9 - АЧХ промежуточного каскада на верхних частотах

 

3) Для входного каскада:

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области верхних частот определяется из выражения:

где К – значение коэффициента коррекции, которое определяется из выражения:

Расчет амплитудно-частотной  характеристики на низких частотах ведется по формуле:

АЧХ входного каскада на нижних частотах изображена на рисунке 10, на верхних – на рисунке 11.

Рисунок 10 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

 

Рисунок 11 - АЧХ входного каскада на верхних частотах

 

_{4) Для истокового  повторителя:}

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области верхних  частот определяется из выражения:

Расчет амплитудно-частотной характеристики на низких частотах ведется по формуле:

АЧХ входного каскада  на нижних частотах изображен на рисунке 12, на верхних – на рисунке 13.

Рисунок 12 - АЧХ истокового повторителя на нижних частотах

Рисунок 13 - АЧХ истокового повторителя на верхних частотах

 

Результирующий коэффициент усиления:

Следовательно, усилитель обеспечивает напряжение на выходе, при заданном входном, не меньше требуемого.

АЧХ усилителя находится как  произведение АЧХ каскадов на соответствующих  частотах. АЧХ усилителя на нижних частотах изображена на рисунке 14, на верхних – рисунок 15.

Рисунок 14 - АЧХ усилителя на нижних частотах

Рисунок 15 - АЧХ усилителя на верхних частотах

 

Заключение

 

Рассчитанный усилитель соответствует  техническому заданию. Достижимая площадь усилителя превышает требуемую, для согласования большой нагрузки на входе применен истоковый повторитель. В качестве промежуточных каскадов использована усилительная секция ОЭ–ОБ, которая обеспечивает лучшие характеристики по сравнению с однотранзисторными микросхемами.

 

Список литературы

 

1. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей. Методические указания (ч. 1, 2, 3). /Сост. В.И. Юзов; КрПИ. – Красноярск, 1983.
2. Проектирование усилительных устройств; Учеб. Пособие для ВУЗов /В.В. Ефимов, В.М. Павлов и др.; Под ред. Н.В. Терпугова. – М.: Высшая школа, 1982. – 190 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Принципиальная схема усилителя

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Перечень элементов

Поз. Обоз.	Наименование	Кол.	Примечание
	Конденсаторы
С1	К-50-6 0.15 мкФ + 5%	1
С2	К-50-6 23.6 мкФ + 5%	1
С3	К-50-6 2.7 мкФ + 5%	1
С4	КМ-5 48.8 пФ + 5%	1
С5	К-50-6 160 мкФ + 5%	1
С6	К-50-6 9 мкФ + 5%	1
С7	К-50-6 0.2 мкФ + 5%	1
С8	КМ-5 29.2 пФ + 5%	1
С9	К-50-6 174.6 мкФ + 5%	1
С10	К-50-6 8.25 мкФ + 5%	1
С11	К-50-6 0.2 мкФ + 5%	1
С12	К-50-6 147 мкФ + 5%	1
С13	К-50-6 125 мкФ + 5%	1
	Резисторы
R1	МЛТ-0.5 200 Ом + 5%	1
R2	МЛТ-0.5 135 Ом + 5%	1
R3	МЛТ-0.5 48.5 Ом + 5%	1
R4	МЛТ-0.5 35 Ом + 5%	1
R5	МЛТ-0.5 38.2 Ом + 5%	1
	Микросхемы
DA1,2,3	K256УВ6	3