Расчет линейного усилителя
Министерство образования и науки
Семипалатинский колледж
Курсовая работа
На тему: «Расчет линейного усилителя»
Семей 2015
Введение:
1.Обоснование выбора структурной схемы усилителя
2.Ориентировочный расчет числа каскадов усиления.
3.Обоснование выбора принципиальной схемы усилителя.
4.Расчет оконечного каскада.
5.Расчет элементов схемы по постоянному току.
6.Расчет глубины общей отрицательной обратной связи (ООС).
7.Проверочный расчет коэффициента усиления усилителя по напряжению.
8.Расчет удлинителя в цепи общей ООС.
9.Заключение по результатам расчетов.
Задание на курсовой проект по теме «Линейный усилитель».
Усилитель должен обладать следующими техническими характеристиками:
Показатели усилителя |
Значения |
Мощность, отдаваемая в нагрузку, , мВт |
39 |
Низшая частота рабочего диапазона , кГц |
812 |
Высшая частота рабочего диапазона , кГц |
1304 |
Номинальное усиление усилителя S, дБ |
30 |
Затухание нелинейности по второй гармонике при нулевом уровне на выходе , дБ |
60 |
Затухание нелинейности по третьей гармонике при нулевом уровне на выходе, дБ |
80 |
Нестабильность усиления ∆, дБ |
0,7 |
Сопротивление источника сигнала и нагрузки , Ω |
75 |
Коэффициент отражения на входе и выходе усилителя б = = |
0,05 |
Уровень собственных помех, приведенный ко входу усилителя, , дБ |
≤-129,5 |
1. Обоснование выбора
Структурная схема линейного усилителя представлена на рис1. В качестве входного и выходного устройства линейного усилителя используются трансформаторные дифференциальные системы.
Оконечный каскад (ОК) усилителя обеспечивает заданную мощность сигнала в нагрузке при допустимых, с учетом действия ООС, нелинейных искажений.
Достаточная величина тока (напряжения) сигнала, необходимого для управления оконечным каскадом, обеспечивается каскадами предварительного усиления (КПУ).
Значения качественных показателей (затухания нелинейности, нестабильность и т.д.). Определяются максимальной глубиной ООС, которая охватывает все каскады усиления.
В цепь общей ООС для компенсации затухания усилительного участка и коррекции вносимых линий амплитудно–частотных искажений включаются: переменный удлинитель (дБ); контур начального наклона (КНН), контур автоматической регулировки (АРУ). Источником сигнала и нагрузки служит линия связи. Входное и выходное устройства служат для согласования параметров усилителя с параметрами линии.
2. Ориентировочный расчет числа каскадов усиления
Число каскадов усиления определяется из формулы:
N =
где S без ос – усиление усилителя без обратной связи, дБ;
SКаск – усиление одного каскада равное 20 дБ, (выбирается в пределах 20+25 дБ).
S без ос = S+Aос, гдеS-номинальное усиление усилителя равное 30 дБ;
Aос- глубина обратной связи равная 30 дБ, (выбирается в пределах 20+30 дБ).
Отсюда:
N= = = = 3
Значит, усилитель должен состоять из трех каскадов.
3. Обоснование выбора принципиальной схемы усилителя
Принципиальная схема простейшего трехкаскадного линейного усилителя, составленного согласно описанной ранее структурной схеме, приведена на рис. Усилитель состоит из трех каскадов по схеме с ОЭ на транзисторах V1, V2, V3. Ток покоя каждого каскада стабилизируется с помощью эмиттерных схем стабилизации. Между первым и вторым каскадом связь непосредственная, между вторым и третьим – осуществляется через разделительный конденсатор C8.
Отсутствие делителя напряжения и разделительного конденсатора на входе второго каскада дает экономию количества элементов схемы и некоторую экономию тока питания, кроме того, отсутствие разделительного конденсатора снижает амплитудно-частотные искажения на низких частотах.
Однако использование непосредственной связи имеет недостаток – требуется большее напряжение питания. Так как для второго каскада делителем напряжения служит первый каскад, все колебания режима первого каскада вызывают колебания режима второго. Поэтому в этой схеме важна особенно стабилизация режима первого каскада.
Для ослабления паразитной обратной связи между каскадами через общий источник питания содержит фильтрующие цепи R16,С3,R11,С5, входные и выходные устройства усилителя выполнены на дифференциальных трансформаторах Т1, Т2, резисторы R1,R16-балансные. В усилителе применена общая ООС, организуемая с помощью входного и выходного устройства. В пассивной части цепи ООС включены контур АРУ, КНН и переменный удлинитель R7, R10, R12. По входу и выходу имеет место комбинированная ООС. Обратная связь осуществляется только по переменному току, поэтому на входе и выходе цепи ООС установлены разделительные конденсаторы C2, C11.
Конденсаторы C1, C7, C10создают, путь высокочастотного обхода пассивной части петли ООС и предотвращает возможность самовозбуждения усилителя за пределами его рабочего диапазона частот.
4. Расчет оконечного каскада
Оконечный каскад обеспечивает получение заданной мощности сигнала в нагрузке, при этом он должен вносить допустимые нелинейные искажения. В линейных усилителях аппаратуры систем передачи используются однотактные трансформаторные оконечные каскады с включением транзистора по схеме с ОЭ. Усилительный элемент (транзистор) в таких каскадах работает в режиме А, что позволяет получить сравнительно небольшие нелинейные искажения.
Тип транзистора оконечного каскада выбирается по максимальной допустимой рассеиваемой мощности коллектора Рkmaxи граничной частоте коэффициента передачи тока fгр в схеме с ОЭ. При этом должны выполняться условия: fгр ≥(40÷100) fв; Рк мах ≥(4÷5) Рн, где Рн– мощность, отдаваемая в нагрузку.
≥ 90
≥ 90*552 ≥ 49680 кГц ≥ 49,68 МГц
= 30 МВт
≥4≥ 4*30 ≥ 125 МВт
Используя табл. 1 методических указаний выбираем тип транзистора ГТ308А
Параметры транзистора |
ГТ308А |
Структура транзистора |
p-n-p |
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ƒгр, МГц |
90 |
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора P к max, мВт |
150 |
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ:min |
20 |
max |
75 |
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер Uкэmах, В |
12 |
Максимально допустимый постоянный ток коллектора I k max, мA |
50 |
Объемное сопротивление базы на высоких частотах Чб', Oм |
50 |
Определяют рабочую область характеристики транзистора. Для этого на входных характеристиках транзистора постройте характеристику максимально допустимой мощности рассеяния. Рассчитывается графо-аналогическим способом с использованием семейства статистических выходных и входных вольтамперных характеристик транзистора.
Тип транзистора оконечного каскада выбирается по максимальной допустимой рассеиваемой мощности коллектора и граничной частоте
=
Для построения этой характеристики следует задавать значения для транзистора ГТ308А, от 5 В до10 В через 2 В.
Iк1= = 75мA
Iк2 = = 37,5 мA
Iк3 = = 25мA
Iк4 = = 18,25 мA
Iк5 = = 15 мA
150 |
150 |
150 |
150 |
150 | |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 | |
75 |
37,5 |
25 |
18,25 |
15 |
На оси напряжений отмечаются эти значения и восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с соответствующим каждому значению Uкэтоку Iк. Затем полученные точки соединяются плавной линией, далее проводятся линии, соответствующие Uкэ мах и Uост. Значение Uост определяется графически, для этого опускается на ось напряжений перпендикуляр из точки перегиба верхней вольт – амперной характеристики.
= 1В
Определяют напряжение покоя транзистора по максимальному допустимому напряжению
Полученное значение округлить до целой величины.
= = = 6,5 ≈ 6В
Определяют мощность, отдаваемую транзистором с учетом заданного КПД трансформатора ηтр= 0,95
Р'~ = = = 31,5 Вт
Определяют мощность рассеяния на коллекторе транзистора
Рко = = = 87,5 МВт
гдеηА– максимальный КПД каскада в режиме А, принимается равным 0,4;
ηос – коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала в цепи обратной связи, принимается равным 0,9;
Ток покоя рассчитывается, исходя из мощности рассеяния на коллекторе транзистора:
Iко= = = 14,58 мА
На семействе выходных характеристик транзистора отмечаются выбранные Uко, Iко и определяется соответствующей точке покоя ток базы Iбо (входной ток) Полученное значение Iбо отмечается на входной характеристике и определяется соответствующее ему напряжение смещения Uбо.
Uко= 6В
Iко=14,58 мА
Iбо= 6 В
Uбо= 0,39 В
Определяется амплитуда напряжения выходного сигнала:
Uкm ≤ Uко - Uост = 6 – 1 = 5 В
Определяется амплитуда тока выходного сигнала:
Iкm = = = 12,6 мА
Строится нагрузочная прямая переменного тока. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора от координаты точки покоя на оси токов вниз откладывается амплитуда тока Iкм, а от координаты точки покоя вправо – амплитуда напряжения Uкм. Пересечением уравнений Iко – Iкми Uко + Uкм определяется точка М. Через точку М и точку покоя проводим нагрузочную прямую переменного тока.
Iко – Iкm= 14,58 – 12,6 = 1,98 мА
Uко + Uкm= 6 + 5 = 11 В
На семействе выходных характеристик транзистора отмечается точка N на нагрузочной прямой переменного тока, соответствующая пересечению уровня Uост и нагрузочной прямой.
Определяется соответствующий точкам M и N входной ток. Точке М будет соответствовать минимальный входной ток Iбmin, а точке N - максимальный.
Iбmin= 0,53 мА
Iб max= 0,01 мА
Определяется амплитуда тока входного сигнала:
Iбm =
Определяется мощность, отдаваемая транзистором в выбранном режиме:
Р~ = = = 31,5 МВт
Сравниваем полученную величину Ри Р'. Если режим работы транзистора выбран правильно, то должно соблюдаться условие.
Р~ ≥Р'~ = 31,5 мВ = 31,5 мВ
На входной характеристике транзистора отмечаются токи Iб max, Iбо, Iбmin, и определяется соответствующие этим токам значения входного напряжения.
Выписывают значение этих напряжений.
Uбэ мах = 0,28 В
= 0,21 В
= 0,06 В
Определяем амплитуду напряжения входного сигнала:
Uбm= = = 0,11 В
Определяют коэффициент усиления по напряжению:
К = = = 45,4
Определяют входное сопротивление транзистора:
Rвх = = = 0,423 кОм = 423 Ом
Определяют сопротивление нагрузки выходной цепи:
R~ = = = 0,3968 кОм = 396,8 Ом
Определяем мощность, потребляемую выходной цепью транзистора от источника питания:
Р = Iко * Uко = 14,58 мА * 6 В = 87,48 МВт
Определяем фактический коэффициент полезного действия выходной цепи:
ηф = = = 0,36
Параметры оконечного каскада
Nкаск |
Uко3, В |
Iко3, mА |
Uбо3, В |
Iбо3, mА |
К3 |
Rвх 3, Ом |
R~ 3, Ом |
ηф |
3 |
6 |
14,58 |
6 |
0,39 |
14 |
1 |
396 |
0,36 |
5. Расчет
элементов схемы по
Расчет начинается с оконечного каскада. Для удовлетворительной стабилизации точки покоя в оконечном каскаде определяется ток делителя третьего каскада:
Iд3 = (5 ÷ 10) Iбо3 = 6 * 0,25 = 2,34 мА
Напряжение на резисторе в цепи эмиттера третьего каскада составит: (в расчетах рекомендуется брать коэффициент 6).
UR15 = (5÷10) U бо3 = 6 * 6 = 3,6 В
Определяется сопротивление резистора в цепи эмиттера третьего каскада:
R15 = = = 0,1563 кОм = 156,3 Ом
Определяется напряжение источника питания:
Е = UR15 + U ко3 + Iко3*R16
где
R16≈ (1/5) R~ = = 79,2 Ом
UR15 = (Iко3 + Iбо3)* R15
UR15 = (14,58 + 0,39) * 156,3 = 2,33 В
За расчетную величину
R13 = R14 =
= = 13,7 кОм = = 179 Ом
Номер каскада |
Uко1, В |
Iко1, мА |
Uбо1, В |
Iбо1, мА |
1 |
2 |
2 |
0,22 |
0,01 |
Номер каскада |
Uко2, В |
Iко2, мА |
Uбо2, В |
Iбо2, мА |
2 |
3 |
2 |
0,08 |
0,12 |
Режим работы каскадов предварительного усиления определяется условием получения максимального усиления, а во входном каскаде – условием получения максимальной помехозащищенности.
Для расчета каскадов предварительного усиления задается напряжение на резисторах UR6 = UR11 = 1В.
Ток делителя первого каскада составит:
Iд 1 = (5 ÷ 10) Iбо 1
Iд 1= (6 * 0,01) = 0,06 мА
Напряжение на резисторе в цепи эмиттера первого каскада составит:
UR5 = (5 ÷ 10) Uбо 1
UR5 = (6 * 0,22) = 1,2 В
В расчетах рекомендуется брать коэффициент 5.
Определяем сопротивление резистора в цепи коллектора первого каскада:
R5 =
= = 597 Ом
Определяется сопротивление резистора в цепи коллектора первого каскада:
R4 =
Где UR5= ( Iко1+ Iбо1 ) UR5= (2+4,2) * 245 = 1519 В
R4 = = 132 Ом
Определяется сопротивление резисторов делителя смещения первого каскада:
R2 =
R2= = 155 Ом
R3=
R3== 120 Ом
Определяется сопротивление резистора в цепи эмиттера второго каскада:
R9 =
Определяется сопротивление резистора в цепи коллектора второго каскада:
R8 =
Где = ( Iко2 + Iбо2 ) * R9
= R9 = (4+0,3)*357,8=1538
R8 = = 129 Ом
Определяется сопротивление резисторов фильтрующих цепей:
R11 =
R11= = 245 Ом
R6=
R6= = 456 Ом
С |
Рассчитанное сопротивление |
Номинальное значение |
Мощность |
R2 |
15,5 кОм |
1600 Ом |
0,091 мВт |
R3 |
119,8 кОм |
120 Ом |
0,227 мВт |
R4 |
0,32 кОм |
132 Ом |
1,462 мВт |
R5 |
597 Ом |
600 Ом |
2,64 |
R6 |
456 Ом |
500 Ом |
542,64 |
R7 |
249 Ом |
250 Ом |
|
R8 |
129 Ом |
130 Ом |
5,18 |
R9 |
154 Ом |
160 Ом |
6,59 |
R10 |
0,50 Ом |
1 Ом |
|
R11 |
245 Ом |
250 Ом |
5,07 |
R12 |
249 Ом |
250 Ом |
|
R13 |
13,7 Ом |
15 Ом |
8,19 |
R14 |
179 Ом |
180 Ом |
19,49 |
R15 |
156,3 Ом |
160 Ом |
34,88 |
6. Расчет глубины общей
Введение в усилитель цепи ООС позволяет улучшить качественные показатели усилителя: уменьшить нелинейные искажения, увеличить стабильность коэффициента усиления, уменьшить коэффициент отражения и т.д.
1. Определяется глубина ООС по
допустимым нелинейным
Так как в задании на курсовой проект затухания по второй и третьей гармоникам заданы при выходной мощности усилителя, равной 1 мВт (при нулевом выходном уровне), то затухания нелинейности а2г, а3г следует также привести к нулевому выходному уровню по формулам:
а'2го 30 Дб+10 lg* = = 32,6 дБ
а'3го = 34,7 Дб+20 lg = 37,4 дБ
Для обеспечения заданных величин затухания нелинейности а2г и а3г (с обратной связью) глубина ООС должна удовлетворять условиям:
Аос1≥ а2го - а'2го = 65дб-32,6=32,6 дБ;
Аос2≥ а3го - а'3го = 85дб-37,4дб=77,6 дБ;
где Аос1, Аос2 – глубина ООС в дБ.
2. Определяется глубина ООС, исходя
из допустимой нестабильности
усиления. Нестабильность усиления
каскада без обратной связи
вызвана, главным образом, усилительного
элемента и определяется
При проектировании усилителя можно принять для одного каскада
∆К/К = 100,05 ΔSt - 1 = 100,05*0,8 - 1 = 1,096 – 1 = 0,096
Таким образом, глубина ООС определяется по формуле:
где N – число каскадов усиления;
∆St – заданная величина нестабильности усиления дБ;
0,15 – средняя нестабильность
усиления в усилительном
3. Определяется глубина ООС, исходя
из допустимого коэффициента
отражения. Наличие реактивных элементов
во входной и выходной
δср = 0,5δ = 0,5 * 0,09 = 0,045;
где δ – заданный коэффициент отражения на входе и выходе усилителя.
Глубина ООС определяется по формуле:
Аос4 ≥ 20 lg = 20 lg*
4. Выбирается глубина ООС
F = 100.05 Аос4 = 100,05*30,5
где F – глубина ООС в относительных единицах.
7. Проверочный расчет
Определяется входное сопротивление R вх транзистора первого и второго каскадов h21э, в расчетах берется для наихудшего экземпляра, т.е h21э min
R вх =
R вх1 = = 22 Ом
R вх2 = = 0,6 Ом
Номер каскада |
h21э min |
R вх 1, Ом |
1 |
20 |
22 |
Номер каскада |
h21э min |
R вх 2, Ом |
2 |
20 |
0,6 |
Определяет сопротивление нагрузки переменному току второго каскада
R~2 =
где
Rдэ =
Rдэ = = = 776 Ом
R2 = = 879 Ом
Rвх берется из расчетов оконечного каскада, а номинальные значения элементов принципиальной схемы определены выше.
Определяют коэффициент усиления по напряжению второго каскада
К2 = К2 = = 516,6
Определяют коэффициент усиления по напряжению первого каскада
Где R4 – сопротивление резистора в цепи коллектора первого каскада. Ом
Определяют коэффициент усиления по напряжению усилителя без учета ООС.
К = К1*К2*К3
К = 29,09*516,6*14=210146,16
Где К3 – коэффициент усиления по напряжению оконечного каскада
Определяют фактический коэффициент усиления по напряжению усилителя без учета ООС.
Кф =
Кф = = 5003
Где 1,2 – коэффициент запаса, учитывающий разброс параметров элементов схемы.
F – глубина общей отрицательной обратной связи, отн.ед. Сравнивают фактический коэффициент усиления усилителя с заданной величины S (см.табл.1) которую необходимо перевести на децибел в относительные единицы по формуле
= = 89,02
Полученное фактическое значение коэффициента усиления должно соответствовать заданному т. е. Кф=К1
8. Расчет удлинителя в цепи общей ООС
Определяется коэффициент передачи цеп общей ООС по формуле
где коэффициент в числителе определяется схемой и параметрами входного и выходного устройства; К – заданный коэффициент усиления по напряжению усилителя, в относительных единицах.
Определяется сопротивления резисторов R10, R7 = R12 Т – образного удлинителя:
R7 = R12 = Rс * = 250 * = 249 Ом
R10 = Rс* = 250 * = 0,50 Ом
где Rс – характеристическое сопротивление удлинителя, рекомендуется брать в пределах 150/250 Ом.
9. Заключение по результатам расчетов
Мы выбрали транзистор ГТ308А со структурой типа p-n-p, произвели соответствующие расчеты усилителя и получили ожидаемое усиление.
10. Список использованной
1. Электронные
усилители. Методическая разработка
для выполнения контрольных
2. Мурадян А.Г., Разумихин В.М., Творецкий М.С. Усилительные устройства. – М.: Связь, 1976.
3. Цыкина А.В. Усилители. Учебное пособие. – М.: Радио и связь, 1982.
4. Основные правила выполнения схем и графиков. – М.: Связь, 1976.
5. Дипломное проектирование. Методические указания для дипломного проектирования. – М.: Радио и связь, 1983.
6. Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Москва 2002.
