Широкополосный усилитель

Задание № 1

на курсовое проектирование по дисциплине «Схемотехника АЭУ»

1. Тема проекта: Широкополосный  усилитель

2. Назначение усилителя: работа  в 50-ти омном тракте передачи установки измерения частотных    

    параметров аналоговых ИМС.

3. Исходные данные:

• диапазон рабочих частот по уровню частотных искажений 3дБ 10кГц – 25МГц;
• источник входного сигнала: Е_ист=(10÷1000)мВ;
• уровень выходного сигнала при К_г≤10%, не менее 3В;
• регулировка усиления: обосновать необходимость;
• условия эксплуатации: температура окружающей среды ;

4. Содержание пояснительной записки:

• реферат;
• введение, постановка задачи;
• выбор и обоснование структурной схемы устройства;
• составление и расчет электрической схемы устройства;
• расчет результирующих характеристик;
• выводы и рекомендации к применению;
• список использованных источников.

5. Обязательные чертежи:

• амплитудно-частотная характеристика;
• схема электрическая принципиальная;
• перечень элементов.

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………………………   4
2. Расчет структурной схемы усилителя…………………………………………………………    5
1. Определение числа каскадов усилителя…………………………………………………     5
2. Распределение искажений по каскадам……………………………………………………  5
3. Расчет оконечного каскада………………………………………………………………………  5
1. Выбор транзистора …………………………………………………………………………   6
2. Расчет требуемого режима транзистора …………………………………………………     6
3. Расчет эквивалентных параметров транзистора …………………………………………    6
4. Расчет цепей питания и термостабилизации ……………………………………………     7
5. Расчет основных характеристик выходного каскада в области

Верхних частот ……………………………………………………………………………      7

4. Расчет предварительных каскадов ……………………………………………………………      8
1. Расчет промежуточных каскадов ………………………………………………………….   10
2. Расчет входного каскада ……………………………………………………………………   10
5. Расчет усилителя в области нижних частот ……………………………………………………   13
6. Расчет регулировок усиления ……………………………………………………………………  16
7. Заключение ……………………………………………………………………………………….   17

Список используемых источников …………………………………………………………………   18

РТФ КП.468731.001.ПЭЗ. Схема  электрическая принципиальная ………………………………..  19

РТФ КП.468731.001.ПЭЗ. Перечень элементов …………………………………………………….. 20

Изм

Лист

№ докум.

Подпись1

Дата

Разраб.

УСИЛИТЕЛЬ

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Н.контр.

Утв.

1. Введение

Целью данной работы является расчет широкополосного трехкаскадного усилителя, предназначенного для работы в согласованном  50-ти омном тракте передачи, а так  же приобретение практических навыков по расчету многокаскадных усилителей.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись1

Дата

1

2. РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

2.1 Определение числа  каскадов

Для многокаскадного усилителя  коэффициент усиления, с учетом коэффициента передачи входной цепи, определяется как:

            Полагая, что все каскады одинаковые  с коэффициентом усиления 20дВ, имеем:

           Т.  о. разрабатываемый широкополосный усилитель будет состоять из трех каскадов.

2.2.  Распределение  искажений по каскадам

Для многокаскадного широкополосного  усилителя коэффициент частотных  искажений в области верхних  частот:

Предварительно распределить искажения можно равномерно:

Частотные искажения в области  нижних частот:

где N-количество элементов, вносящих искажения на НЧ

Расчет частотных искажений  на НЧ производят на этапе расчета номиналов элементов схемы (блокировочные, разделительные, межкаскадные конденсаторы).

Лист

5

3. РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО  КАСКАДА

3.1. Выбор транзистора

Выбор транзистора осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

- граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

- предельно допустимого напряжения  коллектор-эмиттер:

- предельно допустимого тока  коллектора (при согласованном выходе):

Учтя заданные значения:

можем подобрать ВЧ или СВЧ транзистор.

По параметрам подойдет кремниевый биполярный n-р-n транзистор средней мощности сверхвысокой частоты КТ610А.

3.2.  Расчет требуемого  режима транзистора

Сопротивление в цепи коллектора, в случае с низкоомной нагрузкой:

Падение напряжения на R_э (либо на R_э+R_ос):

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

Определим требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10% запас с учетом возможной  его термонестабильности):

Определим напряжение коллектор-эмиттер  в рабочей точке (U_н - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора (1-2В)):

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе

Падение напряжения на R_к:

Требуемое значение напряжения источника  питания Е_к равно:

Данное значение напряжения источника питания соответствует рекомендованному ряду.

Лист

6

3. Расчет эквивалентных параметров транзистора

Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим  образом:

3.4. Расчет цепей питания и  термостабилизации

Проведем расчет схемы с эмиттерной термостабилизацией. Потенциал в точке а:

где U_бэ0 – напряжение база эмиттер в рабочей точке,  U_бэ0=0.7В

Ток делителя, образованного резисторами R_б1и R_б2:

I_д=(3…10)I_б0,

где I_б0 – ток базы в рабочей точке:

Тогда ток делителя:

Определим номиналы резисторов R_Э, R_б1, R_б2:

          Оценим  результирующий уход тока покоя  транзистора в заданном диапазоне  температуры окружающей среды.

Приращение  тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:

где - приращение напряжения U_бэ0, равное:

где - температурный коэффициент (ТНК)

,

  - разность между температурой коллекторного перехода Т_сред и справочным значением этой температуры Т_спр (обычно 25):

Лист

7

где Р_к – мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме,

       R_Т – тепловое сопротивление «переход-среда»:

Расчет:

Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора :

,

где приращение обратного тока коллектора:

 Определяем приращение коллекторного  тока, вызванного изменением Н_21Э:

Общий уход коллекторного тока транзистора:

3.5.  Расчет основных  характеристик выходного каскада

в области верхних  частот (малых времен)

Коэффициент усиления каскада в  области средних частот:

Лист

81

Ожидаемое значение постоянной:

Определим глубину ООС по току:

Крутизна  усиления транзистора с учетом ООС  равна:

Тогда значение коэффициента усиления и постоянной времени каскада  в области ВЧ с учетом ООС:

Определяем входные параметры  каскада:

Лист

91

4. РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ  КАСКАДОВ

4.1. Расчет промежуточного  каскада

Так как выходной каскад имеет большую  входную динамическую емкость, в  качестве промежуточ-ного каскада используем каскад по схеме с общим коллектором.

Исходными данными для проектирования промежуточного каскада являются:

- требуемый коэффициент усиления;

- максимально допустимый коэффициент  частотных искажений М_в;

- максимальное  выходное напряжение сигнала U _{вых мах};

- величина  и характер нагрузки.

Оценим  значение U _{вых мах}:

Для предварительного каскада выберем транзистор КТ 315Г.

Сопротивление в цепи коллектора примем равным сопротивлению нагрузки, т. е.

Падение напряжения на R_э (либо на R_э+R_ос):

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

Определим требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10% запас с учетом возможной его термонестабильности):

Неверно!  I_к0³4.9мА, просчитайте!

Определим напряжение коллектор-эмиттер  в рабочей точке (U_н - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора (1-2В)):

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе

А Р_{к мах}=150мВт, см.  спр. данные, но при I_к0³4.9мА все будет в норме.

Далее следует пересчитать все параметры каскада для I_к0³4.9мА»5мА.

Падение напряжения на R_к:

Требуемое значение напряжения источника  питания Е_к равно:

Лист

101

Глубина последовательной ООС по напряжению:

Проведем  расчет схемы с эмиттерной термостабилизацией. Потенциал в точке а:

где U_бэ0 – напряжение база эмиттер в рабочей точке,  U_бэ0=0.7В

Ток делителя, образованного резисторами R_б1и R_б2:

I_д=(3…10)I_б0,

где I_б0 – ток базы в рабочей точке:

Тогда ток делителя:

Определим номиналы резисторов R_Э, R_б1, R_б2:

          Оценим  результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температуры окружающей среды.

Приращение  тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:

где - приращение напряжения U_бэ0, равное:

где - температурный коэффициент (ТНК)

,

       - разность между температурой коллекторного перехода Т_сред и справочным значением этой температуры Т_спр (обычно 25):

где Р_к – мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме,

       R_Т – тепловое сопротивление «переход-среда»:

Расчет:

Лист

111

Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора :

,

где приращение обратного тока коллектора:

 Определяем приращение коллекторного  тока, вызванного изменением Н_21Э:

Общий уход коллекторного тока транзистора:

Расчет основных характеристик  промежуточного каскада

в области верхних частот (малых  времен)

Коэффициент усиления каскада в  области средних частот:

Тогда значение коэффициента усиления и постоянной времени каскада в области ВЧ:

Лист

121

4.2. Расчет входного каскада

Входной каскад – каскад на БТ по схеме  с общим эмиттером.

Оценим значение U _{вых мах}:

где К₀ – коэффициент усиления следующего каскада в области ВЧ.

Для предварительного каскада выберем транзистор КТ 315Г.

Сопротивление в цепи коллектора примем равным сопротивлению нагрузки, т. е.

Падение напряжения на R_э (либо на R_э+R_ос):

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

Определим требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10% запас с учетом возможной его термонестабильности):

Определим напряжение коллектор-эмиттер  в рабочей точке (U_н - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора (1-2В)):

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе

Падение напряжения на R_к:

Требуемое значение напряжения источника  питания Е_к равно:

Т.е больше, чем у оконечного каскада, примените дроссель!

Проведем расчет схемы с эмиттерной термостабилизацией. Потенциал в  точке а:

где U_бэ0 – напряжение база эмиттер в рабочей точке,  U_бэ0=0.7В

Ток делителя, образованного резисторами R_б1и R_б2:

I_д=(3…10)I_б0,

где I_б0 – ток базы в рабочей точке:

Лист

131

Тогда ток делителя:

Определим номиналы резисторов R_Э, R_б1, R_б2:

          Оценим  результирующий уход тока покоя  транзистора в заданном диапазоне  температуры окружающей среды.

Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора :

,

где приращение обратного тока коллектора:

 Определяем приращение коллекторного  тока, вызванного изменением Н_21Э:

Общий уход коллекторного тока транзистора:

Лист

141

Расчет основных характеристик  входного каскада

в области верхних частот (малых  времен)

Коэффициент усиления каскада в области средних частот:

Определим глубину ООС по току:

Тогда значение коэффициента усиления и постоянной времени каскада  в области ВЧ с учетом ООС:

Определяем входные параметры  каскада:

5. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ В ОБЛАСТИ  НИЖНИХ ЧАСТОТ

        Нижняя граничная  частота усилителя определяется  влиянием разделительных и блокировочных  емкостей. 

        Требуемое  значение постоянной времени для разделительных и блокировочных цепей определяется из соотношений:

где  - доля частотных искажений в области низких частот, распределенных на разделительные и блокировочные конденсаторы.

        Номинал разделительных емкостей  определим из соотношения:

где - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от разделительного конденсатора, 

      - эквивалентное сопротивление, стоящее справа от разделительного конденсатора.

        Номинал блокировочных емкостей  в цепях эмиттеров приближенно  определяется как:

        Номиналы фильтрующей  цепи определяются из следующих соотношений:

Лист

151

6. РАСЧЕТ РЕГУЛИРОВОК  УСИЛЕНИЯ

С целью предотвращения перегрузки каскадов вводят возможность управления коэффициентом усиления. Эффективность  регулировки оценивается ее глубиной. В нашем случае:

Поскольку усилитель предназначен для работы в согласованном тракте передачи, то в качестве регулировки  применим ступенчатый регулятор  на основе симметричных  аттенюаторов П-типа.

         Регулятор,  в данном случае, представляет  собой три симметричных аттенюатора  П-типа по 10дБ каждый и плавный  регулятор коэффициента усиления  на 10дБ.

Расчет  номиналов резисторов регулятора:

Величина  регулировочного резистора (плавная регулировка):

Номиналы резисторов ступенчатого регулятора:

Лист

161

Заключение

           В  результате проделанной работы  был рассчитан трехкаскадный  широкополосный усилитель с полосой рабочих частот 10кГц-25МГц, коэффициентом передачи по напряжению порядка 60дБ и уровнем выходного сигнала 4В. Данный усилитель предназначен для работы в 50-ти омном тракте передачи. Характеристики полученного усилителя проверены с помощью пакета Electronic Workbench 5.0.

Лист

171

Список используемых источников

2. «Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА» Справочник , Акимов Н. Н., Ващуков Е. П.,

Лист

181

Изм

Лист

№ докум.

Подпись1

Дата

Разраб.

УСИЛИТЕЛЬ

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ

Схема электрическая принципиальная

Лит.

Лист

Листов

Пров.

1

1

±10%

Н.контр.

Утв.

Поз.

обозначение

Наименование

Кол.

Примечание

Конденсаторы

С1

К10-47-50В-150nФ±5%  ОЖО.464.107 ТУ

1

С2, С6

К10-47-50В-75nФ±5%   ОЖО.464.107 ТУ

2

С3

К10-47-50В-47nФ±2%   ОЖО.464.107 ТУ

1

С4, С5, С8

К10-47-50В-300мкФ±5%   ОЖО.464.107 ТУ

3

С7

К10-47-50В-220nФ±5%   ОЖО.464.107 ТУ

1

Резисторы

R1

МЛТ-0.125 – 6.8кОм±10% ГОСТ 7113-77

1

R2

МЛТ-0.125 – 220кОм±10% ГОСТ 7113-77

1

R3, R5

МЛТ-0.125 – 680Ом±10% ГОСТ 7113-77

2

R4

МЛТ-0.125 – 270Ом±10% ГОСТ 7113-77

1

R6

МЛТ-0.125 – 300Ом±10% ГОСТ 7113-77

1

R7

МЛТ-0.125 – 3кОм±10% ГОСТ 7113-77

1

R8

МЛТ-0.125 – 750Ом±10% ГОСТ 7113-77

1

R9

МЛТ-0.125 – 2.2кОм±10% ГОСТ 7113-77

1

R10

МЛТ-0.125 – 220Ом±10% ГОСТ 7113-77

1

R11

МЛТ-0.125 – 2.2кОм±10% ГОСТ 7113-77

1

R12, R13

МЛТ-0.125 – 5.1Ом±10% ГОСТ 7113-77

2

R14

МЛТ-0.125 – 150Ом±10% ГОСТ 7113-77

1

R15, R17, R18, R20, R21, R23

МЛТ-0.125 – 3.6кОм±10% ГОСТ 7113-77

6

R16, R19, R22

МЛТ-0.125 – 75Ом±10% ГОСТ 7113-77

3

Приборы полупроводниковые

VT1, VT2

Транзистор КТ315Г

2

VT3

Транзистор КТ610А

1

Разъёмы высокочастотные

XW1, XW2, XW5

СР-50-73Ф

3

XW3, XW4

СР-50-74П

2

Переключатели

SA1, SA2, SA3

МТ3-1 КЛМ.321.876 ТУ

2

Изм

Лист

№ докум.

Подпись1

Дата

Разраб.

УСИЛИТЕЛЬ

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ

Перечень элементов

Лит.

Лист

Листов

Пров.

1

1

Н.контр.

Утв.