2001
Реферат
ВЫСОКАЯ ЧАСТОТА (ВЧ), НИЗКАЯ ЧАСТОТА (НЧ), КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (КУ), КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ (КЦ),АПЛИТУДНОЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (АЧХ).
Целью данной работы является усвоение методики расчета аналоговых
усилительных устройств.
В данной работе производился расчет широкополосного усилителя с наклоном АЧХ для корректирования входного сигнала.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0, (представлена на дискете).
Техническое задание
Тема проэкта: широкополосный усилитель-корректор
1.Диапазон частот от 20МГц до 400МГц
2.Допустимые частотные искажения в области НЧ 3дБ, в ВЧ 3 дБ
3.Источник входного сигнала 50 Ом
4.Амплитуда напряжения на выходе 3В
5.Характер и величина нагрузки 50 Ом
6.Условия эксплуатации +10-+60 С
7. Дополнительные требования: С ростом частоты коэфициент усиления должен возрастать с подъемом с 30дБ до 33дБ
Содержание
1.Введение......................................................................................…5
2.Определение числа каскадов ........................................................6
3.Распределение искажений в области высоких частот.................6
4 Расчет оконечного каскада.......................................................…..6
4.1 Расчет рабочей точки...........................................................….6
4.2 Выбор транзистора……………………………………........…7
4.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора.........................….8
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации.....….............…9
4.5 расчет элементов высокочастотной коррекции..…......…....12
5 Расчёт предоконечного каскада…………………………...….….15
6 Расчёт входного каскада……………………………….......……..16
7 Расчет блокировочных и разделительных емкостей.…….……..19
8 Техническая документация…………………………………….…21
9 Заключение…………………………………………….………..…23
10 Литература………………………………………………………..24
1.Введение
В данной курсовой работе требуется рассчитать корректирующий усилитель с подъёмом амплитудно-частотной характеристики. Необходимость усиливать сигнал, возникает из-за того, что достаточно велики потери в кабеле. К тому же потери значительно возрастают с ростом частоты.
Для того, чтобы компенсировать эти потери сигнал после приёма предварительно усиливают, а затем направляют далее по кабелю. При этом усилитель должен иметь подъём АЧХ в области высоких частот. В данной работе требовалось обеспечить подъём равный 3дБ на октаву.
При проектировании усилителя основной трудностью является обеспечение заданного усиления в рабочей полосе частот. В данном случае полоса частот составляет 20-400 МГц
Для реализации широкополосных усилительных каскадов с заданным подъёмом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) предпочтительным является использование диссипативной корректирующей цепи четвертого порядка [1].
2 Определение числа каскадов
Для обеспечения заданного коэффициента усиления равного 30 дБ при коэффициенте усиления транзистора около 10дБ, примем число каскадов усилителя равное 3.
3 Распределение искажений в области высоких частот
Рассчитывая усилитель будем исходить из того, что искажения вносимые корректирующими цепями каскадов не превышают 1,5 дБ, а искажения вносимые выходной корректирующей цепью не превышают 1 дБ, тогда искажения вносимые усилителем не превысят 2,5 дБ.
4 Расчет оконечного каскада
4.1 Расчет рабочей точки
Рассчитаем рабочую точку транзистора для резистивного и дроссельного каскада используя формулы:
EMBED Equation.3 , (4.1)
где EMBED Equation.3 амплитуда напряжения на выходе усилителя, EMBED Equation.3 сопротивление нагрузки.
EMBED Equation.3 Вт;
EMBED Equation.3 ; (4.2)
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 , (4.3)
где EMBED Equation.3 ток рабочей точки
EMBED Equation.3 А для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 А ;
EMBED Equation.3 А для дроссельного каскада;
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 , (4.4)
где EMBED Equation.3 напряжение рабочей точки, а EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 ; (4.5)
EMBED Equation.3 - Вт рассеиваемая мощность для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 - Вт рассеиваемая мощность для дроссельного каскада;
EMBED Equation.3 , (4.6)
где EMBED Equation.3 напряжение питания каскада;
EMBED Equation.3 В - для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 В - для дроссельного каскада;
EMBED Equation.3 ; (4.7)
EMBED Equation.3 Вт - для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 Вт - для дроссельного каскада.
Принципиальная схема резистивного каскада представлена на рисунке 4.1.1,а эквивалентная схема по переменному току на рисунке 4.1.1,б, дроссельного каскада на рисунке 4.1.2,а и его эквивалентная схема по переменному току на рисунке 4.1.2,б.
а) б)
Рисунок 4.1.1
а) б)
Рисунок 4.1.2
Здесь EMBED Equation.3 сопротивление нагрузки, EMBED Equation.3 разделительная емкость.
Результаты вычислений:
4.2 Выбор транзистора. Нагрузочные прямые
При выборе транзистора нужно учесть предельные значения транзистора EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 А для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 А для дроссельного каскада;
EMBED Equation.3 Вт для резистивного каскада;
EMBED Equation.3 Вт для дроссельного каскада;
EMBED Equation.3 Ггц.
Свой выбор остановим на транзисторе КТ939А предельные допустимые значения которого полностью отвечают вышеуказанным требованиям.
Необходимые справочные данные транзистора КТ939А [2].
EMBED Equation.3 =18 В , EMBED Equation.3 =0,4 А , EMBED Equation.3 =4 Вт , EMBED Equation.3 =3060 МГц, EMBED Equation.3 =4,6 пс , EMBED Equation.3 =6,04 пФ при EMBED Equation.3 =5 В , EMBED Equation.3 =113, EMBED Equation.3 нГн, EMBED Equation.3 нГн.
Построим нагрузочные прямые для двух описанных выше каскадов.
а) б)
Рисунок 4.2
Исходя из вышеуказанных результатов вычислений, целесообразней всего применять дроссельный каскад, так как при использовании дроссельного каскада меньше напряжение питания, рассеиваемая мощность, а также потребляемая мощность (что очень существенно).
4.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора
EMBED Word.Picture.8 Lвх Расчет каскада основан на применении эквивалентной схемы замещения транзистора [3] рисунок 4.3.1,а ,а также однонаправленной схемы замещения[4] рисунок 4.3.1,б.
а) б)
Рисунок 4.3.1
Здесь EMBED Equation.3 проводимость базы
EMBED Equation.3 , (4.8)
где EMBED Equation.3 постоянная времени цепи обратной связи (табличное значение), EMBED Equation.3 ёмкость коллекторного перехода (табличное значение), EMBED Equation.3 проводимость база-эмиттер
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 , (4.9)
где EMBED Equation.3 сопротивление эмиттера
EMBED Equation.3 , (4.10)
где EMBED Equation.3 ток рабочей точки, EMBED Equation.3 статический коэффициент передачи тока с общим эмиттером.
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 , (4.11)
где EMBED Equation.3 граничная частота транзистора.
EMBED Equation.3 пФ;
EMBED Equation.3 входная индуктивность,
где EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 индуктивность базового и эмиттерного выводов соответственно;
EMBED Equation.3 нГн;
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 выходное сопротивление транзистора
EMBED Equation.3 , (4.12)
где EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 допустимые параметры транзистора.
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 .
В расчете также используется параметр EMBED Equation.3 , (4.13)
где EMBED Equation.3 верхняя частота усилителя;
EMBED Equation.3 .
4.4 Расчет цепей питания и выбор схемы термостабилизации
Рассмотрим три варианта схем термостабилизации: эмиттерную, пассивную коллекторную и активную коллекторную и произведем для них расчет. Схема эмиттерной термостабилизации представлена на рисунке 4.4.1.
Рисунок 4.4.1
Здесь EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 задают смещение напряжения на базе транзистора, EMBED Equation.3 элемент термостабилизации, EMBED Equation.3 шунтирует EMBED Equation.3 по переменному току.
EMBED Equation.3 , (4.14)
где EMBED Equation.3 падение напряжения на резисторе EMBED Equation.3 примем EMBED Equation.3 =4 В.
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 ; (4.15)
EMBED Equation.3 В,
EMBED Equation.3 ; (4.16)
EMBED Equation.3 ; (4.17)
где EMBED Equation.3 ток базового делителя;
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 ; (4.18)
EMBED Equation.3 мкГн.
Схема пассивной коллекторной термостабилизации представлена на рисунке 4.4.2.
Рисунок 4.4.2
Здесь EMBED Equation.3 осуществляет смещение напряжения, а также используется в качестве элемента термостабилизации.
Примем EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 , (4.19)
где EMBED Equation.3 ; (4.20)
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 КОм;
EMBED Equation.3 ; (4.21)
EMBED Equation.3 8,3 В.
Рассмотрим схему активной коллекторной термостабилизации [5].
Рисунок 4.4.3
В данной схеме транзистор VT2 используется в качестве элемента термостабилизации. Ток коллектора VT2 является базовым током смещения. Здесь EMBED Equation.3,EMBED Equation.3-базовый делитель для транзистора VT2, EMBED Equation.3предотвращает генерацию в каскаде.
EMBED Equation.3>1 В,
примем EMBED Equation.3=1 В;
EMBED Equation.3; (4.22)
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 ; (4.23)
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3, (4.24)
где EMBED Equation.3 ток коллектора транзистора VT1, EMBED Equation.3 статический коэффициент передачи тока с общим эмиттером транзистора VT1 EMBED Equation.3-ток базового смещения транзистора VT1.
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3, (4.25)
где EMBED Equation.3- ток коллектора транзистора VT2.
EMBED Equation.3, (4.26)
где EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 -напряжения рабочей точки транзистора VT1 и VT2.
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 ; (4.27)
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 ; (4.28)
EMBED Equation.3 ; (4.29)
где EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 Ом.
Для данного каскада схема эмиттерной термостабилизации более приемлема, чем остальные. Во-первых, она обеспечивает высокую стабильность, во-вторых, она легко реализуема, так как содержит малое количества элементов, в-третьих, эта схема применяется для маломощных каскадов.
4.5 Расчет элементов высокочастотной коррекции
Так как нужно реализовать усилитель с подъемом АЧХ, то необходимо применение диссипативной межкаскадной корректирующей цепи четвёртого порядка [1]. Принципиальная схема усилителя с межкаскадной корректирующей цепью четвертого порядка приведена на рисунке 4.5.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 4.5.1,б.
EMBED Word.Picture.8 а) б)
Рисунок 4.5.1
Коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2 в области верхних частот можно описать выражением:
EMBED Equation.2 , (4.30)
где EMBED Equation.2 ,коэффициент усиления каскада (4.31)
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
RВХН –нормированное входное сопротивление транзистора VT2; EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 ,
EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 – нормированные относительно EMBED Equation.2 и EMBED Equation.2 значения элементов L1, R2, C3, C4, L5, соответствующие преобразованной схеме КЦ, в которой значение СВХ2 равно бесконечности; СВЫХ1 – выходная емкость транзистора T1; EMBED Equation.2 ; EMBED Equation.2 – нормированная частота; EMBED Equation.2 – текущая круговая частота; EMBED Equation.2 – высшая круговая частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя. Для расчета элементов корректирующей цепи нужно воспользоваться таблицей 9.1 приведенной в [5]. Оконечный каскад реализуем с подъёмом в 3дБ, а предоконечный и выходной с подъёмом в 0 дБ искажения каждого EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 дБ. Так как для расчета требуется знать EMBED Equation.2 транзистора VT2 то нужно сделать выбор транзистора предоконечного каскада. Свой выбор остановим на транзисторе КТ939А. Сопротивление выхода этого транзистора нам известно
Для расчета элементов воспользуемся формулами:
EMBED Equation.2 ; (4.32)
С помощью таблицы получены следующие нормированные значения элементов.
EMBED Equation.2 =1,68, EMBED Equation.2 =0,842, EMBED Equation.2 ,=4,99, EMBED Equation.2 =4,62, EMBED Equation.2 =0,234.
EMBED Equation.2 ,
EMBED Equation.2 ; (4.33)
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
Денормируя полученные значения, определим:
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =57 нГн;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =71,5 Ом;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =18 пФ;
EMBED Equation.2 =8,3 пФ;
EMBED Equation.2 =13 нГн.
В усилительных каскадах расширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности в резисторах корректирующих цепей (КЦ) либо цепей обратной связи. От выходных каскадов усилителей требуется, как правило, получение максимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно, что для выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве VT1 EMBED Word.Picture.8 выходной КЦ. Схема включения выходной КЦ приведена на рисунке 4.5.2.
EMBED Word.Picture.8 а) б)
Рисунок 4.5.2
Использование фильтра нижних частот в качестве выходной КЦ при одновременном расчете элементов L1, C1 по методике Фано позволяет обеспечить минимально возможное, соответствующее заданным CВЫХ и fB, значение максимальной величины модуля коэффициента отражения EMBED Equation.2 в полосе частот от нуля до fB.
Находим коэффициент EMBED Equation.3 по формуле:
EMBED Equation.3 ; (4.34)
EMBED Equation.3 ;
Далее находим по таблице 7.1 приведённой в [1] значения EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , соответствующие коэффициенту EMBED Equation.3 : EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 , EMBED Equation.2 . Истинные значения элементов рассчитываются по формулам:
EMBED Equation.2 ; (4.35)
EMBED Equation.2 .
5 Расчет предоконечного каскада
Расчет рабочей точки предоконечного каскада производится по тем же формулам что и оконечный, только ток рабочей точки вычисляется по формуле
EMBED Equation.3 , (5.1)
где EMBED Equation.3 -ток рабочей точки выходного каскада, а EMBED Equation.3 -коэффициент усиления выходного каскада,
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 мВт.
Произведем расчет схем замещения по формулам (4.8-4.13).
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 пФ;
EMBED Equation.3 Ом.
Произведем расчет схемы термостабилизации и цепи питания. В этом каскаде также применена эмиттерная термостабилизация. Для расчета используем формулы (4.14-4.18).
EMBED Equation.3 =4 В;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 Ом.
Для расчета межкаскадной корректирующей цепи четвертого порядка выберем транзистор входного каскада. В входном каскаде используется транзистор КТ939А. Данные из таблицы для каскада с подъемом в 0 дБ с искажением EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 дБ. Для расчета используем формулы (4.30-4.33).
EMBED Equation.2 =2,22, EMBED Equation.2 =1,11, EMBED Equation.2 ,=5,23, EMBED Equation.2 =3,69, EMBED Equation.2 =0,291;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
Денормируя полученные значения, определим:
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =75нГн;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =94,3 Ом;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =18 пФ;
EMBED Equation.2 =6,1 пФ;
EMBED Equation.2 =16,1 нГн;
EMBED Equation.3 мкГн.
EMBED Word.Picture.8 На рисунке 5.1 представлена электрическая схема каскада.
Рисунок 5.1
6 Расчет входного каскада.
Расчет выходного каскада производится по тем же формулам что и оконечный.
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 мВт.
В данном каскаде используется транзистор КТ939А.
Расчет эквивалентных схем замещения произведем по формулам (4.8-4.13):
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 См;
EMBED Equation.3 пФ;
EMBED Equation.3 Ом.
Произведем расчет схемы термостабилизации и цепи питания. В этом каскаде применена эмиттерная термостабилизация. Для расчета используем формулы (4.14-4.18).
EMBED Equation.3 =4 В;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 В;
EMBED Equation.3 А;
EMBED Equation.3 Ом;
EMBED Equation.3 Ом.
Расчет входной корректирующей цепи четвертого порядка.
Данный расчет отличается отсутствием выходной емкости источника сигнала поэтому расчет упрощается. Для расчета используем формулы (4.30-4.33). Данные из таблицы для каскада с подъемом в 0 дБ с искажением EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 дБ
EMBED Equation.2 =2,22, EMBED Equation.2 =1,11, EMBED Equation.2 ,=5,23, EMBED Equation.2 =3,69, EMBED Equation.2 =0,291.
EMBED Equation.2 ,
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2 ;
Денормируя полученные значения, определим:
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =44нГн;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =55,5 Ом;
EMBED Equation.2 = EMBED Equation.2 =41,6 пФ;
EMBED Equation.2 =29 пФ;
EMBED Equation.2 =5,8 нГн;
EMBED Equation.3 мкГн.
Uвх На рисунке 6.1 представлена электрическая схема каскада.
Рисунок 6.1
7 Расчет разделительных и блокировочных ёмкостей
Рассчитаем максимальные искажения, вносимые разделительными и блокировочными ёмкостями в области низких частот. Так как значение искажений задано 1,5 дБ то на разделительные и блокировочные ёмкости должно приходится искажений по 0,75 дБ. Рассчитаем искажения приходящуюся на каждую ёмкость и переведём эти значения в разы.
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 ;
Рассчитаем разделительные ёмкости по формуле [3]:
EMBED Equation.2 , (7.1)
где EMBED Equation.3 нижняя граничная круговая частота, EMBED Equation.3 выходное сопротивление источника сигнала, EMBED Equation.3 входное сопротивление приемника.
EMBED Equation.2 пФ;
EMBED Equation.2 пФ;
EMBED Equation.2 пФ;
Произведем расчет блокировочных емкостей по формуле [3]:
EMBED Equation.2 , (7.2)
где EMBED Equation.3 крутизна транзистора, EMBED Equation.3 сопротивление термостабилизации.
EMBED Equation.2 ,
где
EMBED Equation.2 ;
EMBED Equation.2 мА/в;
EMBED Equation.2 мА/в;
EMBED Equation.2 мА/в;
EMBED Equation.2 мА/в;
EMBED Equation.2 нФ;
EMBED Equation.2 нФ;
EMBED Equation.2 нФ.
Для уменьшения искажений последовательно с разделительной емкостью включим дополнительное сопротивление параллельно емкости EMBED Equation.2 корректирующей цепи каскада. Дополнительное сопротивление высчитывается по формуле:
EMBED Equation.2 , (7.3)
где EMBED Equation.3 сопротивление нагрузки для оконечного каскада и сопротивление EMBED Equation.2 для остальных каскадов.
EMBED Equation.2 Ом;
EMBED Equation.2 Ом;
EMBED Equation.2 Ом.
Так же включим EMBED Equation.2 последовательно с сопротивлением цепи коррекции EMBED Equation.2 со стороны земли. Дополнительную емкость включим только к оконечному и предоконечному каскаду:
EMBED Equation.2 ; (7.4)
EMBED Equation.2 пФ.
EMBED Equation.2 нФ;
