Широкосмуговий підсилювач

Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни "Схемотехніка аналогових пристроїв"

Студент гр. 180 Т. А. Сізіков

Міністерство освіти Російської Федерації

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)

Кафедра радіоелектроніки та захисту інформації (РЗИ)

РТФ КП 468714.001 ПЗ

2003

Реферат

Курсовий проект 48 стор, 1 табл., 20 рис., 8 іст.

Широкосмуговий підсилювач, РОБОЧА ТОЧКА, дросельна КАСКАД, вхідні ланцюг, навантажувальні прямі, термостабілізації, емітерний КОРЕКЦІЯ, односпрямовані Модель транзистора, Еквівалентна схема Джіаколетто.

Об'єктом розробки є широкосмуговий підсилювач.

Мета даної роботи - придбання практичних навичок у розрахунку підсилювачів на прикладі конкретного завдання.

У процесі роботи проводився аналіз різних схем реалізації підсилювального пристрою, розрахунок його параметрів і елементів. У результаті була розроблена схема підсилювача, що відповідає вимогам технічного завдання.

Пояснювальна записка виконана в текстовому редакторі Microsoft World 2000, а малюнки в графічному редакторі Paint Brush.

Технічне завдання

Підсилювач повинен відповідати наступним вимогам:

1 Робоча смуга частот: 0,8-30 МГц

2 Допустимі частотні спотворення

в області нижніх частот не більше 1,5 дБ

в області верхніх частот не більше 3 дБ

3 Коефіцієнт посилення 30 дБ

4 Амплітуда вихідного сигналу Uвих = 8В

5 Діапазон робочих температур: від +25 до +50 градусів Цельсія

6 Опір джерела сигналу і навантаження Rг = Rн = 50 Ом

Зміст

1 Введеніе5

2 Структурна схема усілітеля6

2.1 Визначення числа каскадов6

3 Розподіл спотворень АЧХ6

4 Розрахунок вихідного каскада7

4.1 Розрахунок робочої точкі7

4.1.1 Розрахунок робочої точки для резистивного каскада7

4.1.2 Розрахунок робочої точки для дросельного каскада11

4.2 Вибір транзистора вихідного каскада13

4.3 Розрахунок еквівалентних схем транзістора14

4.3.1 Розрахунок схеми Джіаколетто14

4.3.2 Розрахунок високочастотної односпрямованої моделі17

4.4 Розрахунок ланцюгів термостабілізаціі18

4.4.1 емітерна термостабілізація18

4.4.2 Пасивна колекторна термостабілізація20

4.4.3 Активна колекторна термостабілізація21

4.5 Розрахунок некорректірованного каскада24

4.5.1 Аналіз каскаду в області верхніх частот24

4.5.2 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний цепью27

4.6 Розрахунок елементів емітерний коррекціі29

5 Розрахунок вхідного каскада32

5.1 Розрахунок робочої точкі32

5.2 Вибір транзистора вхідного каскада33

5.3 Розрахунок еквівалентних схем транзістора33

5.4 Розрахунок схеми термостабілізаціі34

5.5 Розрахунок не коректованого каскада35

5.6 Розрахунок елементів емітерний коррекціі36

5.7 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний цепью38

6 Розрахунок колекторних дроселів і розділових емкостей40

7 Амплітудно-частотна характеристика усілітеля43

8 Заключеніе45

Список використаних істочніков46

Схема електрична прінціпіальная47

Перелік елементов48

1 Введення

У даному курсовому проекті розраховується широкосмуговий підсилювач НВЧ. В даний час такі підсилювачі можуть застосовуватися в осциллографии, в дослідженнях проходження радіохвиль в різних середовищах, в тому числі проходження різних довжин хвиль в міських умовах. Також останнім часом вельми актуальне завдання пошуку і виявлення подслушівающе-передавальних пристроїв ("жучків"). Одним з основних вимог у даному випадку є забезпечення необхідного посилення прийнятого сигналу в широкій смузі частот. Але так як коефіцієнт посилення транзистора на високих частотах складає одиниці раз, то при створенні підсилювача необхідно застосовувати коригувальні ланцюги, що забезпечують максимально можливий коефіцієнт підсилення кожного каскаду підсилювача в заданій смузі частот.

2 Структурна схема підсилювача 2.1 Визначення числа каскадів

Так як на одному каскаді важко реалізувати посилення 30дБ, то для того, щоб забезпечити такий коефіцієнт посилення, використовуємо складання двох каскадів. Враховуючи, що вхідні ланцюг послаблює загальний коефіцієнт посилення всього підсилювача вважаємо, що кожен каскад в середньому дає посилення в 9 разів, або 19,085 дБ.

Структурна схема підсилювача, представлена ​​на малюнку 2.1, містить крім підсилювальних каскадів джерело сигналу і навантаження.

Рісунок2.1-Структурна схема підсилювача

3 Розподіл спотворень АЧХ

Виходячи з технічного завдання, пристрій повинен забезпечувати спотворення в області верхніх не більше 3дБ і в області нижніх частот не більше 1.5дБ. Оскільки використовується два каскади, то отримуємо, що кожен може вносити не більше 1.5дБ спотворень в загальну АЧХ. Так як найбільші спотворення в АЧХ підсилювача зазвичай вносить вхідні ланцюг, то розподілимо їх із запасом, тобто YB для кожного каскаду візьмемо по 0.5дБ а на вхідний ланцюг залишимо 2дБ.

Ці вимоги накладають обмеження на номінали елементів, вносять спотворення.

4 Розрахунок вихідного каскаду 4.1 Розрахунок робочої точки

Робочої точкою називаються струм і напруга на активному елементі при відсутності вхідного впливу.

Розглянемо дві схеми реалізації вихідного каскаду: резистивную і дросельну. Вибір тієї чи іншої схеми здійснимо на основі отриманих даних розрахунку. Критерій вибору - оптимальні енергетичні характеристики схеми.

4.1.1 Розрахунок робочої точки для резистивного каскаду

Принципова схема резистивного каскаду і еквівалентна схема по перемінному току представлені на малюнках 4.1, а і 4.1, б відповідно.

Малюнок 4.1, а - Принципова схема резистивного каскаду

Малюнок 4.1, б-Еквівалентна схема по змінному струмі

Опором по змінному струму для резистивного каскаду буде паралельне з'єднання опорів Rk і Rн (малюнок 4.1, б):

(4.1)

Приймаючи опір колекторному ланцюзі транзистора Rk рівним опору навантаження Rн (Rн = 50 Ом), згідно з формулою (4.1), отримуємо:

За відомим опору навантаження по змінному струмі і вихідною напругою можна знайти вихідний струм:

(4.2)

У результаті струм дорівнює:

Знаючи вихідна напруга і струм, визначимо координати робочої точки згідно наступними формулами:

, (4.3)

де Ікс - струм в робочій точці;

Iвих - вихідний струм;

Iост - залишковий струм, приймається рівним 0.1 * Iвих.

, (4.4)

де Uкео - напруга в робочій точці;

U вих - вихідна напруга;

Uнас - початкова напруга нелінійного ділянки вихідних

характеристик транзистора, вибирається від 1В до 2В.

Вважаючи Uнас = 1.5В, за формулами (4.3) і (4.4) знаходимо:

Напруга джерела живлення для схеми, представленої на рисунку 4.1, а, буде становити суму падінь напруг на опір Rк і транзисторі:

. (4.5)

Перепишемо вираз (4.5) в наступному вигляді:

. (4.6)

Вираз (4.6) є ні що інше, як рівняння прямої (у даному випадку струм Iкo є функцією аргументу Uкео), яка називається навантажувальної прямої по постійному струму. У межах цієї прямої і буде змінюватися робоча крапка.

Для проведення прямої виберемо дві точки з координатами (Еп, 0) і (0, Iкmax):

У сигнальному режимі будується навантажувальна пряма по змінному струму. Для побудови даної прямої задамося деяким приростом струму і відповідним збільшенням напруги, враховуючи, що в даному випадку опір навантаження буде визначатися виразом (4.1):

. (4.7)

Для спрощення розрахунків приймемо . Тоді після підстановки в вираз (4.7) числових значень отримуємо:

Навантажувальні прямі по постійному і змінному струмах представлені на малюнку 4.2.

Малюнок 4.2 - навантажувальні прямі для резистивного каскаду

Потужності, що розсіюється на транзисторі, споживана каскадом і вихідна, визначаються відповідно до наступних виразів:

, (4.8)

, (4.9)

. (4.10)

За формулами (4.8), (4.9) і (4.10) обчислюємо відповідні потужності:

Коефіцієнт корисної дії (ККД) розраховується за формулою

(4.11)

Підставляючи в (4.11) числові значення, отримуємо:

4.1.2 Розрахунок робочої точки для дросельного каскаду

На відміну від попереднього каскаду дросельний має в ланцюзі колектора замість опору Rк дросель Lдр.

Принципова схема дросельного каскаду і еквівалентна схема по перемінному току представлені на малюнках 4.3, а та 4.3, б відповідно.

Малюнок 4.3, а-Принципова схема дросельного каскаду

Малюнок 4.3, б-Еквівалентна схема по змінному струмі

Оскільки для сигналу дросель є холостим ходом, то в даному випадку опір навантаження по змінному струму буде дорівнює опору навантаження:

Розрахунок робочої точки проводиться за тими ж виразами, що і для попереднього каскаду.

За формулою (4.2) розрахуємо вихідний струм:

Тоді відповідно до виражень (4.3) і (4.4) робоча точка матиме наступні координати:

Так як дросель по постійному току є короткозамкненим провідником, то напруга живлення буде рівним падіння напруги на транзисторі:

Таким чином отримуємо всі необхідні дані для побудови навантажувальної прямої по постійному струму.

Для побудови навантажувальної прямої по змінному струму приймемо прирощення колекторного струму рівним струму в робочій точці:

Тоді відповідно до виразу (4.7) відповідне збільшення напруги дорівнюватиме:

Навантажувальні прямі по постійному і змінному струмах представлені на малюнку 4.4.

Малюнок 4.4-Навантажувальні прямі для дросельного каскаду

Потужності, що розсіюється на транзисторі, споживана каскадом і вихідна, аналогічно визначаються за виразами (4.8), (4.9) і (4.10):

Видно, що потужність розсіювання дорівнює споживаної.

За формулою (4.11) розрахуємо ККД дросельного каскаду:

Проведемо порівняльний аналіз двох схем. Енергетичні характеристики резистивного і дросельного каскадів представлені в таблиці 4.1.

Параметр	Еп, У	Ррас, Вт	Рпот, Вт	Ікс, мА	Uкео, У	h,%
Резистивний каскад	26.6	3.168	9.363	352	9	13.7
Дросельний каскад	9	1.584	1.584	176	9	40.4

Таблиця 4.1 - Енергетичні характеристики резистивного і дросельного каскадів

Порівнюючи енергетичні характеристики двох каскадів, можна зробити висновок, що краще взяти дросельний каскад, так як він має найменше споживання, напруга живлення і струм, а також більш високий ККД.

4.2 Вибір транзистора вихідного каскаду  

Вибір транзистора здійснюється за наступними граничних параметрів:

граничний допустимий струм колектора

; (4.12)

граничне допустиме напруження колектор-емітер

(4.13)

гранична потужність, що розсіюється на колекторі

; (4.14)

гранична частота підсилення транзистора по струму в схемі з ОЕ

. (4.15)

Вимогам (4.12), (4.13), (4.14) і (4.15) задовольняє транзистор КТ911А [3]. Основні технічні характеристики цього транзистора наведені нижче.

Електричні параметри:

-Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з ОЕ МГц;

-Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ ;

-Постійна часу ланцюга ГР при Uкб = 10В, IЕ = 30мА tос = 25пс

-Ємність колекторного переходу при У пФ.

Граничні експлуатаційні дані:

-Постійна напруга колектор-емітер В;

-Постійний струм колектора мА;

-Постійна розсіює потужність колектора Вт;

-Температура переходу .

4.3 Розрахунок еквівалентних схем транзистора 4.3.1 Розрахунок схеми Джиаколетто

Співвідношення для розрахунку підсилювальних каскадів засновані на використанні еквівалентної схеми транзистора, запропонованої Джиаколетто, справедливої ​​для області відносно низьких частот [4].

Еквівалентна схема Джиаколетто представлена ​​на малюнку 4.5.

Малюнок 4.5-Еквівалентна схема Джиаколетто

Знаючи паспортні дані транзистора, можна розрахувати елементи схеми, представленої на малюнку 4.5, згідно з такими формулами [4]:

Провідність бази обчислюємо за формулою

(4.16)

де Ск - ємність колекторного переходу;

- Постійна часу ланцюга зворотного зв'язку. (Паспортні дані, надалі - *)

У довідковій літературі значення і часто наводяться виміряними при різних значеннях напруги колектор-емітер . Тому при розрахунках значення слід перерахувати за формулою

(4.17, а)

де - Напруга , При якій відбувалося вимір ;

- Напруга , При якій відбувалося вимір .

Також слід перерахувати ємність колекторного переходу для напруги колектор-емітер, рівному напрузі в робочій точці:

(4.17, б)

Опір емітерного переходу розраховується за формулою

(4.18)

де Ікс - струм в робочій точці в міліамперах;

а = 3 - для планарних кремнієвих транзисторів,

а = 4 - для решти транзисторів.

Провідність переходу база-емітер розраховується за формулою

(4.19)

де - Опір емітерного переходу;

- Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ (*).

Ємність емітера розраховується за формулою

(4.20)

де fт - гранична частота коефіцієнта посилення струму бази (*).

Крутизна внутрішнього джерела розраховується за формулою

(4.21)

де - Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ПРО.

(4.22)

Провідності gБК і gi виявляються багато менше провідності навантаження підсилювальних каскадів, в розрахунках вони зазвичай не враховуються.

Підставляючи чисельні значення, за формулами (4.16) ¸ (4.22) проводимо розрахунок елементів схеми.

За формулами (4.17а) і (4.17б) перерахуємо ємність колектора для напруги, при якому виміряна постійна часу ланцюга зворотного зв'язку, а також для напруги, рівного напрузі в робочій точці:

За формулою (4.16) виробляємо розрахунок провідності бази:

За формулою (4.18) виробляємо розрахунок опору емітерного переходу:

Провідність база-емітер обчислюємо згідно з формулою (4.19):

За формулою (4.20) розраховуємо ємність емітера:

Крутизну внутрішнього джерела обчислюємо за формулами (4.21) і (4.22):

4.3.2 Розрахунок високочастотної односпрямованої моделі

Односпрямована модель справедлива в області частот більше , Де = ( - Гранична частота коефіцієнта передачі струму, - Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі із загальним емітером) [4].

Односпрямована модель транзистора представлена ​​на малюнку 4.6.

Малюнок 4.6 - Односпрямована модель транзистора

Елементи схеми заміщення, наведеної на малюнку 4.6, можуть бути розраховані за наступними емпіричними формулами [4].

Вхідний опір:

(4.24)

де - Опір бази у схемі Джиаколетто (див. рісунок.4.5).

Вихідний опір:

(4.25)

де UКЕМАХ - граничне значення напруги колектор-емітер (*);

IКМАХ - граничне значення постійного струму колектора (*).

Підставляючи у вираз (4.25) числові значення, отримуємо:

Вихідна ємність:

(4.26)

де СК - ємність колектора, розрахована відповідно до формули

(4.17, б)

4.4 Розрахунок ланцюгів термостабілізації

Існує кілька видів схем термостабілізації [5,6]. Використання цих схем залежить від потужності каскаду і вимог до термостабільності. У даній роботі розглянуті наступні три схеми термостабілізації: емітерна, пасивна колекторна, активна колекторна. Необхідно порівняти ефективність використання даних схем.

4.4.1 емітерна термостабилизация

Розглянемо еміттерную термостабілізації, схема якої наведена на малюнку 4.7. Метод розрахунку та аналізу емітерний термостабілізації докладно описаний в [5,6].

Малюнок 4.7 - Схема емітерний термостабілізації

Розрахунок номіналів елементів здійснюється за відомою методикою, виходячи із заданої робочої точки.

Робоча точка досить жорстко стабілізована, якщо

(4.27)

Номінал резистора RЕ знаходиться за законом Ома:

(4.28)

Ємність СЕ дозволяє всьому сигналу від генератора виділятися на транзисторі. Номінал розраховується за формулою:

. (4.29)

Напруга джерела живлення буде становити суму падінь напруг на транзисторі і резистори в ланцюзі емітера:

(4.30)

Базовий струм в разів менше струму колектора:

(4.31)

Вибір струму дільника здійснюється наступним чином:

(4.32)

Розрахунок номіналів резисторів базового подільника виробляємо за формулами:

(4.33)

(4.34)

Приймаючи і , Відповідно до виражень (4.27) - (4.34) виробляємо чисельний розрахунок:

Також проведемо розрахунок потужності, що розсіюється на резисторі RЕ.

4.4.2 Пасивна колекторна термостабилизация

Цей вид термостабілізації [5,6] застосовується в малопотужних каскадах і менш ефективний, ніж дві інші, тому що напруга негативного зворотного зв'язку, що регулює струм через транзистор подається на базу.

Схема каскаду з використанням пасивної колекторної термостабілізації представлена ​​на малюнку 4.8:

Малюнок 4.8 - Схема пасивної колекторної термостабілізації

Розрахунок починають з того, що вибирається напруга на резисторі Rk:

(4.35)

Номінал резистора RК знаходиться за законом Ома:

(4.36)

Напруга джерела живлення буде становити суму падінь напруг на транзисторі і резистори Rk:

(4.37)

Базовий струм в разів менше струму колектора:

(4.38)

Розрахунок номіналу резистора Rб здійснюється за формулою:

(4.39)

Приймаючи , Відповідно до виражень (4.35) - (4.39) виробляємо чисельний розрахунок:

Розсіюється на резисторі Rk потужність при такій термостабілізації знаходиться за формулою:

(4.40)

4.4.3 Активна колекторна термостабилизация

В активній колекторної термостабілізації використовується додатковий транзистор, який управляє роботою основного транзистора. Ця схема застосовується в потужних каскадах, де потрібен високий ККД [5,6].

Схема каскаду з використанням активної колекторної термостабілізації представлена ​​на малюнку 4.9.

Малюнок 4.9 - Схема активної колекторної термостабілізації

Як керованого активного опору вибраний малопотужний транзистор КТ361А (на малюнку 4.9 - VT1). Основні технічні параметри даного транзистора наведені нижче [4].

Електричні параметри:

-Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ ;

-Ємність колекторного переходу при У пФ.

Граничні експлуатаційні дані:

-Постійна напруга колектор-емітер В;

-Постійний струм колектора мА;

-Постійна розсіює потужність колектора при Тк = 298К Вт

За умови, що на резисторі R4 за рахунок протікання струму спокою транзистора VT2 виділяється напруга UR4 більше одного вольта, нестабільність цього струму в діапазоні зміни температури від мінус 60 до плюс 60 градусів не перевищує 2%.

У даному випадку приймемо напруга UR4 рівним 1.5 В.

Енергетичний розрахунок схеми проводиться за наступними формулами:

Напруга джерела живлення буде становити суму падінь напруг на транзисторі VT2 і резистори R4 (рисунок 4.9):

(4.41)

Робоча точка транзистора VT1 знаходиться відповідно до наступних виразів:

(4.42)

(4.43)

Базовий струм транзистора VT1 і струм дільника R1, R3 розраховуються відповідно за формулами:

(4.44)

(4.45)

Потужності, що розсіюються на транзисторі VT1 і на резисторі R4, знаходяться наступним чином:

(4.46)

(4.47)

Розрахунок номіналів схеми, представленої на малюнку 4.9, виробляється відповідно до наступних виразів:

(4.48)

(4.49)

(4.50)

(4.51)

Підставляючи у вираз (4.41) - (4.51) числові значення, отримуємо:

Дана схема вимагає значну кількість додаткових елементів, у тому числі і активних. Якщо СБЛ втратить свої властивості, то каскад самовозбудітся і буде не посилювати, а генерувати. Грунтуючись на проведеному вище аналізі схем термостабілізації виберемо емітерной.

4.5 Розрахунок некорректірованного каскаду 4.5.1 Аналіз каскаду в області верхніх частот

Принципова схема некорректірованного підсилювального каскаду наведена на малюнку 4.10, а еквівалентна схема по перемінному току - малюнку 4.10, б.

Малюнок 4.10, а - Принципова схема некорректірованного каскаду

Малюнок 4.10, б - Еквівалентна схема по змінному струмі

Відповідно до [8] коефіцієнт підсилення каскаду в області верхніх частот можна описати виразом:

(4.52)

де К0 - коефіцієнт посилення в області середніх частот (де ще не виникають спотворення);

- Постійна часу в області верхніх частот.

Розрахуємо коефіцієнт посилення в області середніх частот за формулою:

(4.53)

(4.54)

Крутизна S0 знаходиться за формулою:

(4.55)

При підстановці числових значень у формули (4.53), (4.54) і (4.55) отримуємо:

Переведемо отриманий коефіцієнт підсилення зі разів в децибели:

Коефіцієнт посилення некорректірованного каскаду вийшов більше заданого. Але підключення вхідного ланцюга (генератора) дасть значні спотворення, що призведе до зменшення коефіцієнта підсилення. Таким чином, необхідна корекція.

Оцінимо спотворення на частоті, що відповідає верхній межі смуги пропускання:

(4.56)

де постійна часу в області верхніх частот розраховується за формулою

(4.57)

де (4.58)

При підстановці числових значень у формули (4.56) - (4.58) отримуємо:

Переведемо отримані спотворення в області верхніх частот із раз у децибели:

Виходить, що викривлення в області верхніх частот перевищують заданий рівень спотворень для одного каскаду.

4.5.2 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний ланцюгом

Схема вхідного ланцюга каскаду по змінному струму наведена на малюнку 4.12, де rг - внутрішній опір джерела сигналу.

Малюнок 4.12 - Схема вхідного ланцюга некорректірованного каскаду

За умови апроксимації вхідного опору каскаду паралельної RC-ланцюгом, коефіцієнт передачі вхідного ланцюга в області частот описується виразом [5]:

(4.59)

де , (4.60)

(4.61)

, (4.62)

. (4.63)

Підставляючи у формули (4.59) - (4.63) чисельні значення, отримуємо:

Оцінимо спотворення, обумовлені наявністю вхідного ланцюга, на частоті, що відповідає верхній межі смуги пропускання:

(4.64)

Переведемо отримані спотворення з раз у децибели:

Розрахуємо, на якій верхній граничній частоті будуть виникати допустимі спотворення (0.5дБ) за формулою

(4.65)

Виходить, що спотворення, обумовлені наявністю вхідного ланцюга, значно перевищують заданий рівень. Крім того, некорректірованний каскад не забезпечує заданої смуги пропускання.

4.6 Розрахунок елементів емітерний корекції

Принципова схема каскаду з емітерний корекцією наведена на малюнку 4.13а, еквівалентна схема по перемінному току - малюнку 4.13б, де R1, C1 - елементи корекції. При відсутності реактивності навантаження емітерна корекція вводиться для корекції спотворень АЧХ внесених транзистором, збільшуючи амплітуду сигналу на переході база-емітер із зростанням частоти підсилюється сигналу.

Малюнок 4.13а - Принципова схема каскаду з емітерний корекцією

Малюнок 4.13а - еквівалентна схема по перемінному току

Відповідно до [8], коефіцієнт передачі каскаду в області верхніх частот, при виборі елементів корекції і відповідними оптимальної за Брауде формі АЧХ, описується виразом:

, (4.66)

де ;

- Нормована частота;

;

;

; (4.67)

; (4.68)

- Глибина ООС; (4.69)

; (4.70)

; (4.71)

. (4.72)

При заданому значенні , Значення визначається виразом:

. (4.73)

Підставляючи відомі і в (4.1) знайдемо:

, (4.74)

де .

Вхідний опір каскаду з емітерний корекцією може бути апроксимовані паралельної RC-ланцюгом [1]:

; (4.75)

. (4.76)

Використовуючи дані, отримані при розрахунок схеми Джиаколетто, і формули (4.67-4.76), розрахуємо смугу пропускання (верхню граничну частоту) підсилювача, CВХ і Rвх.

Розрахуємо , , , , каскаду з емітерний корекцією, схема якого наведена на малюнку 4.13, для нашої транзистора КТ911А (дані транзистора наведені у вище) і умов:

= 0.5 дБ; = 9; RH = 50 Ом.

За відомим , і з (4.67), (4.68) отримаємо:

.

Підставляючи в (4.69) і (4.73) знайдемо

Ом;

.

Розраховуючи по (4.72)

і підставляючи в (4.70), (4.71) отримаємо:

с;

Ф.

За відомим , , , і з (4.74) визначимо:

= 539.4 × 106Гц = 539.4МГц.

За формулами (4.75), (4.76) знайдемо

= 52.5 × 10-12 Ф = 52.5 пФ;

Ом-1.

5 Розрахунок вхідного каскаду 5.1 Розрахунок робочої точки

На високих частотах дросель в ланцюзі колектора починає пропускати якусь частину високочастотного сигналу, оскільки зростає роль паразитних параметрів (міжвиткових ємностей). У результаті на внутрішньому опорі джерела живлення можуть виникнути високочастотні пульсації. Якщо ці пульсації потраплять на вхід підсилювача, то пристрій може самовозбудіться. Для усунення паразитного зворотного зв'язку через джерело живлення вводять RC - фільтр [8].

Принципова схема вхідного каскаду представлена ​​на малюнку 6.1.

Малюнок 5.1 - Принципова схема вхідного каскаду

Виберемо падіння напруги на резисторі Rф рівне 2.5В. Тоді напруга в робочій точці транзистора VT1 зменшиться на цю величину і дорівнюватиме

Струм в робочій точці транзистора вхідного каскаду розрахуємо за формулою (5.1):

5.2 Вибір транзистора вхідного каскаду

Для розрахунку предоконечного каскаду візьмемо той же транзистор КТ911А, що був обраний у пункті 4.2, так як він повністю задовольняє всім вимогам. Його основні параметри наведені там же.

5.3 Розрахунок еквівалентних схем транзистора

Оскільки струм в робочій точці транзистора кінцевого каскаду має інше значення у порівнянні зі струмом в робочій точці вихідного каскаду, то значення елементів схеми Джиаколетто теж зміняться. За формулами (4.18) - (4.22) розрахуємо дані значення:

Розрахунок еквівалентних схем транзистора вхідного каскаду проводиться за тими ж формулами, які представлені в пунктах 4.3.1 і 4.3.2. Схема Джиаколетто і еквівалентна схема заміщення односпрямованої високочастотної моделі представлені на малюнках 4.5 та 4.6 відповідно.

- Опір базового переходу:

,

- Ємність колекторного переходу в робочій точці:

- Провідність база-емітер:

,

- Ємність емітерного переходу:

,

- Вихідний опір транзистора:

.

Тоді

,

- Вхідний опір:

,

- Вихідна ємність:

,

- Крутизна:

.

5.4 Розрахунок схеми термостабілізації

Як було сказано в пункті 4.4.3, для даного підсилювача краще вибрати в усіх каскадах еміттерную термостабілізації. Її схема представлена ​​на малюнку 4.7. Розрахунок проводиться аналогічно розрахунку вихідного каскаду. Відмінністю є лише те, що колекторний струм буде мати інше значення.

Приймаючи і , Відповідно до виражень (4.27) - (4.34) виробляємо чисельний розрахунок:

напруга живлення:

базовий струм транзистора:

,

струм дільника:

,

резистори базових дільників і резистора в ланцюзі емітера:

,

,

,

Ємність конденсатора в ланцюзі емітера:

Також проведемо розрахунок потужності, що розсіюється на резисторі RЕ.

5.5 Розрахунок не коректованого каскаду

Відповідно до [8] коефіцієнт підсилення каскаду в області частот описується виразом:

,

де ; (5.1)

; (5.2)

; (5.3)

; (5.4)

fB = (5.5)

- Вхідний опір і вхідна ємність навантажує каскаду.

Значення , Вхідний опір і вхідна ємність каскаду розраховуються за формулами (2.5), (2.6), (2.7).

За відомим і з (2.8) отримаємо:

;

.

За формулою (2.9) визначимо:

Підставляючи відомі , у співвідношення (55) отримаємо

Виходить, що некорректірованний вхідний каскад не забезпечує нам необхідної смуги.

5.6 Розрахунок елементів емітерний корекції

Малюнок 5.2 - Еквівалентна схема вхідного каскаду по змінному струмі

Відповідно до [8], коефіцієнт передачі каскаду в області верхніх частот, при виборі елементів корекції і відповідними оптимальної за Брауде формі АЧХ, описується виразом:

, (5.6)

де ;

- Нормована частота;

;

;

; (5.7)

; (5.8)

- Глибина ООС; (5.9)

; (5.10)

; (5.11)

; (5.12)

; (5.13)

- Вхідний опір і ємність навантажує каскаду;

і розраховуються за (4.55) і (4.58) відповідно.

При заданому значенні , Значення визначається виразом:

, (5.14)

Підставляючи відомі і в (4.12) знайдемо:

, (5.15)

де .

Вхідний опір і вхідна ємність каскаду розраховуються за співвідношенням (4.75) і (4.76).

Розрахуємо , , , , каскаду з емітерний корекцією, схема якого наведена на малюнку 4.13, для нашої транзистора КТ911А (дані транзистора наведені у вище) і умов:

= 0.5 дБ; = 9; RЕКВ = Rвх = 222.22 Ом, СН = СТЗ = 52.5пФ.

За відомим , і з (5.7), (5.8) отримаємо:

.

Підставляючи в (5.9) знайдемо

Ом;

Розраховуючи за (5.12)

і підставляючи в (5.13), (5.14) отримаємо:

;

с;

Ф.

За відомим , , , і з (15) визначимо:

= 40.19 × 106Гц = 40.19МГц.

За формулами (4.75), (4.76) знайдемо

= 72.38 × 10-12 Ф = 72.38 пФ;

5.7 Розрахунок спотворень, що вносяться вхідний ланцюгом

Схема вхідного ланцюга каскаду по змінному струму наведена на малюнку 4.12, де Rг - внутрішній опір джерела сигналу.

Розрахунок ведеться за формулами (4.59) - (4.63), наведеним у пункті 4.5.2.

Підставляючи чисельні значення, отримуємо:

Оцінимо спотворення, обумовлені наявністю вхідного ланцюга, на частоті, що відповідає верхній межі смуги пропускання:

Переведемо отримані спотворення з раз у децибели:

Розрахуємо, на якій верхній граничній частоті будуть виникати допустимі спотворення (2 дБ) за формулою 4.65

Виходить, що спотворення, обумовлені наявністю вхідного ланцюга, задовольняють умові завдання.

Аналізуючи всі три каскаду, можна сказати, що загальний коефіцієнт посилення підсилювача буде дорівнює:

Висловлюючи коефіцієнт посилення в децибелах, отримуємо:

Підсилювач має запас по посиленню 7.742дБ. Це потрібно для того, щоб у разі погіршення підсилювальних властивостей коефіцієнт передачі підсилювача не опускався нижче заданого рівня, визначеного технічним завданням.

6 Розрахунок колекторних дроселів і розділових ємностей

Величина індуктивності дроселя вибирається таким чином, щоб змінна складова колекторного струму не відгалужується в колекторний ланцюг. Для цього величина реактивного опору дроселя XL повинна бути багато більше опору навантаження:

, (6.1)

Дросель, розрахований за формулою (6.1) для вихідного каскаду буде дорівнює:

Для вхідного каскаду в якості навантажувального опору Rн у формулі (6.1) виступає вхідний опір і опору базових дільників кінцевого каскаду:

У схемі підсилювача на вході і на виході кожного каскаду ставиться розділовий конденсатор для розв'язки каскадів по постійному струму.

Так як спотворення на низьких частотах в основному визначаються розділової ємністю, то спотворень, що припадають на одну ємність рівні відношенню спотворень на нижніх частотах на число ємностей N підсилювача. У результаті спотворення, що припадають на одну ємність рівні:

Перекладаючи спотворення з децибел в рази, отримуємо:

Розрахунок τн проводиться за формулою [3]:

(6.2)

де fн - нижня частота

- Нормовані ісканниженія в разах.

Номінали розділових ємностей можна визначити з співвідношення:

, Де (6.3)

і - Еквівалентні опори, які стоять ліворуч і праворуч від розділового конденсатора відповідно.

.

Проведемо розрахунок для розділових конденсаторів.

- , При , RП = 100;

- , При

, Де

- Вхідний опір і опору базових дільників кінцевого каскаду;

- , При

, Де

- Вхідний опір і опору базових дільників вхідного каскаду;

Розрахуємо елементи RC-фільтра, що служить для усунення паразитного зворотного зв'язку через джерело живлення (пункт 6.1) за формулами

(6.4)

де всі струми розраховані в пункті 4.4.1

При підстановці чисельних значень у формули (7.4) отримуємо

Для зменшення внутрішнього опору джерела живлення і опору з'єднувальних проводів (так як джерело харчування часто відділений від самого блоку підсилювача) паралельно включають конденсатор, опір якого на нижній частоті діапазону багато менше внутрішнього опору джерела живлення. Ємність даного конденсатора розрахуємо за формулою

(6.5)

Вважаючи опір джерела RІСТ = 1ом, за формулою (6.5) розраховуємо:

7 Амплітудно-частотна характеристика підсилювача

Відповідно до [8], коефіцієнт передачі вихідного каскаду в області верхніх частот, при виборі елементів корекції і відповідними оптимальної за Брауде формі АЧХ, описується виразом:

,

де ;

- Нормована частота;

;

.

Коефіцієнт передачі предоконечного каскаду в області частот описується виразом:

,

де ;

- Нормована частота;

;

;

;

- Вхідний опір і ємність навантажує каскаду;

За умови апроксимації вхідного опору каскаду паралельної RC-ланцюгом, коефіцієнт передачі вхідного ланцюга в області частот описується виразом [5]:

де ,

.

Таким чином, загальний коефіцієнт передачі підсилювача в області верхніх частот буде дорівнює:

Так як спотворення на низьких частотах в основному визначаються розділової ємністю, то спотворень, що припадають на одну ємність рівні:

τн для всіх ємностей однакова, тому загальні спотворення в області нижніх частот будуть рівні:

Загальний коефіцієнт передачі підсилювача буде дорівнює:

Нормований графік амплітудно-частотної характеристики підсилювача представлений на малюнку 7.1

lg (f)

0.841

0.707

40.76МГц

0.8МГц

Малюнок 7.1 Нормована АЧХ підсилювача

8 Висновок

У результаті виконаного курсового проекту отримана схема електрична принципова широкосмугового підсилювача. Відомі топологія елементів і їх номінали. Поставлена ​​задача вирішена в повному обсязі.

Розрахований підсилювач має наступні технічні характеристики:

1 Робоча смуга частот: 0.8-35.4 МГц

2 Лінійні спотворення

-В області нижніх частот не більше 3 дБ

-В області верхніх частот не більше 1,5 дБ

3 Коефіцієнт посилення 37.742дБ

4 Амплітуда вихідного напруги Uвих = 8В

5 Напруга живлення Eп = 12В

6 Діапазон робочих температур: від +10 до +40 градусів Цельсія

Список джерел

1 Красько О.С. Проектування аналогових електронних пристроїв - Томськ: ТУСУР, 2000.-29с.

2 Мамонкин І.Г. Підсилювальні пристрої. Навчальний посібник для вузів - М.: Зв'язок. 1977

3 Напівпровідникові прилади. Транзистори середньої та великої потужності. Довідник / А.А. Зайцев, А.І. Міркін; Під ред. А.В. Голомедова. - М.: Радіо і зв'язок, 1989 - 640 с.

4 Розрахунок коригувальних ланцюгів широкосмугових підсилюючих каскадів на біполярних транзисторах. / Титов А.А-http: / / www.referat.ru/referats/015-0030.zip

5 Болтовский Ю.Г. Розрахунок ланцюгів термостабілізації електричного режиму транзисторів. Методичні вказівки. - Томськ: ТІАСУР, 1981 р.

6 Широкосмугові радіопередавальні пристрої / Под ред. О.В. Алексєєва. - М.: Зв'язок. 1978.

7 ГОСТ 2.755 - 74 і ін ЕСКД. Позначення умовні і графічні в схемах.

8 Титов А.А. Розрахунок широкосмугових підсилювачів на біполярних транзисторах / Навчальний посібник, Томськ: ТУСУР, 2002.

					РТФ КП 468714.001 ПЕЗ
					Підсилювач широкосмуговий	Літ.	Маса	Масштаб
Змін	Лист	№ докум.	Підпис.	Дата
Розробник.	Сізіков
Перевірив	Титов А.А.
Т. контроль				Лист 47	Листів 48
				Схема електрична принципова	ТУСУР, РТФ, гр. 180
Н. контроль
Утв.

Поз. Позна-чення	Найменування	Кол.	Примітка
	Котушки індуктивності
L1	Індуктивність 183.5мГн ± 5%	1
L2	Індуктивність 199мГн ± 5%	1
	Конденсатори
С1	КД-2-1.56нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С2	КД-2-260.8пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С3	КД-2-521.5пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С4	КД-2-3.9нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С5	КД-2-26нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С6	КД-2-23.7пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С7	КД-2-3.8нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С8	КД-2-227.5нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
	Резистори ГОСТ7113-77
R1	МЛТ - 0.125 - 1.19кОм ± 10%	1
R2	МЛТ - 0.125-757Ом ± 10%	1
R3	МЛТ - 0.125 - 154Ом ± 10%	1
R4	МЛТ - 0.125 - 23Ом ± 10%	1
R5	МЛТ - 0.125 - 11Ом ± 10%	1
R6	МЛТ - 0.125-189Ом ± 10%	1
R7	МЛТ - 0.125 - 84Ом ± 10%	1
R8	МЛТ - 0.125 - 17Ом ± 10%	1
R9	МЛТ - 0.125-5Ом ± 10%	1
	Транзистори
VT1, VT2	КТ911А АА о.339150ТУ	2
					РТФ КП 468714.001 ПЗ
					Підсилювач широкосмуговий	Літ.	Маса	Масштаб
Змін.	Ліcт.	№ докум.	Підпис.	Дата
Розробив	Сізіков
Перевірив	Титов А.А.
Т. контроль				Лист 48	Листів 48
				Перелік елементів	ТУСУР, РТФ, гр. 180
Н. контроль
Утв.

Поз. Позна-чення	Найменування	Кол.	Примітка
	Котушки індуктивності
L1	Індуктивність 183.5мГн ± 5%	1
L2	Індуктивність 199мГн ± 5%	1
	Конденсатори
С1	КД-2-1.56нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С2	КД-2-261пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С3	КД-2-26.1нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С4	КД-2-3.92нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С5	КД-2-523пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С6	КД-2-226нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С7	КД-2-3.79нФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
С8	КД-2-23.7пФ ± 5% ОЖО.460.203 ТУ	1
	Резистори ГОСТ7113-77
R1	МЛТ - 0.125 - 1.18кОм ± 10%	1
R2	МЛТ - 0.125-759Ом ± 10%	1
R3	МЛТ - 0.125-22.6Ом ± 10%	1
R4	МЛТ - 0.125 - 130Ом ± 10%	1	R4 = RтсVT1-R3
R5	МЛТ - 0.125 - 11Ом ± 10%	1
R6	МЛТ - 0.125-189Ом ± 10%	1
R7	МЛТ - 0.125 - 83.5Ом ± 10%	1
R8	МЛТ - 0.125 - 4.99Ом ± 10%	1
R9	МЛТ - 0.125-12Ом ± 10%	1	R9 = RтсVT2-R8
	Транзистори
VT1, VT2	КТ911А АА о.339150ТУ	2
					РТФ КП 468714.001 ПЕЗ
					Підсилювач широкосмуговий	Літ.	Маса	Масштаб
Змін.	Ліcт.	№ докум.	Підпис.	Дата
Розробив	Сізіков
Перевірив	Титов А.А.
Т. контроль				Лист 48	Листів 48
				Перелік елементів	ТУСУР, РТФ, гр. 180
Н. контроль
Утв.