Широкосмуговий підсилювач калібрування радіомовних станцій

Міністерство освіти

Російської Федерації

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)

Кафедра радіоелектроніки та захисту інформації (РЗИ)

Широкосмуговий підсилювач КАЛІБРУВАННЯ РАДІОМОВНИХ СТАНЦІЙ

Пояснювальна записка до курсової роботи з дисципліни

"Аналогові електронні пристрої (АЕУ)"

Студент гр.148-3

_________Д.В. Коновалов

7.05.2001

Керівник

доцент каф. РЗИ

_________А.А. Тітов

_________

Томськ 2001

РЕФЕРАТ

Об'єктом дослідження в даній курсовій роботі є методи розрахунку підсилювальних каскадів на основі транзисторів.

Мета роботи - набути практичних навичок у розрахунку підсилювальних каскадів на прикладі розв'язання конкретного завдання.

У процесі роботи проводився розрахунок різних елементів широкосмугового підсилювача.

Пояснювальна записка виконана в текстовому редакторі Microsoft Word 7.0.

Технічне завдання

Вихідні дані для проектування широкосмугового підсилювача калібрування радіомовних станцій:

Діапазон частот: 0.5 ¸ 50МГц.

Допустимі частотні спотворення 2дБ.

Коефіцієнт посилення 30дБ.

Вихідна потужність Р вих .= 20Вт.

Величина навантаження Rн = 50 Ом.

Опір генератора rг = 50 Ом.

Діапазон робочих температур: від 0 до +60 градусів Цельсія.

1 ВСТУП

В даний час підсилювачі отримали дуже широке поширення практично у всіх сферах людської діяльності: в промисловості, в техніці, в медицині, в музиці, на транспорті і в багатьох інших. Підсилювачі є необхідним елементом будь-яких систем зв'язку, радіомовлення, акустики, автоматики, вимірювань і управління.

При ремонті підсилювачів потужності, які входять до складу радіомовної станції, або їх повірку використовується стандартна вимірювальна апаратура з амплітудою вихідного сигналу 1 вольт. Тому з'являється необхідність посилення тестових сигналів до амплітуди, що забезпечує стандартний режим роботи підсилювача потужності радіомовної станції. По-іншому, такий підсилювач називають підсилювачем розгойдування, і до нього висуваються такі вимоги: забезпечення заданого рівня вихідної потужності; широкополосность; підвищений коефіцієнт корисної дії; малий рівень нелінійних спотворень. При проектуванні такого підсилювача необхідно використовувати потужні біполярні транзистори і міжкаскадні коригувальні ланцюги, які дозволяють досягти необхідних параметрів.

2 Визначення числа каскадів

Число каскадів для будь-якого підсилювача вибирається виходячи з того, який коефіцієнт посилення повинно забезпечувати заданий пристрій. Для того щоб забезпечити коефіцієнт посилення 30дБ необхідно з'єднати послідовно три підсилювальних каскаду, оскільки одним каскадом неможливо досягти такого посилення, який може видати приблизно 10-12дБ.

3 Розподіл спотворення на ВЧ

Допустимі частотні спотворення за завданням рівні 2дБ. Виходячи з числа підсилювальних каскадів знайдемо спотворення що припадають на кожен каскад:

4 Розрахунок кінцевого каскаду

4.1 Розрахунок робочої точки

Для розрахунку робочої точки знайдемо вихідна напруга, яку повинен видавати підсилювач, скориставшись наступним співвідношенням:

1. Розрахунок робочої точки при використанні активного опору Rk в ланцюзі

колектора.

2. Розрахунок робочої точки при використанні дроселя в ланцюзі колектора.

Схема каскаду по змінному струму наведена на малюнку 4.2.

Результати вибору робочої точки двома способами наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1.

З таблиці 4.1 видно, що для даного курсового завдання доцільно використовувати дросель в ланцюзі колектора.

Побудуємо навантажувальні прямі, які зображені на малюнку 4.4

Малюнок 4.4 - навантажувальні прямі по змінному і постійному струму

4.2 Вибір транзистора

З нерівності (4.10) визначимо значення допустимих параметрів.

Виходячи з отриманих значень, виберемо вихідний транзистор КТ930Б за допомогою довідника [2].

Транзистор має наступні допустимі параметри:

4.3 Розрахунок еквівалентних схем транзистора

4.3.1 Схема Джиаколетто

Численні дослідження показують, що навіть на помірно високих частотах транзистор не є безінерційні приладом. Властивості транзистора при малому сигналі в широкому діапазоні частот зручно аналізувати за допомогою фізичних еквівалентних схем. Найбільш повні з них будуються на базі довгих ліній і включають в себе ряд елементів із зосередженими параметрами. Найбільш поширена еквівалентна схема-схема Джиаколетто, яка представлена ​​на малюнку 4.5. Детальний

опис схеми можна знайти [3].

Малюнок 4.5 - Схема Джиаколетто

Гідність цієї схеми полягає у наступному: схема Джиаколетто з достатньою для практичних розрахунків точністю відображає реальні властивості транзисторів на частотах f £ 0.5fт; при послідовному застосуванні цієї схеми і знайдених з її допомогою Y-параметрів транзистора досягається найбільше єдність теорії лампових і транзисторних підсилювачів.

Розрахуємо елементи схеми, скориставшись довідковими даними і наведеними нижче формулами.

де U ¢ КЕТ - довідкове або паспортне значення напруги;

4.3.2 Односпрямована модель

Односпрямована модель, так само як і схема Джиаколетто, є еквівалентною схемою заміщення транзистора. Схема являє собою високочастотну модель, яка зображена на малюнку 4.6. Повне

опис односпрямованої моделі можна знайти в [4].

Малюнок 4.6 - Односпрямована модель

Розрахуємо елементи схеми скориставшись довідковими даними і наведеними нижче формулами.

4.4 Розрахунок схем термостабілізації

Вибір схеми забезпечення вихідного режиму транзисторного каскаду тісним чином пов'язаний з температурною стабілізацією положення робочої точки. Пояснюється це наступним. Важливою особливістю транзисторів є залежність їх вольт-амперних характеристик від температури р-n переходів і, отже, від температури зовнішнього середовища. Це явище небажане, оскільки температурні зміщення статичних характеристик обумовлюють не тільки зміни підсилювальних параметрів транзистора в робочій точці, а й призводять до переміщення робочої точки. Зміни в положенні робочої точки в свою чергу супроводжуються подальшим зміною підсилювальних параметрів, так як останні залежать від режиму. Таким чином, електричні показники підсилювача виявляються схильними до впливу температури і при несприятливих умовах можуть істотно відхилитися від норми.

Для збереження режиму роботи транзистора в умовах мінливості температури навколишнього середовища в схему каскаду вводять спеціальні

елементи температурної стабілізації. Існує три види температурної стабілізації: емітерна стабілізація, колекторна стабілізація і активна колекторна стабілізація.

4.4.1 емітерна термостабилизация

Однією з поширених схем зі зворотним зв'язком, призначених для стабілізації режиму, є схема з емітерний стабілізацією [5], яка зображена на малюнку 4.7.

Малюнок 4.7 - Схема емітерний термостабілізації

4.4.2 Колекторна термостабилизация

Колекторна стабілізація є найпростішою і найбільш економічною із всіх схем термостабілізації. Стабілізація положення точки спокою здійснюється паралельної негативним зворотним зв'язком за напругою, що знімається з колектора транзистора. Повний опис і роботу схеми можна знайти у книзі [5]. Схема колекторної стабілізації представлена ​​на малюнку 4.8.

Малюнок 4.8 - Схема колекторної термостабілізації

4.4.3 Активна колекторна термостабилизация

У даному курсовому проекті використана активна колекторна термостабилизация, яка є досить ефективною в потужних підсилювальних каскадах. Схема активної колекторної термостабілізації зображена на малюнку 4.9.

Малюнок 4.9 - Схема активної колекторної термостабілізації

VT1 - транзистор КТ814: b о = 40, Uкедоп .= 20В, Ік = 2.5а;

VT2 - транзистор КТ930Б.

Розрахуємо елементи схеми за наступними формулами:

4.5 Розрахунок коригувальних ланцюгів

4.5.1 Вихідна коригувальна ланцюг

Для передачі без втрат сигналу від одного каскаду багатокаскадного підсилювача до іншого використовується послідовне з'єднання коригувальних ланцюгів (КЦ) та підсилювальних елементів [6]. На малюнку 4.10 зображено приклад побудови такої схеми підсилювача по змінному струму.

Малюнок 4.10 Схема підсилювача з коригуючими ланцюгами

Розрахунки вхідних, вихідних і міжкаскадних КЦ ведуться з використанням еквівалентної схеми заміщення транзистора наведеної на малюнку 4.11. Для отримання максимальної вихідної потужності в заданій смузі частот необхідно реалізувати відчувається опір навантаження для внутрішнього генератора транзистора, рівне постійній величині в усьому робочому діапазоні частот. Це можна реалізувати, включивши вихідну ємність транзистора у фільтр нижніх частот, що використовується в якості вихідної КЦ. Схема включення вихідний КЦ наведена на малюнку 4.11.

Малюнок 4.11 - Схема вихідний коректує ланцюга

Вихідну коригувальну ланцюг можна розрахувати з використанням методики Фано, яка детально описана в методичному посібнику [6]. Знаючи Свих і fв можна розрахувати елементи L1 і C1.

4.5.2 Межкаскадная коригувальна ланцюг

Як згадувалося раніше, для передачі сигналу від одного каскаду багатокаскадного підсилювача до іншого, від джерела сигналу на вхід першого підсилювального елемента і від вихідного ланцюга останнього підсилювального елемента в навантаження застосовують різні схеми, звані міжкаскадні коригуючими ланцюгами (МКЦ). Ці схеми одночасно служать і для подачі живлячих напруг на електроди підсилювальних елементів, а також надання підсилювача певних властивостей.

Існуємо безліч різних схем МКЦ, але в даному курсовому проекті використовується межкаскадная коригувальна ланцюг третього порядку, яка зображена на малюнку 4.12.

Межкаскадная коригувальна ланцюг третього порядку забезпечує досить гарне узгодження між підсилювальними елементами і сприяє максимальній віддачі вихідний потужності підсилювального елемента в навантаження.

Малюнок 4.12 - Каскад з межкаскадной корегуючої ланцюгом

третього порядку

Як підсилювального елемента VT2 використовується транзистор КТ930А.

Розрахунок межкаскадной коректує ланцюга третього порядку проводиться за наступною методикою.

На початку розрахунку визначають нерівномірність амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) припадає на кожен каскад. Потім з таблиці, яка знаходиться у методичному посібнику [6] за нерівномірності АЧХ визначають коефіцієнти а1, а2,, а3. Після знаходять нормовані значення Свих.н, Lвх.н і Rвх.н за наступними формулами:

Для знаходження нормованих значень С1, С2, L1 розраховують наступні коефіцієнти:

Розрахуємо межкаскадной коригувальну ланцюг між вихідним і предоконечного каскадом. Для цього представимо схему наведену на малюнку 4.12 у вигляді еквівалентної схеми зображеної на малюнку 4.13.

Розрахуємо елементи МКЦ.

Значення вихідних параметрів транзистора КТ930А візьмемо з пункту 5.2, де розрахована еквівалентна схема цього транзистора.

КТ930А: Cвих .= 78.42 пФ;. Rвих .= 8.33 Ом.

Малюнок 4.13 - Еквівалентна схема каскаду

Нерівномірність АЧХ припадає на кожен каскад складає 0.7дБ. З таблиці знаходиться в методичному посібнику [6] коефіцієнти а1, а2,, а3 будуть рівні:

5 Розрахунок предоконечного каскаду

5.1 Розрахунок робочої точки

5.2 Розрахунок еквівалентної схеми транзистора

Як еквівалентної схеми розрахуємо односпрямовану модель транзистора.

Розрахуємо елементи схеми, скориставшись довідковими даними і формулами наведеними в пункті 4.3.2.

Вхідну індуктивність визначимо за формулою 4.19.

Визначимо вхідний опір по формулі (4.12), для цього знайдемо Ск при напрузі Uке = 10В скориставшись формулою (4.11.)

5.3 Розрахунок схеми термостабілізації

У предоконечного каскаді використовується схема активної колекторної термостабілізації.

Розрахуємо елементи схеми скориставшись формулами наведеними в пункті 4.4.3 і малюнком 4.9.

Виберемо напруга UR4 = 1В і розрахуємо значення резистора R4 за формулою (4.32).

5.4 Розрахунок межкаскадной коректує ланцюга

Расчитаем межкаскадной коригувальну ланцюг між вхідним і предоконечного каскадом. Еквівалентна схема зображена на малюнку 5.1.

Малюнок 5.1 - Еквівалентна схема каскаду

Як підсилювального елемента VT1 використовується транзистор КТ916А.

Розрахуємо елементи МКЦ.

Значення вихідних параметрів транзистора КТ916А візьмемо з пункту 6.2, де розрахована еквівалентна схема цього транзистора.

Навантаженням для предоконечного каскаду є паралельне з'єднання Rвих. транзистора і R1. Де R1-опір, що входить до межкаскадной коригувальну ланцюг, розраховане у пункті 4.5.2.

6 Розрахунок вхідного каскаду

6.1 Розрахунок робочої точки

В якості вхідного каскаду використовується транзистор КТ916А. Напруга в робочій точці буде дорівнювати:

Струм в робочій точці змінюється відповідно до коефіцієнта посилення межкаскадной коректує ланцюга, яка розрахована в пункті 5.4.

6.2 Розрахунок еквівалентної схеми транзистора

Як еквівалентної схеми розрахуємо односпрямовану модель транзистора.

Розрахуємо елементи схеми, скориставшись довідковими даними і формулами наведеними в пункті 4.3.2.

6.3 Розрахунок схеми термостабілізації

У вхідному каскаді використовується схема активної колекторної термостабілізації.

Розрахуємо елементи схеми скориставшись формулами наведеними в пункті 4.4.3 і малюнком 4.9.

6.4 Розрахунок вхідний коректує ланцюга

В якості вхідних коректує ланцюга використовується межкаскадная коригувальна ланцюг третього порядку. Еквівалентна схема зображена на малюнку 5.1.

Малюнок 5.1 - Еквівалентна схема каскаду

Розрахуємо елементи МКЦ.

Вихідними параметрами в даному випадку будуть параметри генератора.

Свих = 0;

Rвих = Rr = 50 Ом

Значення вхідних параметрів транзистора КТ916А візьмемо з пункту 6.2.

КТ916А:

Навантаженням для вхідного каскаду є паралельне з'єднання Rвих. транзистора і R1. Де R1 - опір, що входить до межкаскадной коригувальну ланцюг, розраховане у пункті 5.4.

7 Расчет разделительных и блокировочных конденсаторов

Рассчитаем разделительные конденсаторы по следующей формуле:

(7.1)

где Yн – искажения приходящиеся на каждый конденсатор;

R1 – выходное сопротивление транзистора;

R2 – сопротивление нагрузки;

В нашем случае число разделительных конденсаторов будет равно четырем. Расчитаем разделительные конденсаторы С1 , С6 , С11 , С16 , которые изображены на принципиальной схеме (см. Приложение А). Искажения, приходящиеся на каждый конденсатор, будут равны:

Тогда искажения в области низких частот найдем по формуле:

Найдем значение конденсаторов С1 , С6 , С11 , С16 по формуле (7.1).

Блокировочные конденсаторы С4 , С9 , С14 , определим из следующего условия:

(7.2)

где R – это сопротивление R2 в схеме активной коллекторной термостабилизации.

8 Заключение

В результате работы был рассчитан усилитель, который имеет следующие параметры:

1.Рабочая полоса частот 0.5 – 50МГц.

2.Допустимые частотные искажения 2дБ.

3.Коэффициент усиления 44дБ.

4.Питание Еп =20В.

5.Выходная мощность Рвых.=20Вт.

Усилитель имеет запас по усилению 14дБ, это необходимо для того, чтобы в случае ухудшения параметров отдельных элементов коэффициент передачи усилителя не опускался ниже заданного уровня.

Список використаних джерел

1 Проектирование радиопередающих устройств./ Под ред. О.В. Алексєєва. – М.: Радио и связь, 1987.- 392с.

2 Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под ред. Горюнов Н.Н. - 2-е вид. М.: Энергоатомиздат, 1985-903с.

3 Горбань Б.Г. Широкополосные усилители на транзисторах. – М.: Энергия, 1975.-248с.

4 Титов А.А., Бабан Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности // Электронная техника СЕР, СВЧ – техника. - 2000. - Вип. 1(475).

5 Цыкин Г.С. Усилительные устройства.-М.: Связь, 1971.-367с.

6 Титов А.А. Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на биполярных транзисторах, http://referat.ru/download/ref-2764.zip.

7 Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств. - Томск: ТУСУР, 2000.-29с.

Додаток А

Принципиальная схема представлена на стр. 41.

Перечень элементов приведен на стр. 42,43.