Міністерство освіти Російської Федерації.
Томський державний університет систем
управління та радіоелектроніки (ТУСУР)
кафедра радіоелектроніки та захисту інформації (РЗИ)
Підсилювач приймальні антеною решітки.
Пояснювальна записка до курсової роботи з дисципліни
"Схемотехніка АЕУ"
РТФ КП 468740.009 ПЗ
Виконав: студент гр.148-3
________ Вахрушев С.С.
"____"___________ 2001р
Керівник: доцент кафедри РЗИ
___________ Титов А.А.
"____"___________ 2001р
Томськ 2001
РЕФЕРАТ
У курсовій роботі проводився розрахунок підсилювача фазованою антеною решітки на біполярних транзисторах.
Мета роботи - придбати необхідні навички розрахунку підсилювальних пристроїв на основі біполярних транзисторів.
У процесі проектування проводився розрахунок елементів принципової схеми підсилювача, які забезпечують необхідний режим роботи транзисторів, а також розрахунок елементів схеми термостабілізації і ланцюгів корекції.
Отримано принципова схема підсилювача приймальні антеною решітки, яка може бути реалізована на практиці і застосована в реальних системах радіолокації.
Курсова робота виконана в текстовому редакторі Microsoft Word 7.0. Схеми і малюнки виконані в графічному редакторі Paint Brush.
Завдання
Вихідні дані для проектування:
1) Діапазон робочих частот 100 - 1000 МГц
2) Допустимі частотні спотворення МН = 1,5 дБ, МВ = 1,5 дБ
3) Коефіцієнт передачі підсилювача Sу = 15дБ
4) Вихідна напруга Uвих = 0,2 В
5) Опір генератора rг = 50Ом
6) Опір навантаження RН = 50Ом
7) Узгодження по входу і виходу
Введення
У багатьох галузях сучасної науки і техніки часто зустрічається необхідність посилення електричних коливань (сигналів) різних видів із збереженням їх форми.
Підсилювачі мають широке і різнобічне застосування: у радіозв'язку та радіомовлення, телебачення, звуковому кіно, пристроях запису і відтворення звуку, далекої проводового зв'язку, вимірювальної апаратури, а також у телемеханіки, автоматики і т.д.
Приймальні антенні решітки використовуються в радіолокації для електронного сканування простору без механічного переміщення антени. Положення цілі в просторі, при цьому, визначається по різниці фаз сигналів, що прийшли від кожного з елементів антенної решітки.
Одним з основних вузлів таких систем є широкосмугові підсилювачі, що забезпечують посилення сигналів надходять з антенних решіток.
Для забезпечення високої точності роботи системи радіолокації, необхідна повна ідентичність характеристик широкосмугових підсилювачів. Крім того, підсилювачі повинні бути узгоджені по входу і виходу, мати лінійну амплітудно-частотну характеристику, параметри підсилювачів не повинні змінюватися в часі і при зміні температури навколишнього середовища.
1. Визначення числа каскадів
Оскільки заданий посилення рівне 15дБ не може бути досягнуто одним малопотужним транзистором в широкому діапазоні частот, то доцільно коефіцієнт посилення розподілити на кілька каскадів підсилення, наприклад, по 5Дб на кожен:
2. Розподіл спотворень в області ВЧ
Визначимо нерівномірність частотної характеристики на робочому діапазоні частот, що припадає на один каскад:
3. Розрахунок кінцевого каскаду
3.1. Розрахунок робочої точки і побудова навантажувальних прямих
Резистивний каскад
У розробляється підсилювачі буде використаний каскад з комбінованою негативним зворотним зв'язком, схема якого по змінному струмі наведена на рис. 3.1.1.1.
Оскільки частина вихідної корисної потужності розсіюється на резисторах зворотного зв'язку Rе, Rос, то для попереднього розрахунку робочої точки вихідного транзистора напруга, яке він повинен видавати, необхідно брати подвоєним, тому що заздалегідь ці втрати невідомі. Потім ці втрати можна уточнити. Координати робочої точки наближено можна розрахувати за формулами [1]:
де Iвих - вихідний струм кінцевого транзистора;
U вих - вихідна напруга транзистора;
Pвих - потужність, що видається транзистором на виході
Схема резистивного каскаду по постійному струму наведена на рис. 3.1.1.2.
Рис. 3.1.1.2 Резистивний каскад
Нехай Rн = Rк = 50 Ом, тоді вихідний струм транзистора буде дорівнює:
Зазвичай залишкову напругу Uост і струм Iост вибирають в межах:
Тоді робоча точка транзистора:
де UКЕ0 - напруга на переході колектор-еммітер в робочій точці;
IК0 - струм колектора в робочій точці транзистора
Напруга джерела живлення:
Побудуємо навантажувальні прямі постійного і змінного струмів для резистивного каскаду:
- Рівняння навантажувальної прямої по постійному струму
Для змінного струму:
Рис. 3.1.1.3 Навантажувальні прямі для резистивного каскаду
У резистивного каскаду опір навантаження вихідного ланцюга змінному струмі менше, ніж постійному, і навантажувальна пряма постійного струму проходить через точку спокою більш полого, ніж навантажувальна пряма змінного струму.
3.1.2. Дросельний каскад
Дросельний підсилювальний каскад представлений на малюнку 3.1.2.1. Тут замість резистора RК ставлять дросель LДР, для збільшення ККД каскаду.
Рис. 3.1.2.1 Дросельний підсилювальний каскад
Резисторами Rб1 і Rб2 (базові дільники) встановлюють робочу точку каскаду.
Тоді робоча точка транзистора:
За змінному струму:
Тоді навантажувальні прямі по постійному і змінному струму для дросельного каскаду виглядають наступним чином:
Рис. 3.1.2.2 Навантажувальні прямі для дросельного каскаду
Оскільки опір дроселя по постійному струму еквівалентно короткого замикання, навантажувальна пряма по постійному струму є вертикальна лінія
3.1.3. Розрахунок потужностей
Зробимо розрахунок споживаної і розсіюється потужностей для резистивного і дросельного каскадів вибір каскаду з енергетичних параметрах:
Для резистивного каскаду:
де Рк - потужність, що розсіюється на колекторі;
Рпотр - споживана транзистором потужність.
Для дросельного каскаду:
Отримані результати представлені в таблиці 3.1.3.1:
Таблиця 3.1.3.1 Енергетичні параметри підсилювальних каскадів
Eп, B | Pk, мВт | Рпотр, мВт | IК0, мА | UКЕ0, У | |
Резистивний каскад (Rk) | 3,9 | 52,8 | 68,6 | 17,6 | 3 |
Дросельний каскад (Lk) | 3 | 26,4 | 26,4 | 8,8 | 3 |
У результаті аналізу отриманих результатів можна прийти до висновку, що більш економічним по енергетичних параметрах є дросельний каскад. До того ж ККД такого каскаду більше резистивного в 2 рази.
3.2 Вибір транзистора
Вибір транзистора проводиться в довіднику [2] за такими параметрами, які необхідно взяти з невеликим запасом у 20%:
Краще всього за цими параметрами підходить транзистор КТ3101А-2.
Паспортні дані транзистора КТ3101А-2
Електричні параметри:
Гранична частота при Uкб = 5В, Iе = 10мА не менше ... ... ... ... ... ... ... ... .4,0 ГГц
Максимальний коефіцієнт підсилення по потужності
при Uкб = 5В, Iе = 10мА, f = 2,25 ГГц типове значення ... ... ... ... ... .8,2 - 9,8 дБ
Постійна часу ланцюга зворотного зв'язку на високій частоті
при Uкб = 5В ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 5пс
Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним еммітером
при Uкб = 1В, Ік = 5мА, Т = 298К ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35 - 300
Ємність колекторного переходу при Uкб = 5В ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 0,65 пФ
Ємність еммітерного переходу при Uеб = 1В ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 1пФ
Індуктивність виведення бази ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 2нГн
Індуктивність виведення еммітора ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 2нГн
Граничні експлуатаційні дані:
Постійна напруга колектор-еммітер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .15 У
Постійний струм колектора ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 20мА
Постійна розсіює потужність при Т = 213 ... 318К ... ... ... ... ... .100 мВт
Розрахунок еквівалентної схеми транзистора
3.3.1. Еквівалентна схема Джиаколетто
Значення елементів схеми Джиаколетто можуть бути розраховані за паспортними даними транзистора за такими формулами [3]:
= 3 - для планарних кремнієвих транзисторів,
= 4 - для решти транзисторів,
У довідковій літературі значення і часто наводяться виміряними при різних значеннях напруги колектор-емітер . Тому при розрахунках значення слід перерахувати за формулою [3]
, (3.3.1.1)
де - Напруга , При якій відбувалося вимір ; - Напруга , При якій відбувалося вимір .
де - Ємність колекторного переходу; - Постійна часу ланцюга зворотного зв'язку; - Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі із загальним емітером; - Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі із загальним емітером; - Струм колектора в робочій точці в міліамперах.
Крутизна транзистора:
3.3.2 Розрахунок елементів односпрямованої моделі біполярного транзистора
Розрахунок підсилювальних каскадів також заснований на використанні односпрямованої моделі транзистора [4], справедливої в області частот більше , Де = ( - Гранична частота коефіцієнта передачі струму, - Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі із загальним емітером) і наведеної на малюнку 3.3.2.1.
Рис. 3.3.2.1 Односпрямована модель біполярного транзистора
Елементи схеми заміщення можуть бути розраховані за наступними емпіричними формулами [4]:
де - Індуктивність виведення бази; - Індуктивність виведення емітера; - Граничне значення напруги ; - Граничне значення постійного струму колектора.
При розрахунках по еквівалентної схеми, наведеної на малюнку 3.3.2.1, замість використовують параметр - Коефіцієнт підсилення транзистора по потужності в режимі двостороннього узгодження [5], рівний
= (3.3.2.1)
де - Частота, на якій коефіцієнт підсилення транзистора по потужності в режимі двостороннього узгодження дорівнює одиниці; - Поточна частота.
3.4 Розрахунок ланцюгів термостабілізації
Існує кілька варіантів схем термостабілізації. Їх застосування залежить від потужності каскаду і від того, наскільки жорсткі вимоги до термостабільності. У даній роботі розглянуті три схеми термостабілізації: пасивна колекторна, активна колекторна і емітерна.
3.4.1. Еммітерная термостабилизация
Транзисторний каскад з еммітерной термостабілізацією наведено на малюнку 3.4.1.1
Рис. 3.4.1.1 Підсилювальний каскад з еммітерной стабілізацією
Розрахунок елементів схеми еммітерной термостабілізації виконується за формулами в [6].
Напруга на еммітерном опорі зазвичай вибирають:
Тоді опір Rе дорівнюватиме:
Напруга джерела живлення:
Розрахунок базового дільника:
Струм дільника:
Потужність, що розсіюється на RЕ:
Пасивна колекторна стабілізація.
Даний вид термостабілізації (схема представлена на малюнку 3.4) використовується на малих потужностях і менш ефективний, ніж дві інші, тому що напруга негативного зворотного зв'язку, що регулює струм через транзистор подається на базу через базовий дільник.
Транзисторний каскад з пасивною колекторної термостабілізацією наведено на малюнку 3.4.2.1
Рис. 3.4.2.1 Каскад з пасивною колекторної стабілізацією
Докладний розрахунок елементів схеми наведено в [6].
Для того, щоб пасивна колекторна термостабилизация була ефективною необхідно, щоб напруга Urк лежало в межах:
Тоді опір RК і джерело живлення будуть рівні:
Розрахуємо RБ:
Тоді розсіюється потужність каскаду:
що майже в 2 рази більше розсіюється потужності каскаду з еммітерной термостабілізацією.
Активна колекторна стабілізація
Активна колекторна термостабилизация використовується в потужних каскадах і є дуже ефективною, її схема представлена на малюнку 3.4.3. Її опис і розрахунок можна знайти в [7].
Рис. 3.4.3 Каскад з активною колекторної стабілізацією
Для того, щоб активна колекторна стабілізація була ефективною необхідно, щоб на резисторі R4 виділялося напруга:
Тоді опір має дорівнювати:
Розрахуємо робочу точку другого транзистора, що забезпечує стабілізований режим роботи каскаду:
Тоді джерело живлення:
Розрахуємо елементи схеми активної колекторної стабілізації за формулами в [7]:
Потужність, що розсіюється каскаду:
Таким чином найбільш економічним з енергетичних параметрами є каскад з активною колекторної стабілізацією, але оскільки розроблюваний підсилювач антеною решітки малопотужний, то в каскадах підсилювача доцільніше застосувати еммітерную термостабілізації, що володіє достатньо хорошими параметрами стабілізації робочої точки транзистора.
Розрахунок елементів високочастотної корекції
Для того, щоб підсилювач антеною решітки був узгоджений по входу і виходу, мав лінійну амплітудно-частотну характеристику, а параметри підсилювача не змінювалися в часі і при зміні температури навколишнього середовища, необхідно іспоьзовать схему високочастотного корекції. Краще за все для даного підсилювача підходить схема з комбінованою зворотним зв'язком [7].
Схема каскаду по змінному струму наведена на малюнку 3.5.1
Малюнок 3.5.1 - Схема каскаду з комбінованою ООС
Розрахунок схеми каскаду з комбінованою негативним зворотним зв'язком докладно описаний в [7].
Перевагою схеми є те, що за умов:
і (3.5.1)
схема виявляється узгодженої по входу і виходу з КСВН не більше 1,3 в діапазоні частот, де виконується умова Yв 0,7. Тому практично відсутній взаємний вплив каскадів один на одного при їх каскадування.
При виконанні умови (3.5.1), коефіцієнт підсилення каскаду в області частот описується виразом:
(3.5.2)
де:
;
.
З (3.5.1), (3.5.2) не важко отримати, що при заданому значенні , Обраним із запасом в 20%, для того, щоб у разі погіршення, в силу яких-небудь причин, параметрів окремих елементів коефіцієнт передачі підсилювача не опускався нижче заданого рівня, визначеного технічним завданням:
на один каскад.
Тоді загальний коефіцієнт передачі підсилювача буде дорівнює:
Тоді коефіцієнти:
При заданому значенні Yв на один каскад, частота fв каскаду дорівнює:
(3.5.3)
Навантажують ООС зменшують максимальну амплітуду вихідного сигналу каскаду в якому вони використовуються на величину
. (3.5.4)
При виборі і з (3.5.1), відчувається опір навантаження транзистора каскаду з комбінованою ООС одно і його напруга й струм в робочій точці, також як і для каскаду без ООС, можуть бути розраховані за формулами [7]:
, ,
де - Максимальна допустима потужність, що розсіюється на колекторі.
У цьому випадку каскаду одно:
З урахуванням наявності опору насичення слід розраховувати за формулою
(3.5.5)
З формули (3.5.5) випливає, що напруга, яка може віддати транзистор з урахуванням втрат на резисторах зворотного зв'язку і з розрахунком наявності опору насичення, дещо більше напруги, яке він повинен видати на виході за завданням. Це говорить про те, що отриманий в результаті розрахунку підсилювач антеною решітки має кращі характеристики, ніж за завданням.
4. Розрахунок предоконечного і вхідного каскадів
Розрахунок вхідного і предоконечного каскаду проводиться абсолютно аналогічно розрахунку кінцевого каскаду, тому що всі каскади узгоджені по входу і виходу за рахунок застосування комбінованої негативного зворотного зв'язку і режими роботи транзисторів однакові.
5. Розрахунок розділових і блокувальних конденсаторів
На малюнку 5.1 приведена принципова схема підсилювача. Розрахуємо номінали елементів позначених на схемі. Розрахунок проводиться у відповідності з методикою описаної в [1]:
Малюнок 5.1 Принципова схема антенного підсилювача.
Зробимо розрахунок розділових і блокувальних ємностей.
Так як ємності, що стоять в еміттерние ланцюгах, а також розділові ємності вносять спотворення в області нижніх частот, то їх розрахунок слід робити, керуючись допустимим коефіцієнтом частотних спотворень. У даній роботі цей коефіцієнт становить 1.5дБ. Загальна кількість розділових конденсаторів 4, тоді на один розділовий конденсатор доводиться спотворень 1.5 / 4 = 0,375 дБ.
Тоді:
де R1 і R2 - це вхідний і вихідний опору каскадів підсилювача і R1 = R2 = 50 Ом, тому що каскади узгоджені по входу і виходу.
,
де S0 - це крутість транзистора, розрахована в п. 3.3.1;
RЕ - це опір термостабілізації, розраховане у п. 3.4.1;
YН = 0,94, тому що кількість Ср дорівнює 3.
Дросель в колекторному ланцюзі каскадів ставиться для того, щоб вихід транзистора по змінному струмі не був заземлений через джерело живлення. Величина дроселя вибирається виходячи з умови:
Тоді:
Конденсатори, що стоять в ланцюгах зворотного зв'язку: C1, C2, C3 вибираються з умови:
Тоді:
Висновок
У результаті розрахунку вийшов підсилювач з такими характеристиками:
1. Робоча смуга частот: 100-1196 МГц
2. Лінійні спотворення
в області нижніх частот не більше 1.5 дБ
в області верхніх частот не більше 1.5 дБ
3. Коефіцієнт посилення 19,7 дБ
4. Амплітуда вихідного напруги Uвих = 0.25 У
5. Харчування однополярне, Eп = 7 В
Підсилювач розрахований на навантаження Rн = 50 Ом і узгоджений по входу і виходу.
Підсилювач має запас по посиленню 4,7 дБ, вихідній напрузі і по верхній частоті.
Список використаної літератури:
1. Красько О.С., Проектування підсилюючих пристроїв, методичні вказівки. Томськ: ТУСУР, 2000р., 29 с.
2. Аронов В.Л., Баюк А.В. та ін Напівпровідникові прилади: Транзит сторі. Довідник / За заг. Ред. Горюнова М.М. - 2-е видання, пере-
працюєте - М.: Вища школа, 1985-904с., илл.
3. Мамонкин І.Г. Підсилювальні пристрої: навчальний посібник для вузів.
М.: Зв'язок, 1977р.
4. Титов О.А., Бабак Л.І., Черкашин М.В. Розрахунок межкаскадной зго-
сунуть ланцюга транзисторного смугового підсилювача потужності
/ / Електронна техніка. СЕР. СВЧ-Техніка. Вип 1 (475), 2000р.
5. Шварц Н.З. Лінійні транзисторні підсилювачі НВЧ. - М.: Сов. радіо. 1980
6. Болтовский Ю.Г., Розрахунок ланцюгів термостабілізації електричного режиму транзисторів, методичні вказівки. Томськ: ТУСУР, 1981р., 39с.
РТФ КП 468740.009 ПЕ3 | ||||||||||||
Підсилювач приймальні антеною решітки Схема електрична Принципова | Літ. | Маса | Масштаб | |||||||||
З. | Лист | № докум. | Підпис. | Дата | ||||||||
Розробник. | Вахрушев | |||||||||||
Пров. | Тітов | |||||||||||
Т. контр. | Лист | Листів | ||||||||||
ТУСУР, РТФ, каф. РУУ, гр. 148-3 | ||||||||||||
Н. контр. | > | |||||||||||
Утв. |
Поз. | Найменування | Кол. | Примітка | |||||||||||
V1-V3 | Транзистори КТ3104-А аА0.336.128 ТУ | 3 | ||||||||||||
L1-L3 | Дроселі 0.8мкГн ± 10% | 3 | ||||||||||||
Резистори | ||||||||||||||
R1, R6, R11 | МЛТ-0 ,125-3, 6 кОм ± 5% ГОСТ 7113-77 | 3 | ||||||||||||
R2, R7, R12 | МЛТ-0 ,125-7, 1 кОм ± 5% ГОСТ 7113-77 | 3 | ||||||||||||
R3, R8, R13 | МЛТ-0 ,125-390 Ом ± 5% ГОСТ 7113-77 | 3 | ||||||||||||
R4, R9, R14 | МЛТ-0 ,125-16 Ом ± 5% ГОСТ 7113-77 | 3 | ||||||||||||
R5, R10, R15 | МЛТ-0 ,125-160 Ом ± 5% ГОСТ 7113-77 | 3 | ||||||||||||
С1, С3, С6, С9 | К-10-17 50пФ ± 5% ОЖО.460.107 ТУ | 4 | ||||||||||||
С2, С5, С8 | К-10-17 1пФ ± 5% ОЖО.460.107 ТУ | 3 | ||||||||||||
С4, С7, С10 | К-10-18 1НФ ± 5% ОЖО.460.107 ТУ | 3 | ||||||||||||
РТФ КП 468740.009 ПЕ3 | ||||||||||||||
Підсилювач приймальні антеною решітки Специфікація | Літ. | Маса | Масштаб | |||||||||||
З. | Лист | № докум. | Підпис. | Дата | ||||||||||
Розробник. | Вахрушев | |||||||||||||
Пров. | Тітов | |||||||||||||
Т. контр. | Лист | Листів | ||||||||||||
ТУСУР, РТФ, каф. РУУ, гр. 148-3 | ||||||||||||||
Н. контр. | ||||||||||||||
Утв. |