Міністерство освіти Російської Федерації
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)
Кафедра радіоелектроніки та захисту інформації (РЗИ)
ПІДСИЛЮВАЧ радіорелейні лінії зв'язку
Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліниСхемотехніка АЕУ
Студент гр. 148-3__________Валтеев В.В.
2001
Об'єктом проектування є підсилювач радіорелейних ліній зв'язку.
Мета роботи - навчитися проектувати широкосмуговий підсилювач за заданими вимогами до нього.
У процесі роботи проводився аналітичний розрахунок підсилювача і варіантів його виконання, при цьому був проведений аналіз різних схем термостабілізації, розраховані еквівалентні моделі транзистора, розглянуті варіанти колекторному ланцюзі транзистора.
У результаті розрахунку було розроблено підсилювач з заданими вимогами.
Отриманий підсилювач може бути використаний для компенсації втрат потужності в радіорелейних лініях зв'язку.
Курсова робота виконана в текстовому редакторі Microsoft Word 7.0 (представлена на дискеті).
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
на курсове проектування з курсу "Аналогові електронні пристрої"
студент гр. 148-3 Валтеев В.В.
Тема проекту: Підсилювач радіорелейних ліній зв'язку.
Вихідні дані для проектування аналогового пристрою.
1. Діапазон частот від 40 МГц до 450 МГц.
2. Допустимі частотні спотворення Мн 3 dB, МВ 3 dB.
3. Коефіцієнт підсилення 15 dB.
4. Опір джерела сигналу 50 Ом.
5. Амплітуда напруги на виході 0.5 В.
6. Характер і величина навантаження 50 Ом.
7. Умови експлуатації (+5 +40) º С.
8. Додаткові вимоги: узгодження підсилювача по входу і виходу.
Зміст
1 Вступ ------------------------------------------ ------ ----------------------- 5
2 Основна частина ----------------------------------------------- ----------------- 6
2.1 Аналіз вихідних даних ---------------------------------------------- ---- 6
2.2 Розрахунок кінцевого каскаду ---------------------------------------------- - 6
2.2.1 Розрахунок робочої точки -------------------------------------------- -------- 6
2.2.2 Розрахунок еквівалентних схем заміщення транзистора ------------- 8
2.2.2.1 Розрахунок параметрів схеми Джиаколетто -------------------------- 8
2.2.2.2 Розрахунок односпрямованої моделі транзистора ------------------ 9
2.2.3 Розрахунок і вибір схеми термостабілізації -------------------------- 10
2.2.3.1 емітерной термостабилизация -------------------------------------- 10
2.2.3.2 Пасивна колекторна --------------------------------------------- - 11
2.2.3.3 Активна колекторна --------------------------------------------- - 11
2.3 Розрахунок підсилювача ----------------------------------------------- ------------ 12
2.4 Розрахунок ємностей і дроселів --------------------------------------------- 14
Схема електрична принципова ------------------------------------- 15
Специфікація ------------------------------------------------- ------------------ 16
3 Висновок ------------------------------------------------ -------------------- 17
Список використаних джерел ----------------------------------------- 18
1 Введення
Мета роботи - навчитися проектувати підсилювачі, в даному випадку - підсилювачі радіорелейних ліній зв'язку, по заданим вимогам.
У всьому світі використовується багато різних систем зв'язків, і одні з них - радіорелейні. Ці системи зв'язку представляють із себе радіовежі, які розташовані на відстані прямої видимості. Радіорелейні лінії зв'язку належать до широкосмугових систем телекомунікацій і містять у своєму складі малопотужні широкосмугові підсилювачі (МШУ). МШУ стоять між приймальною антеною і блоком обробки сигналів і забезпечують заданий рівень сигналу на вході блоку обробки. Але всі системи зв'язку мають втрати, і в нашому випадку не виключення, тому розробляються підсилювачі для того, щоб компенсувати ці втрати.
Так як радіовежі розкинуті по великих територіях, то виникає проблема обслуговування підсилювачів (ремонт, реставрація, і т.д.), тому такі підсилювачі повинні володіти наступними перевагами: мала нерівномірність амплітудно-частотної характеристики; гарне узгодження по входу і виходу; стабільність параметрів підсилювача в часі і при зміні температури навколишнього середовища.
Всі перераховані вище достоїнства можна реалізувати в підсилювачі з перехресними зворотними зв'язками [1,2]. Такі підсилювачі не вимагають настройки, мають стабільні параметри і зберігають незмінною смугу пропускання при нарощуванні числа каскадів.
2 Основна частина
2.1 Аналіз вихідних даних
Для забезпечення заданого коефіцієнта посилення 15 dB нам буде потрібно 4 каскаду, тоді на кожен каскад припадатиме приблизно по 4 dB. Внаслідок того, що у нас будуть перехресні зворотні зв'язки, які нам дадуть хороше узгодження по входу і виходу, в них буде губитися орієнтовно близько однієї третини вихідної напруги, то візьмемо U вих в 2 рази більше заданого, тобто 1В.
2.2 Розрахунок кінцевого каскаду
2.2.1 Розрахунок робочої точки
На підставі вище викладеного, обчислимо напруга на навантаженні і вихідний струм:
Uвих = 2Uвих (заданого) = 2.0 .5 = 1 (В);
Iвих = == 0,02 (А).
Розрахуємо робочу точку для резистивного і дросельного каскадів:
а) резистивний каскад:
Малюнок 2.2.1.1-Резистивний каскад Малюнок 2.2.1.2-Навантажувальні
по змінному струмі. прямі
Розрахунок робочої точки полягає в знаходженні струму колектора Iк0 і напруги колектор-емітер Uке0. Для знаходження Iк0 необхідно розрахувати змінну складову струму колектора Ік », а для Uке0 - вихідна напруга U вих і залишкову напругу транзистора Uост, яке ми приймемо рівним 2В, за умови Rн .= Rк:
Ік »= == 0,04 (А);
Uке0 = U вих + Uост, (2.2.1)
де U вих вихідна напруга,
Uост залишкову напругу транзистора;
Iк0 = Ік »+0,1 Ік», (2.2.2)
де Ік »струм колектора по змінному струмі;
Uке0 = 3 (В);
Iк0 = 0,044 (А);
Pвих = == 0,01 (Вт) - вихідна потужність, Rн - опір навантаження;
Eп = Uке0 + Urк = Uке0 + Iк0 × Rк = 5,2 (В) - напруга живлення,
де Urк напруга на Rк, рівне Iк0 × Rк ..
Pрасс = Uке0 × Iк0 = 0,132 (Вт) - потужність, що розсіюється на транзисторі;
Рпотр = Eп × Iк0 = 0,2288 (Вт) - потужність, споживана каскадом;
б) дросельний каскад:
Малюнок 2.2.1.3-Дросельний каскад Малюнок 2.2.1.4-навантажувальні прямі.
по змінному струмі.
Iвих = == 0,02 (А) - вихідний струм;
За формулами (2.2.1) і (2.2.2) розрахуємо робочу точку.
Uке0 = 3 (В)
Iк0 = 0,022 (А)
Pвих = == 0,01 (Вт) - вихідна потужність;
Eп = Uке0 = 3 (В) - напруга живлення;
Рк рас = Uке0 × Iк0 = 0,066 (Вт) - потужність, що розсіюється на колекторі;
Рпотр = Eп × Iк0 = 0,066 (Вт) - потужність, споживана каскадом;
Таблиця 2.2.1.1-Характеристики варіантів схем колекторному ланцюзі.
| Еп, (В) | Ррасс, (Вт) | Рпотр, (Вт) | Iк0, (А) | |
| З Rк | 5,2 | 0,132 | 0,2288 | 0,044 |
| З Lк | 3 | 0,066 | 0,066 | 0,022 |
Як видно з таблиці, краще використовувати каскад з дроселем в ланцюзі колектора На підставі наступних нерівностей: Uке0 (допустиме)> Uке0 * 1,2; Iк0 (доп)> Iк0 * 1.2; Рк рас> Рк рас (додатково) * 1,2 ; fт> (3 ¸ 10) * fв> 2300 МГц виберемо транзистор КТ371А. Його параметри [3] необхідні при розрахунку наведено нижче:
tс = 8 пс і Ск = 0,7 пФ при Uке = 10 В, b0 = 150, Uке0 (доп) = 10 В, Iк0 (додатково) = 30 мА,
Рк рас (доп) = 0,1 Вт, fт = 4,5 ГГц, LБ = 2,5 нГн, Lе = 2,5 нГн.
2.2.2 Вибір транзистора і розрахунок еквівалентної схеми заміщення.
2.2.2.1Расчет параметрів схеми Джіаколетто.
Малюнок 2.2.2.1.1-Еквівалентна схема біполярного
транзистора (схема Джиаколетто).
Проведемо розрахунок елементів еквівалентної схеми заміщення транзистора [4], використовуючи паспортні дані:
Ск (треб) = Вк (пасп) * = 0,7 × = 0,9 (пФ),
де Ск - ємність колекторного переходу;
rб = = 11,43 (Ом); gб == 0,0875 (Cм),
де rб і gб опір і провідність бази відповідно,
τс - постійна часу ланцюга зворотного зв'язку;
rе = = 1,82 (Ом), - опір емітера,
де Iк0 узятий в мА;
gбе = = 0,0036 (См), - провідність переходу база-емітер,
де β0 - статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ;
Cе = = 24,3 (пФ), - ємність емітерного переходу,
де fт гранична частота транзистора;
Ri = = 333 (Ом), gi = 0.003 (См),
де Ri і gi вихідні опір і провідність транзистора відповідно.
2.2.2.2Расчет односпрямованої моделі транзистора.
Дана модель застосовується в області високих частот [5].
Малюнок 2.2.2.2.1-Односпрямована модель транзистора.
Lвх = LБ + Lе = (2,5 +2,5) нГн = 5 (нГн) - вхідна індуктивність транзистора,
де LБ і Lе індуктивності бази і емітера відповідно;
Rвх = rб = 11,43 (Ом) - вхідний опір;
Rвих = Ri = 333 (Ом) - вихідний опір;
Свих = Ск (треб) = 0,9 (пФ) - вихідна ємність;
fmax = fт = 4,5 (ГГц) - максимальна гранична частота.
2.2.3 Розрахунок і вибір схеми термостабілізації.
2.2.3.1 емітерной термостабілізація.
Емітерной термостабилизация [5] широко використовується в малопотужних каскадах, так як втрати потужності в ній при цьому не значні і її простота виконання цілком їх компенсує, а також вона добре стабілізує струм колектора в широкому діапазоні температур при напрузі на емітер більш 3В.
Малюнок 2.2.3.1.1-Каскад з емітерной термостабілізацією.
Розрахуємо параметри елементів даної схеми.
URе = (2 ÷ 5) = 3 (В);
Eп = Uке0 + URе = 3 +3 = 6 (В);
Rе = == 136,4 (Ом);
Rб1 = , Iд = 10 × Іб, Iб =, Iд = 10 × = 10 × = 1,46 (мА),
де Iд струм базового подільника,
Iб струм бази;
Rб1 = = 1575 (Ом), - елемент базового дільника;
Rб2 = = 2534 (Ом), - елемент базового подільника.
Поряд з емітерной термостабілізацією використовуються пасивна та активна колекторні термостабілізації [5].
2.2.3.2 Пасивна колекторна термостабилизация:
Малюнок 2.2.3.2.1-Схема пасивної колекторної термостабілізації.
Urк = 6 (В);
Rк = URк/Iк0 = 6/0.022 = 273 (Ом);
Eп = Uке0 + Urк = 9 (У);
Iб = = 0.022/150 = 0,146 (мА),
Rб = = 15,7 (КОм).
Струм бази визначається величиною Rб. При збільшенні струму колектора напруга в точці А падає, і отже зменшується струм бази, а значить зменшує струм колектора. Але щоб став змінюватися струм бази, напруга в точці А має змінитися на 10-20%, тобто Rк повинно бути дуже велике, що застосовується тільки в малопотужних каскадах. Але, так як ми будемо застосовувати перехресні зворотні зв'язки, то дана схема нам не підходить.
2.2.3.3 Активна колекторна термостабілізація.
Можна зробити так, щоб Rб залежало від напруги в точці А див. рис. (2.2.3.2.1). Отримаємо що при незначному зменшенні (збільшенні) струму колектора значно збільшиться (зменшиться) струм бази. І замість великого Rк можна поставити менше на якому б падало порядку 1В див. рис. (2.2.3.3.1).
b2 = 50;
UR4> 1 B; UR4 = 2 (B);
R4 = == 91 (Ом);
Eп = Uке0 + UR4 = 5 (В);
Iб1 = Iк0/β01 = 0,022 / 150 = 146 (мкА);
Iб1 = Iк02;
Uке02 = Uке01 / 2 = 1,5 (B);
Iд = 10 × Iб2 = 10 × = 9,6 (мкA);
R3 = = 280 (КОм);
R1 = = 240 (кОм);
R2 =
Малюнок 2.2.3.3.1-Активна колекторна термостабілізація.
Дана схема вимагає значну кількість додаткових елементів, у тому числі і активних. Якщо Сф втратить свої властивості, то каскад самовозбудітся і буде не посилювати, а генерувати, тобто даний варіант не бажаний, оскільки параметри підсилювача повинні якомога менше залежати від зміни параметрів його елементів, за завданням. Грунтуючись на проведеному вище аналізі схем термостабілізації виберемо емітерной.
2.3 Розрахунок підсилювача.
Схема підсилювальних каскадів по змінному струмі наведена на малюнку 2.3.1 [1].
Малюнок 2.3.1 - Схема підсилювальних каскадів з перехресними ООС
При заданому коефіцієнті посилення схема з перехресними зворотними зв'язками має більшою смугою пропускання, яка практично не скорочується при збільшенні числа каскадів, що пояснюється комплексним характером зворотного зв'язку на високих частотах [1]. Розрахуємо підсилювач на 4-х каскадах. Для того, щоб схема була узгоджена по входу і виходу, потрібне дотримання умови:
; (2.3.1)
При виконанні умови (2.3.1) і при нехтуванні величинами другого порядку малості, коефіцієнт посилення двухтранзісторного варіанту підсилювача зображеного на малюнку 2.3.1 описується виразом
; (2.3.2)
де ; (2.3.3)
; (2.3.4)
; (2.3.5)
; (2.3.6)
Виберемо К = 0.5 і зробимо розрахунок ,,
за формулами (2.3.3-2.3.5):
К0 = = 2,125;
b1 = = 3,375;
b2 = = 3,625.
двухтранзісторного варіанту підсилювача дорівнює
(2.3.7)
де = 89,2 (пс)
; (2.3.8)
, (2.3.9)
Мн = 3 dB - допустимі частотні спотворення.
За формулою (2.3.7) за допомогою формул (2.3.8-2.3.9) зробимо розрахунок:
;
;
= 713 (МГц);
При збільшенні числа каскадів підсилювача, його практично не змінюється і може бути розрахована за емпіричної залежності
, (2.3.10)
де n - загальне число каскадів; - Верхня частота смуги пропускання двухтранзісторного варіанту підсилювача, що розраховується за формулою (2.3.7).
(МГц).
Підключення додаткових каскадів підсилення до двухтранзісторному варіанту підсилювача призводить до зростання посилення в раз, де n - загальне число каскадів, і загальний коефіцієнт підсилення, в цьому випадку, дорівнює:
.
Кu (заг) = (Раз), що відповідає 18,6 dB;
З формули (2.3.6) обчислимо Rос, потім висловимо Rе, воно буде опором ООС і назвемо його:
(Ом);
(Ом);
; (Ом);
Малюнок 2.3.2-Радіорелейні підсилювач на чотирьох каскадах.
2.4 Розрахунок ємностей і дроселів.
Проведений нижче розрахунок заснований на [4].
(ПФ);
(МкГн);
На нижніх частотах нерівномірність АЧХ обумовлена ємностями Ср і Се, тому нехай 1,5 dB вносять Ср і стільки ж Се.
, (2.4.1)
де R1 і R2 опору відповідно зліва і справа від Ср
Yн допустимі спотворення вносяться однієї ємністю.
(DB), (разів), для СР1 і
(Разів), для Се.
R1 = Rвих (каскаду), R2 = Rвх (каскаду) = Rн = 50 (Ом), для СР1 (межкаскадной),
R1 = Rг = Rвих (3-го каскаду) = 50 (Ом), R2 = Rвх (каскаду) = Rн = 50 (Ом), для Ср2,
;
;;
;
(Ом).
За формулою (2.4.1) розрахуємо СР
(ПФ);
(ПФ);
;
;
(Нс);
(ПФ).
| РТФ КП 468730.001 ПЗ | ||||||||||||||||||
| Літ | Маса | Масштаб | ||||||||||||||||
| З | Лист | Nдокум. | Підпис. | Дата | ПІДСИЛЮВАЧ Радіорелейний | |||||||||||||
| Виконав | Валтеев | ЛІНІЙ ЗВ'ЯЗКУ | ||||||||||||||||
| Перевірив | Тітов | Схема електрична принципова | ||||||||||||||||
| Принципова | Лист | Листів | ||||||||||||||||
| ТУСУР РТФ | ||||||||||||||||||
| Кафедра РЗИ | ||||||||||||||||||
| гр. 148-3 | ||||||||||||||||||
| Позиція Позна. | Найменування | Кількість | Примітка |
| Конденсатори ОЖ0.460.203 ТУ |
| С1, С12 | КД-2-130 пФ ± 5% | 2 | |||||||||||||||||||
| С2, С5, C8 | КД-2-10 пФ ± 5% | 3 | |||||||||||||||||||
| С3, С6 С9, C11 | КД-2-3, 4 нФ ± 5 | 4 | |||||||||||||||||||
| С4, С7 С10, C13 | КД-2-300 пФ ± 5% | 4 | |||||||||||||||||||
| Котушки індуктивності | |||||||||||||||||||||
| L1.L2 L3, L4 | Індуктивність 10 мкГн ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| Резистори ГОСТ 7113-77 | |||||||||||||||||||||
| R1, R5 R10, R15 | МЛТ-0 ,125-1600 Ом ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| R2, R7 R12, R17 | МЛТ-0 ,125-2400 Ом ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| R3, R8 R13, R19 | МЛТ-0 ,125-43 Ом ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| R4, R9 R14, R20 | МЛТ-0 ,125-91 Ом ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| R6, R11 R16, R18 | МЛТ-0 ,125-62 Ом ± 10% | 4 | |||||||||||||||||||
| Транзистори | |||||||||||||||||||||
| VT1, VT2 VT3, VT4 | КТ371А | 4 | |||||||||||||||||||
| РТФ КП 468730.001 ПЗ | |||||||||||||||||||||
| Літ | Маса | Масштаб | |||||||||||||||||||
| З | Лист | Nдокум. | Підпис. | Дата | ПІДСИЛЮВАЧ | ||||||||||||||||
| Виконав | Валтеев | Радіорелейний | |||||||||||||||||||
| Перевірив | Тітов | ЛІНІЙ ЗВ'ЯЗКУ | |||||||||||||||||||
| Лист | Листів | ||||||||||||||||||||
| ТУСУР РТФ | |||||||||||||||||||||
| Перелік елементів | Кафедра РЗИ | ||||||||||||||||||||
| гр. 148-3 | |||||||||||||||||||||
3 Висновок
У даному курсовому проекті розроблений підсилювач радіолінейних систем зв'язку з використанням транзисторів КТ371А і перехресних зворотних зв'язків, має такі технічні характеристики: смуга робочих частот (40-450) МГц; коефіцієнт посилення 18,5 дБ; нерівномірність амплітудно-частотної характеристики + 1,5 дБ ; максимальне значення вихідного напруги 0,5 В; опір генератора і навантаження 50 Ом; напруга живлення 6 В.
Список використаних джерел1. Титов А.А. Спрощений розрахунок широкосмугового підсилювача / / Радіотехніка. 1979. № 6.
2. Титов А.А. Розрахунок коригувальних ланцюгів широкосмугових підсилюючих каскадів на біполярних транзисторах
3. Напівпровідникові прилади. Транзистори малої потужності: Довідник / А.А. Зайцев та ін Под ред. А.В.Голомедова.-М.: Радіо та зв'язок, 1989.: Іл.
4. Мамонкин І.П. Підсилювальні пристрої: Навчальний посібник для вузов.-М.: Зв'язок, 1977
5. Титов А.А. Розрахунок межкаскадной узгоджуючої ланцюга транзисторного смугового підсилювача потужності. / / Електронна техніка, СВЧ-техніка. Вип.1 (475), 2000