Курсовой проект. Проектирование широкополосного усилителя

Проектирование широкополосного усилителя

Руководитель ______________ А.Г.Григорьев

подпись, дата

Студент РФ 10-12Б 051104754 _________________ И.А. Городянский

подпись, дата

Красноярск 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание……………………………………………………………………2

1 Техническое задание……………………………………………………......3

1.1 Анализ технического задания……………………………………….....4

2 Расчёт и обоснование структурной схемы…………………………….......5

3 Расчёт каскадов и цепей межкаскадной связи…………………………….8

3.1 Расчёт выходного каскада………………………………………………8

3.2.1 Расчёт нестабильности режима…………………………………12

3.2.2 Расчёт коррекции на высоких частотах………………………...13

3.2.3 Расчёт блокировочных и разделительных конденсаторов……14

3.2 Расчёт промежуточного и входного каскадов……………………….15

3.2.1 Расчёт режима транзисторов……………………………………16

3.2.2 Расчёт параметров транзисторов……………………………….17

3.2.3 Расчёт основных показателей каскада…………………………18

3.2.4 Расчёт постоянных времени транзисторов…………………….19

3.2.5 Расчёт блокировочных и разделительных ёмкостей…………..20

3.3 Расчёт АЧХ…………………………………………………………….22

Заключение…………….…………………………………………………….26

Список использованных источников………………………………………27

Приложение А……………………………………………………………….28

Приложение Б……………………………………………………………….29

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62 –051104754

Проектирование

широкополосного

усилителя

В данном курсовом проекте требуется рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала: Е=2мВ;

Нагрузка активная: Rн=150 Ом;

Частотные искажения:

Низкие частоты: Мн=2, 2 дБ;

Высокие частоты: Мв=2, 4дБ;

Температура:

Минимальная: Тн=10°С;

Максимальная: Тв=45°С;

Сопротивление источника: Rист=100 Ом;

Граничные частоты:

Нижняя: fн=50 Гц;

Верхняя: fв=15 МГц;

Нелинейные искажения: Кг=6 %;

Амплитуда выходного сигнала: Евых=2 В.

1.1

При расчёте данного широкополосного усилителя следует учитывать то обстоятельство, что он имеет высокую верхнюю граничную частоту. Соблюдение данного условия обеспечим применением высокочастотных усилительных секций типа общий эмиттер – общая база (ОЭ-ОБ) с использованием коррекции эмиттерной противосвязью, которая дополнительно стабилизирует коэффициент усиления каскада.

Умеренные требования по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной стабилизации.

Также в проекте необходимо предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки. Для этого выходной каскад следует выполнить по схеме с общим эмиттером на достаточно мощном транзисторе, так как сопротивление коаксиального кабеля мало (150 Ом). Предоконечный каскад будет выполнен на интегральной схеме, имеющей малое выходное сопротивление (типа К265УВ7).

Найдем расчетный коэффициент усиления:

K_p=

где K_З=1, 5 - коэффициент запаса усиления,

R_ВХ=2 кОм - входное сопротивление усилителя.

Определим требуемое число активных каскадов:

где K_m=40 -максимально возможное усиление одно-двухтранзисторных интегральных схем.

Положим число активных каскадов N=3.

Коэффициент усиления каждого каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

Нестабильность усиления в каждом каскаде:

dK_i=dK / N=3, 33%.

Верхняя граничная частота одного некорректированного каскада:

Так как граничная частота усилителя достаточно высока, можно использовать усилительные секции ОЭ-ОБ с коррекцией эмиттерной противосвязью.

Из графика (смотри рисунок 1) по заданной кривой находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией:

; K'=0, 6.

По графику (смотри рисунок 2) определим выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах:

Рисунок 2 - Выигрыш площади усиления при простой параллельной

коррекции

Установим значение K_k/K_опт на уровне 0, 9. По графику определим выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах: g'_K=2, 08.

Окончательно выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

g_K = 1 + K'(g'_K - 1) = 1, 7.

Необходимая верхняя граничная частота оконечного (корректированного) каскада:

f_в = f_вi'/g_K = 11, 48 МГц.

Необходимая площадь усиления оконечного каскада:

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

В данном случае коэффициенты и площади усиления каждого каскада могут быть обеспечены с помощью двухкаскадной усилительной секции общий эмитер-коллекторный повторитель (ОЭ-КП), реализованной в интегральной микросхеме К265УВ7.

Выходной каскад построим по схеме с общим эмиттером на дискретном транзисторе с коррекцией эмиттерной противосвязью и с гальванической связью с предыдущим каскадом. Применение гальванических связей между каскадами позволяет сократить общее число конденсаторов, снизить их суммарную емкость, уменьшает тем самым габариты и вес усилителя, его стоимость, повышает надежность.

Рисунок 3 – Структурная схема усилителя

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

3 Расчёт каскадов и цепей межкаскадной связи

3.1 Расчёт выходного каскада

Рисунок 3 - Принципиальная схема выходного каскада

Согласование с внешней нагрузкой обеспечивается выбором коллекторного сопротивления:

R₃ =R_К=R_НД=150 Ом, тогда R_Н= R_НД /2=75 Ом.

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока:

.

Постоянная составляющая коллекторного тока:

I_K==(1, 5 2)× I_K~=0, 04 A.

Определим напряжение питания. Для этого положим:

DI_K=0, 1× I_K=4 мА - допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности характеристик.

U_ОСТ=2 В - остаточное напряжение на коллекторе.

U_Э=U_НС-U_БЭ=5, 37 В -напряжение на эмиттере транзистора.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

E_K³ (I_K=+DI_K)× R_K+E_ВЫХ+U_Э+U_ОСТ=15, 97 В.

Полученное значение округляем до большего типового значения E_K=18В.

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

U_КЭ=E_K -U_Э -I_K× R_K=6, 63 В.

Необходимое сопротивление постоянному току в эмиттере:

R₅ =R_Э =U_Э/I_K==134, 25Oм.

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

где U_Кдоп - максимальное напряжение на коллекторе транзистора,

I_Кдоп - максимальный коллекторный ток транзистора,

P_Кдоп - максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям – КТ604А.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

.

Параметры элементов схемы замещения транзистора:

.

Граничная частота транзистора:

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Сопротивление обратной связи:

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

где R_Г - выходное сопротивление микросхемы К265УВ7 в типовом режиме.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Приращение напряжения база-эмиттер:

Приращение неуправляемого тока коллектора:

Приращение коллекторного тока:

где R_вх=r_б'б+r_б'э=157, 039 Ом

Нестабильность коэффициента усиления каскада:

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Так как связь с предыдущим каскадом гальваническая, в каскаде две емкости - разделительная на входе и блокировочная в эмиттере.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

где .

Разделительная емкость выходного каскада:

где R_эн=2× R_нд=300 Ом, т.к каскад нагружен на согласованную нагрузку.

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

t_Эвых=0, 4× t_Рвых=0, 015 мс;

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рисунок 4 - Принципиальная схема промежуточного каскада

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Между выводами 11 и 13 микросхемы включим дополнительный резистор R₁=R₂=R_д=160 Ом, уменьшающий эмиттерное сопротивление первого транзистора до величины:

Рассчитаем коллекторные токи:

где E_K=12, 6 В -напряжение питания К265УВ7.

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

U_Э1=I_K1× R_Э0=1, 055 В;

U_Э2=I_K2× R₈=2, 811 В;

U_K2=E-R₇× (I_K1+I_K2)=8, 693В;

U_K1= U_K2-I_K1× R₄=3, 511 В.

Для падений напряжений на транзисторах:

U_КЭ1=U_K1-U_Э1=2, 456 В;

U_КЭ2=U_K2-U_Э2=5, 882 В.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Таблица 2 - Справочные параметры транзистора КТ307Б

Т.к I_K1=I_K2, то пересчет f_Т можно не проводить:

r_б'к=2× r_K=600 кОм;

f_T=2× f_Тспр=500 МГц;

Входные сопротивления первого и второго транзисторов:

R_вх.т1=r_б'б+r^*_б'э=2722 Ом;

R_вх.т2= r_б'б+r_б'э=427, 452 Ом.

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

R_Н=R₇=590 Ом.

Входное сопротивление секции:

Выходное сопротивление секции:

где .

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

Ом.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

3.2.4 Расчёт постоянных времени транзисторов

Для входного каскада:

.

где

R_б=R₁||R₂=1070 Ом.

Для промежуточного каскада:

Эквивалентная постоянная времени секции, соответствующая ей граничная частота и площадь усиления для входного каскада:

Эквивалентная постоянная времени секции, соответствующая ей граничная частота и площадь усиления для промежуточного каскада:

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Все конденсаторы рассчитываются по формуле:

Емкость разделительного конденсатора входного каскада:

где a_Р1=1.5 - весовой коэффициент для разделительных конденсаторов;

a_Э1=0, 4 a_Э2=1 -весовой коэффициент для блокировочных конденсаторов.

=868.843 Ом;

Емкость разделительного конденсатора промежуточного каскада:

= 81, 143 Ом;

Емкости блокировочных конденсаторов входного каскада:

t_Э1=t_Э2=0, 4× =0.431 с;

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

t_Э1=t_Э2=0.4× t_{Р пр} =2, 034× 10^-3с;

R_эн.пр2=R_эн.вх2=2, 442 Ом;

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рисунок 5 - АЧХ выходного каскада на верхних частотах

`

Рисунок 2 – АЧХ выходного каскада на нижних частотах

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рисунок 8 - АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рисунок 10 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Рисунок 11 - АЧХ усилителя на нижних частотах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Верхняя граничная частота полученного усилителя значительно превышает частоту, приведённую в техническом задании. Данный факт объясняется использование интегральных микросхем К265УВ7 во входном и промежуточном каскадах а так же транзистора КТ604А в выходном каскаде усилителя. Данные компоненты обладают значительно более высокими техническими характеристиками по сравнению с аналогами при сопоставимой стоимости.

Согласно техническому заданию было проведено согласование усилителя с активной низкоомной нагрузкой (Rн=150 Ом) в виде коаксиального кабеля. Согласование осуществляется путём использованию мощного транзистора КТ604А в выходном каскаде с ОЭ и микросхемы К265УВ7 с низким выходным сопротивлением в промежуточном каскаде.

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

1. Волошенко, В.В. Аналоговые устройства: Программа курса, задания и методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта / В.В. Волошенко, А.Г. Григорьев, В.И. Юзов – КГТУ.: Красноярск, 1996г.

2. Юзов, В.И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет каскадов и секций). Методические указания по курсу “Усилительные устройства” / В.И. Юзов, КПИ.: Красноярск, 1983 г.

3. Юзов, В.И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов). Методические указания по курсу “Усилительные устройства” / В.И. Юзов, КПИ.: Красноярск, 1983 г.

4. Волошенко, В.В. Аналоговые устройства / А.Г. Григорьев, В.И. Юзов – КГТУ.: Красноярск, 1996. - 40с.

5. Войшвилло, Г. В Усилительные устройства / Г. В. Войшвилло – М.: Связь, 1975.

6. Терабрин, Б. В. Справочник по интегральным микросхемам / Б. В. Терабрин – М.: Энергия, 1977.