Реферат: Усилитель широкополосный

--PAGE_BREAK--1 Введение Сейчас в электронной технике часто используются разнообразные усилительные устройства. В любом теле-радиоустройстве, в компьютере есть усилительные каскады.
В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя напряжения на основе операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с полосой пропускания в несколько мегагерц с непосредственной связью между каскадами (т.е. без Ср), с большим коэффициентом усиления, высоким входным и малым выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума, при хорошей температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи (ОС).

ОУ предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами, при работе в схеме с глубокими отрицательными обратными связями (ООС). При этом под аналоговой величиной подразумевается непрерывно изменяющееся напряжение или ток

Основной целью данного курсового проекта является разработка широкополосного усилителя.

В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчёт цепей усилителя.

По заданию усилитель должен усиливать сигнал в полосе частот от 4 до 40 МГц с частотными искажениями не более 2 дБ на верхних и 3дБ нижних частотах. Нелинейные искажения усилителя необходимо оценить.


2 Расчет структурной схемы усилителя
2.1 Определение числа каскадов

Чтобы обеспечить амплитуду выходного сигнала, заданную в техническом задании, нужно выбрать многокаскадный усилитель, так как одного усилительного элемента недостаточно. Поэтому определим число каскадов для обеспечения выходного сигнала.

Структурную схему многокаскадного усилителя можно представить как

<img width=«546» height=«136» src=«ref-1_568652835-1967.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026">
Рисунок 2.1 — Структурная схема усилителя

K— коэффициент усиления, дБ;

Ki— коэффициент усиления i-го каскада, дБ; i= 1,...,n; n— число каскадов.

Для ШУ диапазона  ВЧ с временем установления порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая, что все каскады с одинаковым Kiравным 10 децибел, то есть:

<img width=«124» height=«41» src=«ref-1_568654802-407.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">                                                                                          (2.1)
2.2 Распределение искажений по каскадам
Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется как:

<img width=«76» height=«45» src=«ref-1_568655209-338.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">,                                                                                                   (2.2)

где Yв — результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ.

Yвi— коэффициент частотных искажений I-го каскада, дБ.

Суммирование в формуле (2.2) производится n+1 раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной Rг, Rвх, Cвх (рисунок 2.1).

Распределять искажения можно равномерно, при этом:

Yвi = Yв/(n+1) = 2/(2+1) дБ = 0,66 дБ = 0,926119 раз                           (2.3)


3 Расчет оконечного каскада
Выходной каскад работает в режиме большого сигнала, поэтому расчет его ведем так, чтобы обеспечить заданную амплитуду выходного напряжения при допустимых линейных (в области верхних частот или малых времен) и нелинейных искажениях.

Расчет начнем с выбора транзистора и режима его работы.
3.1 Расчет требуемого режима транзистора
Задание определённого режима транзистора по постоянному току необходимо для обеспечения требуемых характеристик всего каскада.

Для расчета требуемого режима транзистора необходимо определиться с типом каскада, для этого рассчитаем оба: и резистивный и дроссельный каскады и сравним их.

Затем выберем наиболее оптимальный тип каскада.
3.1.1 Расчёт параметров резистивного каскада
Для расчета используем параметры из задания: Rн=50 Ом, <img width=«67» height=«24» src=«ref-1_568655547-251.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">, сопротивление коллекторной цепи возьмем равной Rк = Rн = 50 Ом.

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.1, а, эквивалентная схема по переменному току на рис. 3.1, б.
<img width=«587» height=«167» src=«ref-1_568655798-9539.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">                               а)                                                                б)
    продолжение
--PAGE_BREAK--Рисунок 3.1 – Принципиальная и эквивалентная схемы резистивного каскада


1) Найдем ток и напряжение в рабочей точке:

<img width=«168» height=«22» src=«ref-1_568665337-368.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">,                                                                                (3.1)

где <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_568665705-210.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">  — напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;

       <img width=«33» height=«25» src=«ref-1_568665915-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031">  — напряжение на выходе усилителя;

       <img width=«32» height=«25» src=«ref-1_568666129-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">  — остаточное напряжение на транзисторе.


2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:

<img width=«279» height=«43» src=«ref-1_568666343-633.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">                                                         (3.2)

3) Постоянный ток коллектора:

<img width=«403» height=«49» src=«ref-1_568666976-741.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">,                             (3.3)

где <img width=«32» height=«36» src=«ref-1_568667717-222.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">  — постоянная составляющая тока коллектора;

       <img width=«31» height=«25» src=«ref-1_568667939-219.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">  — сопротивление нагрузки по сигналу.

4) Выходная мощность усилителя равна:

<img width=«281» height=«48» src=«ref-1_568668158-643.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">                                                        (3.4)

5) Напряжение источника питания равно:

<img width=«301» height=«24» src=«ref-1_568668801-505.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">                                                    (3.5)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:

<img width=«332» height=«25» src=«ref-1_568669306-568.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">                                              (3.6)

7) Мощность, потребляемая от источника питания:

<img width=«255» height=«25» src=«ref-1_568669874-486.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040">                                                              (3.7)

8) КПД:<img width=«273» height=«47» src=«ref-1_568670360-658.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041">                                            (3.8)
3.1.2 Расчёт дроссельного каскада
В дроссельном каскаде в цепи коллектора вместо сопротивления используется индуктивность, которая не рассеивает мощность и требует меньшее напряжение питания, поэтому у этого каскада выше КПД.

Используем требуемые параметры задания: Rн=50 Ом, <img width=«67» height=«24» src=«ref-1_568655547-251.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">.

<img width=«200» height=«109» src=«ref-1_568671269-2933.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027">
Принципиальная схема дроссельного каскада по переменному току изображена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2-Схема дроссельного каскада по переменному току.
1) Найдем напряжение в рабочей точке:

<img width=«215» height=«24» src=«ref-1_568674202-409.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043">                                                                       (3.9)

2) Постоянный ток коллектора:

<img width=«199» height=«45» src=«ref-1_568674611-500.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044">                                                                        (3.10)


3) Выходная мощность усилителя:

<img width=«219» height=«48» src=«ref-1_568675111-575.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">                                                                    (3.11)

4) Напряжение источника питания равно:

<img width=«272» height=«24» src=«ref-1_568675686-467.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046">                                                        (3.12)

5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

<img width=«248» height=«25» src=«ref-1_568676153-460.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">                                                              (3.13)

6) Мощность, потребляемая от источника питания:

<img width=«264» height=«25» src=«ref-1_568676613-484.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">                                                          (3.14)

7) КПД:<img width=«273» height=«47» src=«ref-1_568677097-659.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049">                                          (3.15)
Таблица 3.1 — Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.





Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что лучше выбрать дроссельный каскад.


3.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

1) Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

<img width=«100» height=«23» src=«ref-1_568678623-295.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">,                                                                                            (3.16)

где<img width=«93» height=«24» src=«ref-1_568678918-315.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055"> из технического задания.

Найдем граничную частоту усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

<img width=«254» height=«26» src=«ref-1_568679233-434.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">                                                            (3.17)

2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:

<img width=«238» height=«26» src=«ref-1_568679667-448.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">                                                                (3.18)

3) Предельно допустимого тока коллектора:

<img width=«267» height=«29» src=«ref-1_568680115-525.coolpic» v:shapes="_x0000_i1058">                                                         (3.19)

4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:

<img width=«273» height=«25» src=«ref-1_568680640-485.coolpic» v:shapes="_x0000_i1059">                                                        (3.2)
Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ.

Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ913А.

Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-nгенераторный сверхвысокочастотный.

Предназначенный для работы в схемах усиления мощности, генерирования, умножения частоты в диапазоне 200 – 1000 МГц в режимах с отсечкой коллекторного тока.

Выпускается в герметичном металлокерамическом корпусе с полосковыми выводами.
Основные параметры транзистора:

1) Граничная частота коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:

fГ =900 МГц;

2) Постоянная времени цепи обратной связи:

τс=18пс;

3) Емкость коллекторного перехода при Uкб=28В:

Ск=7пФ;

4) Емкость эмиттерного перехода:

Cэ=40пФ;

5) Максимально допустимое напряжение на переходе К-Э:

Uкэ max= 55В;

6) Максимально допустимый ток коллектора:

Iк max= 0,5А;

Выберем следующие параметры рабочей точки:

Т.к. транзистор хорошо работает только начиная с 6В то примем <img width=«54» height=«23» src=«ref-1_568681125-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060">.


3.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования предъявляются к температурной стабильности каскада. В данной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, и активная коллекторная. Рассчитаем все три схемы, а затем определимся с выбором конкретной схемы стабилизации.

3.3.1 Эмиттерная термостабилизация
Эмиттерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 5В.

<img width=«312» height=«308» src=«ref-1_568681375-10573.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">

Рисунок 3.3-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.
Рассчитаем параметры элементов данной схемы:

1) Необходимое напряжение питания:

Еп=URэ+Uкэ0+Iк0*Rк                                                                                   (3.21)

Значение источника питания необходимо выбирать из стандартного ряда, поэтому выберем напряжение URэс учетом того, что Еп=10В, Rк=0Ом:

2)Напряжение на Rэ:

URэ=Eп-Uкэ0+Iк0*Rк=10В-6В=4В                                                              (3.22)

3) Сопротивление эмиттера:

<img width=«204» height=«47» src=«ref-1_568691948-533.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062">                                                                       (3.23)

4) Напряжение на базе транзистора:

Uб=URэ+0,7В = 4,7В                                                                                 (3.24)


5) Базовый ток транзистора:

Iб=<img width=«164» height=«48» src=«ref-1_568692481-441.coolpic» v:shapes="_x0000_i1063">                                                                          (3.25)

6) Ток делителя:

Iд=5×Iб=5,5мА,                                                                                          (3.26)

где Iд – ток, протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2.

Сопротивления делителей базовой цепи:

7) Rб1=<img width=«211» height=«48» src=«ref-1_568692922-565.coolpic» v:shapes="_x0000_i1064">                                                         (3.27)

8) Rб2=<img width=«185» height=«49» src=«ref-1_568693487-522.coolpic» v:shapes="_x0000_i1065">                                                               (3.28)

Наряду с эмиттерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторные термостабилизации.
3.3.2 Пассивная коллекторная термостабилизация
Данный вид термостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4) используется на малых мощностях и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся на базу через базовый делитель.

<img width=«456» height=«286» src=«ref-1_568694009-9679.coolpic» v:shapes="_x0000_i1066">
    продолжение
--PAGE_BREAK--