Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






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

Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
Разраб.
Городянский И.А
Провер.
Григорьев
Т. Контр.
Н. Контр.
 
Утверд.
 
Лит.
Листов
 
 
Масса
Масштаб
РФ 11-32Б
 
1: 1

усилителя

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
1 Техническое задание

 

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

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Анализ технического задания

 

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).

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
2 Расчёт и обоснование структурной схемы

 

Найдем расчетный коэффициент усиления:

Kp=

где KЗ=1, 5 - коэффициент запаса усиления,

RВХ=2 кОм - входное сопротивление усилителя.

Определим требуемое число активных каскадов:

где Km=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:

dKi=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:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
Рисунок 1 - Потери площади усиления при эмиттерной коррекции

 

Рисунок 2 - Выигрыш площади усиления при простой параллельной

коррекции

 

Установим значение Kk/Kопт 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:

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

Необходимая верхняя граничная частота оконечного (корректированного) каскада:

fв = fвi'/gK = 11, 48 МГц.

Необходимая площадь усиления оконечного каскада:

СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
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

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
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 =RК=RНД=150 Ом, тогда RН= RНД /2=75 Ом.

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока:

.

Постоянная составляющая коллекторного тока:

IK==(1, 5 2)× IK~=0, 04 A.

Определим напряжение питания. Для этого положим:

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

UОСТ=2 В - остаточное напряжение на коллекторе.

UЭ=UНС-UБЭ=5, 37 В -напряжение на эмиттере транзистора.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
UНС=5, 37 В - постоянная составляющая на выходе ИС К265УВ7.

EK³ (IK=+DIK)× RK+EВЫХ+UЭ+UОСТ=15, 97 В.

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

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

UКЭ=EK -UЭ -IK× RK=6, 63 В.

Необходимое сопротивление постоянному току в эмиттере:

R5 =RЭ =UЭ/IK==134, 25Oм.

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

где UКдоп - максимальное напряжение на коллекторе транзистора,

IКдоп - максимальный коллекторный ток транзистора,

PКдоп - максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям – КТ604А.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Таблица 1 - Справочные данные транзистора КТ604А

bmin=30 bmax=120 fT=40 ГГц СЭ=70 пФ СК=7 пФ
tОС=160 псек rК=500 кОм Dr=1, 2 UKmax=250 В IKmax=200 мA
IК0=1мА x=2 IКИ=0, 20 А Pmax=0, 800 Вт UКИ=40 В

 

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:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Для каскада с ОЭ площадь усиления оценивается по формуле:

где RГ - выходное сопротивление микросхемы К265УВ7 в типовом режиме.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.1 Расчёт нестабильности режима

 

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Приращение напряжения база-эмиттер:

Приращение неуправляемого тока коллектора:

 

Приращение коллекторного тока:

где Rвх=rб'б+rб'э=157, 039 Ом

Нестабильность коэффициента усиления каскада:

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.2 Расчёт коррекции на высоких частотах

 

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.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.3 Расчёт блокировочных и разделительных конденсаторов

 

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

где .

Разделительная емкость выходного каскада:

где Rэн=2× Rнд=300 Ом, т.к каскад нагружен на согласованную нагрузку.

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

tЭвых=0, 4× tРвых=0, 015 мс;

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2 Расчёт промежуточного и входного каскадов

 

Рисунок 4 - Принципиальная схема промежуточного каскада

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.1 Расчёт режима транзисторов

 

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

Рассчитаем коллекторные токи:

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

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

UЭ1=IK1× RЭ0=1, 055 В;

UЭ2=IK2× R8=2, 811 В;

UK2=E-R7× (IK1+IK2)=8, 693В;

UK1= UK2-IK1× R4=3, 511 В.

Для падений напряжений на транзисторах:

UКЭ1=UK1-UЭ1=2, 456 В;

UКЭ2=UK2-UЭ2=5, 882 В.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.2 Расчёт параметров транзисторов

 

Таблица 2 - Справочные параметры транзистора КТ307Б

bmin=40 СЭ=4, 5пФ rК=300кОм IKmax=20мA Pmax=15мВт
bmax=160 СК=4, 7пФ Dr=0 IК0=0, 5мкА x=1, 5
FT=250 МГц tОС=500псек UKmax=10В IКИ=0.005А UКИ=2В

 

Т.к IK1=IK2, то пересчет fТ можно не проводить:

 

rб'к=2× rK=600 кОм;

fT=2× fТспр=500 МГц;

.
 
 
 
 
 
 
3.2.3 Расчёт основных показателей каскада

 

Входные сопротивления первого и второго транзисторов:

Rвх.т1=rб'б+r*б'э=2722 Ом;

Rвх.т2= rб'б+rб'э=427, 452 Ом.

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

RН=R7=590 Ом.

Входное сопротивление секции:

 

Выходное сопротивление секции:

где .

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

Ом.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754


3.2.4 Расчёт постоянных времени транзисторов

Для входного каскада:

.

где

Rб=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:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.2.5 Расчёт блокировочных и разделительных ёмкостей

 

Все конденсаторы рассчитываются по формуле:

Емкость разделительного конденсатора входного каскада:

где aР1=1.5 - весовой коэффициент для разделительных конденсаторов;

aЭ1=0, 4 aЭ2=1 -весовой коэффициент для блокировочных конденсаторов.

=868.843 Ом;

Емкость разделительного конденсатора промежуточного каскада:

= 81, 143 Ом;

Емкости блокировочных конденсаторов входного каскада:

tЭ1=tЭ2=0, 4× =0.431 с;


 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754


Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Емкости блокировочных конденсаторов промежуточного каскада:

tЭ1=tЭ2=0.4× tР пр =2, 034× 10-3с;

Rэн.пр2=Rэн.вх2=2, 442 Ом;

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
3.3 Расчёт АЧХ

 

Рисунок 5 - АЧХ выходного каскада на верхних частотах

 

`

Рисунок 2 – АЧХ выходного каскада на нижних частотах

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Рисунок 7 - АЧХ промежуточного каскада на верхних частотах

 

Рисунок 8 - АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Рисунок 9 - АЧХ входного каскада на верхних частотах

 

 

Рисунок 10 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
Рисунок 11 - АЧХ усилителя на верхних частотах

 

 

Рисунок 11 - АЧХ усилителя на нижних частотах

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
В ходе выполнения данной курсовой работы был спроектирован широкополосный усилитель удовлетворяющий параметрам, приведённым в техническом задании к проекту.

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.

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
 
СФУ ИИФиРЭ. КП – 210400.62–051104754
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

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.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Приложение 1. | Сущность менеджмента организации




© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.