Усилитель мощности системы поиска нелинейностей

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

Усилитель мощности системы

поиска нелинейностей

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

“Схемотехника аналоговых электронных устройств”

Выполнил

студент гр.148-3

___________Барановский С.В.

Проверил

преподаватель каф. РЗИ

________________ Титов А.А.

2001

Реферат

Курсовая работа 30 с., 16 рис., 1 табл., 13 источников, 2 прил.,

УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

В данной курсовой работе исследуется широкополосный усилитель мощности амплитудно и частотно модулированных сигналов, а также различные стабилизирующие и корректирующие цепи.

Цель работы - приобретение навыков расчета номиналов элементов усилительного каскада, подробное изучение существующих корректирующих и стабилизирующих цепей, умения выбрать необходимые схемные решения на основе требований технического задания.

В процессе работы были осуществлены инженерные решения (выбор транзисторов, схем стабилизации и коррекции) и расчет номиналов схем.

В результате работы получили готовую схему усилительного устройства с известной топологией и номиналами элементов, которую можно использовать для практического применения.

Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительных устройств.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 97 и представлена на дискете 3,5” (в конверте на обороте обложки).

Содержание

Введение ------------------------------------------------------------------------ 4

Техническое задание----------------------------------------------------------- 5

1 Расчеты ------------------------------------------------------------------------ 6

1.1 Определение числа каскадов-------------------------------------------- 6

1.1.1 Структурная схема усилителя----------------------------------------- 6

1.2 Распределение искажений амлитудно-частотной

характеристики (АЧХ). -------------------------------------------------------- 6

1.3 Расчет оконечного каскада ----------------------------------------------- 6

1.3.1 Расчет каскада со сложением напряжений ------------------------- 6

1.3.2 Расчет рабочей точки, выбор транзистора ------------------------- 7

1.3.3 Расчет эквивалентных схем транзистора КТ934В -------------- 11

1.3.4 Расчет схем термостабилизации транзистора КТ 934В -------- 13

1.3.5 Расчет выходной корректирующей цепи -------------------------- 16

1.3.6 Расчет элементов каскада со сложением напряжений --------- 17

1.4 Расчет предоконечного каскада.--------------------------------------- 18

1.4.1 Активная коллекторная термостабилизаця ----------------------- 18

1.4.2 Расчет межкаскадной корректирующей цепи -------------------- 18

1.5 Расчет входного каскада.------------------------------------------------ 21

1.5.1 Расчет эквивалентной схемы транзистора------------------------- 21

1.5.2 Активная коллекторная термостабилизаця ----------------------- 21

1.5.3 Входная корректирующая цепь ------------------------------------- 22

1.6 Расчет разделительных емкостей ------------------------------------- 24

1.7 Расчет коэффициента усиления---------------------------------------- 25

Заключение -------------------------------------------------------------------- 27

Список использованных источников ------------------------------------ 27

ПриложениеА Схема электрическая принципиальная ---------------- 28

ПриложениеБ Перечень элементов --------------------------------------- 30

Введение.

В теории усилителей нет достаточно обоснованных доказательств преимущества использования того либо иного схемного решения при разработке конкретного усилительного устройства. В этой связи проектирование широкополосных усилителей во многом основано на интуиции и опыте разработчика. При этом, разные разработчики, чаще всего, по-разному решают поставленные перед ними задачи, достигая требуемых результатов[1].

Основная цель работы - получение необходимых навыков практического расчета радиотехнического устройства (усилителя мощности), обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов расчета отдельных компонентов электрических схем.

Усилители электрических сигналов применяются в широкой области современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звукового вещания, радиолокации, ЭВМ. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Усилительные элементы обладают управляющими свойствами.

Система поиска нелинейностей состоит из блока формирования сложного сканирующего по частоте сигнала, широкополосного усилителя мощности (ШУМ), и широкополосной приемо-передающей антенны. ШУМ необходим для создания на разыскиваемой нелинейности такого уровня напряженности электромагнитного поля облучения, который позволил бы приемной аппаратурой осуществить прием продуктов нелинейного преобразования.[2]

Основными требованиями, предъявляемыми к ШУМ, являются: обеспечение заданной мощности излучения в широкой полосе частот; малый уровень нелинейных искажений; высокий коэффициент полезного действия; стабильность характеристик в диапазоне температур.

Устройство, рассматриваемое в данной работе, может широко применяться на практике в различных системах поиска нелинейноатей.

Техническое задание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

Рабочая полоса частот: 10-250 МГц

Линейные искажения

в области нижних частот не более 1.5 дБ

в области верхних частот не более 1.5 дБ

Коэффициент усиления 15 дБ

Выходная мощность 10 Вт

Диапазон рабочих температур: от +10 до +50 градусов Цельсия

Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом

1 Расчетная часть

1.1. Определение числа каскадов.

Число каскадов определяется исходя из технического задания. Данное устройство должно обеспечивать коэффициент усиления 15 дБ, поэтому целесообразно использовать три каскада, отведя на каждый по 5-6дБ, оставив запас по усилению мощности примерно вполовину.[3]

1.1.1Структурная схема усилителя.

Структурная схема, представленная на рисунке 1.1, содержит кроме усилительных каскадов корректирующие цепи, источник сигнала и нагрузку.

Рисунок 1.1 Структурная схема

1.2. Распределение искажений амлитудно-частотной

характеристики (АЧХ).

Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения не более 3дБ. Так как используется три каскада, то каждый может вносить не более 1дБ искажений в общую АЧХ. Эти требования накладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.[4]

1.3. Расчет оконечного каскада.

1.3.1 Расчет каскада со сложением напряжений

Целесообразней использовать схему каскада со сложением напряжений, так как значительно снижаются потребляемая мощность и величина питающего напряжения. Так же выбор каскада со сложением напряжений обусловлен большой полосой пропускания, по заданию от 10МГц до 250МГц, и достаточно большой выходной мощностью – 10 Вт. При выборе другого каскада, резестивного или дроссельного, возникают проблемы с выбором транзистора, тогда как каскад со сложением напряжений позволяет достичь заданные требования.

Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 1.1 [4].

Рисунок 1.2 Схема каскада со сложением напряжений

При условии:

(1.1)

Напряжение, отдаваемое транзистором каскада, равно входному, ток же, отдаваемый предыдущим каскадом, практически равен току нагрузки. Поэтому ощущаемое сопротивление нагрузки каскада равно половине сопротивления , его входное сопротивление также равно половине сопротивления, вплоть до частот соответствующих =0,7. Это следует учитывать при расчете рабочих точек рассматриваемого и предоконечного каскадов.

1.3.2. Расчет рабочей точки, выбор транзистора.

Зададимся вопросом: что лучше для данной схемы – включение сопротивления или дросселя в коллекторную цепь. Рассмотрим оба случая:

а) В цепи коллектора используется сопротивление

Схема каскада приведена на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 Схема оконечного каскада по переменному току.

В резистивной схеме наиболее эффективно использовать сопротивление в цепи коллектора равное сопротивлению нагрузки. Рассчитаем энергетические параметры схемы, приняв одинаковыми сопротивление нагрузки и коллектора:

Напряжение на выходе усилителя:

, (1.1)

где P- мощность на выходе усилителя, Вт;

Rн – сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда .

Выходной ток на сопротивлении нагрузки:

, (1.2)

В данной схеме появится эквивалентное нагрузочное сопротивление, представляющее собой параллельное включение сопротивлений и , в результате получится следующее:

Тогда выходной ток будет таким:

где Rэквив – сопротивление цепи коллектора по переменному току, Ом.

Теперь можно определить рабочую точку:

, где (1.3)

Напряжение источника питания будет следующим:

(1.4)

Видно, что оно достаточно высокое.

Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рис.1.4.

I, А

2.81

2.1

1.4

18 35.6 53.2 U, В

Рисунок 1.4 – Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

Расчет прямой по постоянному току производится по формуле:

(1.5)

Iк0=0: Uкэ0=Еп=53.2 В,

Uкэ0=0: Iк0= Еп/ Rк=53.2/25=2.1 А.

Расчет прямой по переменному току производится по формулам:

, ,

Найдем так же расчетную мощность цепи и мощность потребления:

(1.6)

(1.7)

б) В цепи коллектора используется дроссель

Схема каскада приведена на рис.1.5.

Рисунок 1.5 – Схема оконечного каскада по постоянному току.

Рассчитаем энергетические параметры. Значения не изменятся.

Эквивалентное нагрузочное сопротивление, возникшее в предыдущем пункте, здесь будет равно сопротивлению нагрузки, т.к. заменил дроссель. Тогда выходной ток будет следующим:

ток в рабочей точке изменится:

Запишем значения тока и напряжения в рабочей точке:

Uкэ0=18В

Iк0 =0.7А.

Напряжение источника питания:

Еп=Uкэ0 =18В.

Видно, что напряжение питания значительно уменьшилось. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рис. 1.6.

I, А

1.4 R_

0.7

18 34 U, В

Рисунок 1.6 – Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

Расчет прямой по постоянному току:

Расчет прямой по переменному току:

, ,

, .

Найдем так же расчетную мощность цепи и мощность потребления:

Сведем результаты расчетов в отдельную таблицу и проведем сравнительный анализ двух схем.

Таблица 1.1 - Сравнительный анализ схем

Параметр Схема с 53.2 В 25.4 Вт 74.9 Вт 1.4 А 18 В Схема без 18 В 12.6 Вт 12.6 Вт 0.7 А 18 В

Из таблицы следует, что дроссельный каскад потребляет в несколько раз меньше, напряжение источника питания для него нужно небольшое, что выгодно отличает данную схему. В дальнейших расчетах она и будет использоваться.

Выбор транзистора осуществляется исходя из технического задания, по которому можно определить предельные электрические и частотные параметры требуемого транзистора. В данном случае они составляют (с учетом запаса 20%):[6]

Iк доп > 1.2*Iк0=0.84 А

Uк доп > 1.2*Uкэ0=21.6 В (1.8)

Рк доп > 1.2*Pрасс=15.2 Вт

fт= (3-10)*fв=(3-10)*250 МГц.

Этим требованиям с достаточным запасом отвечает широко распространенный транзистор КТ 934В, справочные данные которого приведены ниже [7]:

Iк=2 А

Uкэ=60 В

Pк=30 Вт

Fт= 960 МГц.

при

1.3.3. Расчет эквивалентных схем транзистора КТ934В.

а) Модель Джиаколетто.

Модель Джиаколетто представлена на рис.1.7.

Рисунок 1.7 - Эквивалентная схема Джиаколетто.

Необходимые для расчета справочные данные:

, постоянная цепи обратной связи.

, статический коэффициент передачи тока базы.

, емкость коллекторного перехода.

Найдем при помощи постоянной времени цепи обратной связи сопротивление базового перехода нашего транзистора:[5]

(1.9)

Из справочных данных мы знаем, что при , а на 18В. Для того, чтобы свести параметры к одной системе воспользуемся формулой перехода:[1]

(1.10)

в нашем случае:

Теперь, зная все параметры, можно найти сопротивление:

, тогда

Найдем значение коллекторной емкости в рабочей точке по той же формуле перехода:

Найдем значения оставшихся элементов схемы:

, где (1.11)

– паспортное значение статического коэффициента передачи,

– сопротивление эмиттеного перехода транзистора

Тогда

Емкость эмиттерного перехода: , где – типовое значение граничной частоты коэффициента передачи тока, взятое из паспортных данных транзистора.[7]

Найдем оставшиеся параметры схемы:

(1.12)

(1.13)

(1.14)

б) Однонаправленная модель.[4]

Однонаправленная модель представлена на рис.1.8.

Рисунок 1.8 - Однонаправленная модель.

При определении значений элементов высокочастотной модели воспользуемся паспортными данными транзистора:[7]

(1.15)

где – входное сопротивление, – выходная емкость, – выходное сопротивление.В паспортных данных значение индуктивности.[7]

где – индуктивности выводов базы и эмиттера.

В результате получим:

1.3.4. Расчет схем термостабилизации транзистора КТ 934В.

Эмиттерная термостабилизация приведена на рис.1.9.[8]

Рисунок 1.9 Схема эмитерной термостабилизации.

Расчет номиналов элементов осуществляется исходя из заданной рабочей точки. Напряжение на эмиттере должно быть не менее 3-5 В (в расчетах возьмем 3В), чтобы стабилизация была эффективной.

Рабочая точка:

Uкэ0= 18В,

Iк0=0.7А.

Учтя это, получим:

, где , а коллекторный ток – , что было получено ранее, тогда: и 1.16)

Видно, что рассеиваемая мощность довольно велика.

Базовый ток будет в раз меньше коллекторного тока:

, (1.17)

а ток базового делителя на порядок больше базового:

(1.18)

Учтя то, что напряжение питания будет следующим:

, (1.19)

найдем значения сопротивлений, составляющих базовый делитель:

(1.20)

(1.21)

Схема активной коллекторной термостабилизации усилительного каскада приведена на рис.1.10.

Рисунок 1.10 – Схема активной коллекторной термостабилизации.

В качестве управляемого активного сопротивления выбран транзистор КТ361А со средним коэффициентом передачи тока базы 50.[9] Напряжение на

сопротивлении цепи коллектора по постоянному току должно быть больше 1 В или равным ему, что и применяется в данной схеме [4].

Энергетический расчет схемы:

. (1.22)

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении коллектора:

. (1.23)

Видно, что мощность рассеивания на отдельном резисторе уменьшилась в три раза по сравнению с предыдущей схемой. Рассчитаем номиналы схемы:

(1.24)

Номиналы реактивных элементов выбираются исходя из неравенств:

(1.25)

Этим требованиям удовлетворяют следующие номиналы:

L=30 мкГн (Rн=25 Ом) и Сбл=0.1 мкФ (fн=10 МГц).

Схема пассивной коллекторной термостабилизации приведена на рис. 1.11[8]

Вернуться