Министерство Образования Российской Федерации
Томский государственный университет систем управления и радиоэлекроники (ТУСУР)
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации(РЗИ)
Усилитель мощности широкополосного локатора
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Схемотехника аналоговых устройств”
Студент гр.148-3Уткин А.Н
Руководитель
Доцент каф. РЗИ
Титов А.А
Томск 2001 Реферат
Курсовая работа 39 с., 13 рис., 2 табл., 7 источников.
Усилитель мощности, выходная корректирующая цепь, межкаскадная корректирующая цепь, рабочая точка, выбор транзистора, схемы термостабилизации, методика Фано, однонаправленная модель транзистора, эквивалентная схема Джиаколетто, нагрузочные прямые, дроссельный каскад.
Объектом исследования является усилитель мощности нелинейного локатора.
В данной курсовой работе рассматриваются условия выбора транзистора,
методы расчета усилительных каскадов, корректирующих цепей, цепей термостабилизации.
Цель работы – приобрести навыки расчета транзисторных усилителей мощности.
В результате работы был расчитан широкополосный усилитель мощности, который может использоваться в широкополосной локации для исследования прохождения радиоволн в различных средах.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft World 97 и представлена на дискете 3,5”.
Техническое задание
Усилитель должен отвечать следующим требованиям:
1 Рабочая полоса частот: 50-500 МГц
2 Допустимые частотные искажения
в области нижних частот не более 3 дБ
в области верхних частот не более 3 дБ
3 Коэффициент усиления 20 дБ
4 Выходная мощность P=0.5 Вт
5 Диапазон рабочих температур: от +10 до +50 градусов Цельсия
6 Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом
Содержание 1 Введение……………………………………………………………………… .5 2 Определение числа каскадов…………………………………………………63 Распределение искажений на высоких частотах……………………...…….6
4 Расчет оконечного каскада……………………………………………..…….6
4.1 Расчет рабочей точки………………………………………………………..6
4.1.1 Расчет рабочей точки при использовании Rк=Rн……………………….7
4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада………………………..9
4.2 Выбор транзистора оконечного каскада …………………………………10
4.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора ……………………………….11
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации……………………………..13
4.4 1 Эмиттерная термостабилизация…………………………………………13
4.4.2 Коллекторная пассивная термостабилизация…………………………..14
4.4.3 Коллекторная активная термостабилизация……………………………15
4.5 Расчет элементов высокочастотной коррекции…………………………..17
4.5.1 Расчет выходной корректирующей цепи………………………………..17
4.5.2 Расчет межкаскадной корректирующей цепи…………………………..20
5 Расчет предварительного каскада……………………………………………24
6 Расчет входного каскада……………………………………………………...27
7 Расчет дросселей, разделительных и блокировочных конденсаторов…….31
8 Заключение…………………………………………………………………….35
9 Литература……………………………………………………………………..39
1 ВведениеВ данной курсовой работе расчитывается усилитель широкополосного локатора, который может использоваться в исследованиях прохождения радиоволн в различных средах, в том числе прохождения различных длин волн в городских условиях, исследования влияния радиоволн на микроорганизмы.
Но так как коэффициент усиления транзистора на высоких частотах составляет единицы раз, то при создании усилителя необходимо применять корректирующие цепи, обеспечивающие максимально возможный коэффициент усиления каждого каскада усилителя в заданной полосе частот. Для нейтрализации влияния выходной емкости выходного транзистора на уровень выходной мощности усилителя, предложено использовать выходную корректирующую цепь, рассчитанную по методике Фано. С целью повышения коэффициента полезного действия усилителя, целесообразно применение активной коллекторной термостабилизации
2 Определение числа каскадовПри расчете усилителей первым делом определяют количество каскадов [1,2]. Число каскадов определяется по коэффициенту усиления, который определяется техническим заданием (тз). Для этого выбирается коэффициент усиления для одного каскада. Потом коэффициент усиления усилителя делится на коэффициент усиления одного каскада.
В данном мне задании коэффициент усиления усилителя 20дб. Я задался коэффициентом усиления одного каскада около 6дб. Так число каскадов должно быть целым, то тогда после вычислений получается, что в состав усилителя будет входить 3 каскада и на каждый каскад будет приходиться по 6.67дб усиления:
3 Распределение искажений на высоких частотах
На высоких частотах в усилителе возникают нелинейные искажения вследствие нелинейности его элементов, что приводит к отклонению амплитудно-частотной характеристики.
При распределении искажений на высоких частотах определяются искажения приходящиеся на каждый каскад усилителя[1,2].
Для этого допустимые частотные искажения, определяемые заданием, делятся на число каскадов усилителя.
По заданию допустимые частотные искажения на высоких частотах равны 3дб. В усилитель входит 3 каскада. Тогда на каждый каскад будет приходиться по 1дб искажений.
4 Расчет оконечного каскада4.1 Расчет рабочей точки
Рабочей точкой называется ток или напряжение на транзисторе при отсутствии входного сигнала.
Рабочая точка расчитывается по заданной мощности Рвых или выходному напряжению Uвых. Но чаще даётся мощность, по которой можно найти выходное напряжение (амплитуду) из соотношения [1,2]:
(4.1)
(4.2)
Тогда амплитуда выходного напряжения будет равна:
По известному сопротивлению нагрузки и выходному напряжению можно найти ток в нагрузке:
(4.3)
В результате ток равен:
4.1.1 Расчет рабочей точки для реостатного каскада
Чтобы найти ток в рабочей точке, нужно знать ток на выходе каскада:
(4.4)
Сопротивления Rк и Rн выбраны равными, то равны и токи, протекающие через них:
(4.5)
Тогда получим:
Схема для данного случая изображена на рисунке (4.1).
Координаты рабочей точки находится по выражениям:
(4.6)
(4.7)
Здесь Uост начальное напряжение нелинейного участка выходных характеристик транзистора, берется от 2В до 3В. После подстановки в выражения (4.6, 4.7) получится:
Рисунок 4.1
Напряжение источника питания для схемы будет составлять сумму падений напряжений на сопротивлении Rк и транзисторе:
(4.8)
где
- напряжение в рабочей точке
Выражение (4.8) называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой будет изменяться рабочая точка.
Чтобы провести прямую, достаточно знать две точки:
В сигнальном режиме строится нагрузочная прямая по переменному току:
(4.9)
(4.10)
Для упрощения расчетов берут После подстановки получается:
На рисунке (4.2) изображен вид нагрузочных прямых по постоянному и переменному токам.
Рисунок 4.2 – Нагрузочные прямые
Мощности рассеиваемая на транзисторе и потребляемая каскадом определяются по выражениям:
( 4.11)
(4.12)
Соответственно мощности будут равны:
4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада
В отличие от предыдущего каскада дроссельный имеет вместо сопротивления Rк дроссель Lдр, который по постоянному току имеет сопротивление близкое к нулю, а по переменному – намного большее сопротивления нагрузки.
Положим выходное напряжение тем же (Uвых=7.71В).
Рисунок 4.3- Дроссельный каскад
Расчет рабочей точки производится по тем же выражениям, что и для предыдущего каскада (4.6, 4.7), но выходной ток каскада будет равен току нагрузки:
Тогда рабочая точка будет иметь следующие координаты:
Так как дроссель по постоянному току является короткозамкнутым проводником, то напряжение питания будет равным падению напряжения на транзисторе, то есть Еп=Uкэо=10.71В.
Нагрузочная прямая по переменному току описывается выражением:
(4.13)
Для упрощения здесь Тогда изменение напряжения на транзисторе будет равно:
Вид нагрузочных прямых изображен на рисунке (4.4).
Рисунок 4.4- Нагрузочные прямые для дроссельного каскада
Потребляемая мощность каскадом и рассеиваемая на транзисторе аналогично определяется по выражениям (4.11, 4.12). В результате
получается:
Видно, что мощность рассеивания равна потребляемой.
Сравнивая энергетические характеристики двух каскадов, можно сделать вывод, что лучше взять дроссельный каскад, так как он имеет наименьшее потребление, напряжение питания и ток.
4.2 Выбор транзистора оконечного каскада
Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:
- предельный допустимый ток коллектора;
- предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер ;
- предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе.
- граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ .
Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ939А [3]. Основные технические характеристики этого транзистора приводятся ниже.
Электрические параметры:
-граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;
-постоянная времени цепи обратной связи при В пс;
-индуктивность базового вывода ;
-индуктивность эмиттерного вывода ;
-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;
-емкость коллекторного перехода при В пФ.
Предельные эксплуатационные данные:
-постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;
-постоянный ток коллектора мА;
-постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Тк=298К Вт;
-температура перехода К.
4.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора
Так как рабочие частоты усилителя больше частоты, то входная ёмкость не будет влиять на характер входного сопротивления транзистора на высоких частотах, а будет влиять индуктивность выводов транзистора. Ёмкость можно исключить из эквивалентной схемы, а индуктивность оставить. Эквивалентная однонаправленная модель представлена на рисунке (4.5). Описание такой модели можно найти в [4].
Рисунок 4.5 – Однонаправленная модель транзистора
Рисунок 4.6 – Схема Джиаколетто
Параметры эквивалентной схемы не даны в справочнике, но они совпадают с параметрами схемы транзистора, предложенной Джиаколетто [1,4] (рис.4.6).
Входная индуктивность:
(4.14)
–индуктивности выводов базы и эмиттера.
Входное сопротивление:
, (4.15)
где , причём ,
- напряжение, при котором измерялось
– берётся из справочника.
Крутизна транзистора:
, (4.16)
где
- ток в рабочей точке в милиамперах
Выходное сопротивление:
. (4.17)
Выходная ёмкость:
. (4.18)
Тогда в соответствие с этими формулами получаются следующие значения элементов эквивалентной схемы:
Ом
А/В
Ом
Ом
4.4 Расчет цепей термостабилизации
Существует несколько видов схем термостабилизации[5,6]. Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований к термостабильности. В данной работе рассмотрены следующие схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, активная коллекторная.
4.4.1 Эмиттерная термостабилизация
Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена на рисунке (4.7). Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в [5,6].
Рисунок 4.7 – Схема эмиттерной термостабилизации
При расчёте элементов схемы выбирается падение напряжения Uэ на сопротивлении Rэ (в интервале 2-5В), расчитываются ток делителя , напряжение питания, сопротивления . Так как взят дроссельный каскад, то координаты рабочей точки равны Uкэо=10.71В и Iко=0.154А.
Выбрано напряжение Uэ=3В.
Ток базового делителя находится по выражению:
(4.19)
где
Сопротивления определяются выражениями:
; (4.20)
; (4.21)
. (4.22)
Напряжение питания :
(4.23)
После подстановки получаются следующие результаты:
Ом
Ом
Ом
Рассеиваемая мощность на Rэ:
(4.24)
Тогда мощность Pэ равна:
4.4.2 Коллекторная пассивная термостабилизация
Этот вид термостабилизации [5,6] применяется в маломощных каскадах и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся на базу. Расчет начинают с того, что выбирается напряжение Urк в интервале 5-10В. Потом расчитываются напряжение питания, ток базы Iб, сопротивления Rб и Rк по выражениям:
(4.25)
Рисунок 4.8 – Схема коллекторной пассивной термостабилизации
(4.26)
(4.27)
(4.28)
Результатом подстановки будет:
Ом
Ом
Напряжение Еп=Uкэо, потому что при постоянном токе Urк равно нулю.
Рассеиваемая мощность при такой термостабилизации находится по формуле:
(4.29)
Тогда получится:
4.4.3 Коллекторная активная термостабилизация
В активной коллекторной термостабилизации используется дополнительный транзистор, который управляет работой основного транзистора. Эта схема применяется в мощных каскадах, где требуется высокий КПД. Её описание и расчёт можно найти в [5,6].
Рисунок 4.9 – Схема активной коллекторной термостабилизации
Вначале, при расчете выбирается транзистор VT1. В качестве VT1 выбран КТ361А [3]. Основные технические параметры приведены ниже.
Электрические параметры:
-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;
-емкость коллекторного перехода при В пФ.
Предельные эксплуатационные данные:
-постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;
-постоянный ток коллектора мА;
-постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Тк=298К Вт;
После этого выбирается падение напряжения на резисторе из условия (пусть В), затем производится расчёт по выражениям:
; (4.30)
; (4.31)
; (4.32)
; (4.33)
, (4.34)
; (4.35)
; (4.36)
(4.37)
(4.38)
После подстановки получаем следующие значения:
Ом
А
Ом
Ом
Ом
Рассеиваемая мощность на сопротивлении R4 определяется по выражению:
(4.39)
После подстановки имеем:
В результате, если сравнить все три вида схем термостабилизации, то видно, что лучше взять активную коллекторную, так как она более экономична. К тому же, у высокочастотных транзисторов на высокой частоте эмиттер заземлен, поэтому эмиттерная термостабилизация не используется.
4.5 Расчет элементов высокочастотной коррекции
4.5.1 Расчет выходной корректирующей цепи
Из теории усилителей известно [1,6], что для получения максимальной выходной мощности в заданной полосе частот необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора, равное постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого добиваются включением выходной емкости транзистора (см. рисунок 4.10) в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной корректирующей цепи (ВКЦ). Схема включения ВКЦ приведена на рисунке (4.10).
Рисунок 4.10 - Схема выходной корректирующей цепи
При работе усилителя без ВКЦ модуль коэффициента отражения || ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора равен
||=, (4.40)
а уменьшение выходной мощности относительно максимального значения, обусловленное наличием Cвых, составляет:
, (4.41)
где - максимальное значение выходной мощности на частоте при условии равенства нулю ;
- максимальное значение выходной мощности на частоте при наличии .
Методика Фано [6] позволяет при заданной величине и усилителя таким образом рассчитать элементы ВКЦ и, что максимальное значение модуля коэффициента отражения в полосе частот от нуля до минимально возможно.
Найдём – выходная емкость транзистора нормированная относительно и [6,7]:
(4.42)
.
Рисунок 4.11 – Схема каскада с ВКЦ
Теперь, согласно методике Фано, по таблице, приведённой в [7], найдём ближайшее к рассчитанному значение и выберем соответствующие ему нормированные величины элементов ВКЦ и , а также –коэффициент, определяющий величину ощущаемого сопротивления нагрузки и модуль коэффициента отражения :
Найдём истинные значения элементов по формулам:
; (4.43)
; (4.44)
. (4.45)
В результате получится:
нГн;
пФ;
Ом.
4.5.2 Расчет межкаскадной корректирующей цепи
Существует много межкаскадных корректирующих цепей для коррекции АЧХ, но так как расчитывается широкополосный усилитель, то нужна корректирующая цепь, которая обеспечивала бы требуемую неравномерность АЧХ на широкой полосе частот. Этому требованию соответствует межкаскадная корректирующая цепь (МКЦ) третьего порядка. Описание цепи можно найти в [6,7].
Схема каскада по переменному току приведена на рисунке (4.12) .
Рисунок 4.12 - Каскад с межкаскадной корректирующей цепью третьего порядка
Используя схему замещения транзистора приведенную на рисунке (4.5), схему (рисунок 4.12) можно представить в виде эквивалентной схемы, приведенной на рисунке (4.13).
Рисунок 4.13 - Эквивалентная схема каскада
При расчете цепи находятся нормированные значения и относительно Т1 и по выражениям:
=, (4.46)
= (4.47)
Потом выбираются нормированные значения её элементов из таблицы, исходя из требуемой неравномерности АЧХ на каскад. Нужно учесть, что элементы, приведённые в таблице, формируют АЧХ в диапазоне частот от 0 до . По известным коэффициентам , , , которые нелинейно зависят от элементов схемы и являющиеся коэффициентами полинома функции передачи каскада на транзисторе Т2[6,7]:
, (4.48)
где - коэффициент усиления каскада
- коэффициент усиления по мощности в режиме двустороннего согласования
рассчитываются нормированные значения , , по формулам [6,7]:
(4.49)
где ;
;
;
;
;
;
;
,
,
= - нормированные значения , , .
После расчета, , производится разнормировка для нахождения истинных значений элементов по выражениям:
, , . (4.50)
В области нижних частот АЧХ выравнивается резистором , который рассчитывается по формуле:
(4.51)
В качестве транзистора предварительного каскада я выбрал КТ939А (его основные характеристики в п.4.2), который будет выполнять роль транзистора Т1 на рисунке (4.13). Тогда элементы, стоящие справа и слева от МКЦ, будут равны:
Так как на каждый из трех каскадов приходится неравномерность АЧХ по одному децибеллу, то коэффициенты , , будут равны соответственно:
Найдем нормированные значения , , относительно Т1 и по выражениям (4.49):
,
,
=
После этого найдем все коэффициенты для выражений (4.49):
В результате получатся нормированные значения , , :
После разнормировки с помощью выражений (4.50) истинные значения будут иметь вид:
Коэффициент усиления по мощности в режиме двухстороннего согласования:
Тогда коэффициент усиления каскада на транзисторе Т2 будет равен:
или в децибеллах
Сопротиление R1 по формуле (4.51) получается равным:
Ом
5 Расчет предварительного каскада
Расчет предваритетельного каскада аналогичен расчету оконечного. Но только рабочая точка транзистора предваритетельного каскада находится из условий работы оконечного каскада.
В целях уменьшения числа источников питания целесообразно взять рабочую точку транзистора предваритетельного каскада равной рабочей точке транзистора оконечного каскада, т.е Uкэо=10.71В.
Током в рабочей точке транзистора предваритетельного каскада является ток в рабочей точке транзистора оконечного каскада поделенный на коэффициент передачи каскада: