Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)
УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО
БЛОКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛОКАТОРА
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
Схемотехника и АЭУ
Студент гр. 148-3
__________Воронцов С.А.
24.04.2001
Руководитель
Доцент кафедры РЗИ
_____________Титов А.А.
_____________
2001
Реферат
Курсовой проект 18 с., 11 рис., 1 табл.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ),
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, КОМБИНИРОВАННЫЕ
ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.
Объектом проектирования является проектирование усилителя приёмного блока широкополосного локатора. Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным к нему требованиям. В процессе работы производился аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.
В результате расчета был разработан широкополосный усилитель с заданными требованиями.
Полученный усилитель может быть использован как усилитель высокой частоты в приёмных устройствах.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства” студент гр. 148-3 Воронцов С.А.
Тема проекта: Усилитель приёмного блока широкополосного локатора.
Исходные данные для проектирования аналогового устройства.
1. Диапазон частот от 100 МГц до 400 МГц.
2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB.
3. Коэффициент усиления 15 dB.
4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом.
5. Амплитуда напряжения на выходе 1 В.
6. Характер и величина нагрузки 50 Ом.
7. Условия эксплуатации (+10 +50)єС.
8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу.
Содержание
1 Введение ------------------------------------------ ---------------------
-------- 5
2 Основная часть ----------------------------------------------------------
------ 6
2.1 Анализ исходных данных -------------------------------------------------
- 6
2.2 Расчёт оконечного каскада ---------------------------------------------
-- 6
2.2.1 Расчёт рабочей точки -------------------------------------------------
--- 6
2.2.2 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора ------------- 9
2.2.2.1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто -------------------------- 9
2.2.2.2 Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9
2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации --------------------------10
2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация --------------------------------------
10
2.2.3.2 Пассивная коллекторная --------------------------------------------
-- 11
2.2.3.3 Активная коллекторная ---------------------------------------------
-- 12
3 Расчёт входного каскада по постоянному току ------------------------ 13
3.1 Выбор рабочей точки ---------------------------------------------------
--- 13
3.2 Выбор транзистора -----------------------------------------------------
---- 13
3.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора-------------------------------
14
3.3.1 Расчёт цепи термостабилизации-----------------------------------------
14
4.1 Расчёт полосы пропускания выходного каскада-----------------------15
4.2. Расчёт полосы пропускания входного каскада------------------------ 17
5 Расчёт ёмкостей и дросселей -----------------------------------------
----18
6 Заключение -----------------------------------------------------------
---------20
7 Список использованных источников----------------------------------------
21
1 Введение
Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта широкополосного усилителя по заданным к нему требованиям.
Всё более широкие сферы деятельности человека не могут обойтись без радиолокации. Следовательно, к устройствам радиолокации предъявляются всё более жёсткие требования. В первую очередь это хорошее согласование по входу и выходу, хорошая повторяемость характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки, миниатюризация.
Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители с отрицательными комбинированными обратными связями [1], что достигается благодаря совместному использованию последовательной местной и параллельной обратной связи по напряжению
2 Основная часть
2.1 Анализ исходных данных
Исходя из условий технического задания, наиболее оптимальным вариантом решения моей задачи будет применение комбинированной обратной связи.[2]
Вследствие того, что у нас будут комбинированные обратные связи, которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/2 выходного напряжения, то возьмём Uвых в 2 раза больше заданного, т.е. 2В.
2.2 Расчёт оконечного каскада
2.2.1 Расчёт рабочей точки
Возьмём Uвых в 2 раза больше чем заданное, так как часть выходной
мощности теряется на ООС.[2]
Uвых=2Uвых(заданного)=2 (В)
Расчитаем выходной ток:
Iвых===0,04 (А)
Расчитаем каскады с резистором и индуктивностью в цепи коллектора:
Расчёт резистивного каскада при условии Rн=Rк=50 (Ом) рис(2.2.1.1).
Рисунок 2.2.1.1- Резистивный каскад Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные
прямые. по переменному току.
Расчитаем выходной ток для каскада с резистором в цепи коллектора:
Iвых~===0,08 (А)
Расчитаем ток и напряжение в рабочей точке:
Uкэ0=Uвых+Uост, Uост примем равным 2В.
(2.2.1)
Iк0=Iвых~+0,1Iвых~
(2.2.2)
Uкэ0=3 (В)
Iк0=0,088 (А)
Расчитаем выходную мощность:
Pвых===0,04 (Вт)
Напряжение питания тогда будет:
Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0(Rк=7,4 (В)
Найдём потребляемую и рассеиваемую мощность:
Pрасс=Uкэ0(Iк0=0,264 (Вт)
Рпотр= Eп(Iк0=0,651(Вт)
Для того чтобы больше мощности шло в нагрузку, в цепь коллектора включаем
дроссель.[2]
Расчёт каскада при условии что в цепь коллектора включен Lк рис(2.2.1.3).
Рисунок 2.2.1.3- Индуктивный каскад Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные
прямые. по переменному току.
Расчитаем выходной ток для каскада с индуктивностью в цепи коллектора:
Iвых= ==0,04 (А)
По формулам (2.2.1) и (2.2.2) расчитаем рабочую точку.
Uкэ0=3 (В)
Iк0=0,044 (А)
Найдём напряжение питания, выходную, потребляемую и рассеиваемую мощность:
Pвых===0,04 (Вт)
Eп=Uкэ0=3 (В)
Рк расс=Uкэ0(Iк0=0,132 (Вт)
Рпотр= Eп(Iк0=0,132 (Вт)
| | |Ррасс,(Вт|Рпотр,(Вт| |
| |Еп,(В) |) |) |Iк0,(А) |
|С Rк | 7,4| 0,264 | 0,651 | 0,088 |
|С Lк | 3 | 0,132 | 0,132| 0,044 |
Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи
Из энергетического расчёта усилителя видно, что целесообразнее использовать каскад с индуктивностью в цепи коллектора.
Выбор транзистора осуществляется с учётом следующих предельных параметров:
1. граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ
;
2. предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер
;
1. предельно допустимого тока коллектора
;
4. предельной мощности, рассеиваемой на коллекторе
.
Этим требованиям полностью соответствует транзистор КТ996А. Его основные технические характеристики приведены ниже.
Электрические параметры:
1. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;
2. Постоянная времени цепи обратной связи пс;
3. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;
4. Ёмкость коллекторного перехода при В пФ;
5. Индуктивность вывода базы нГн;
6. Индуктивность вывода эмиттера нГн.
Предельные эксплуатационные данные:
1. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;
2. Постоянный ток коллектора мА;
3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт;
2.2.2 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора.
2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто.
Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто).
Найдём параметры всех элементов схемы:[2]
Пересчитаем ёмкость коллектора из паспортной:
Ск(треб)=Ск(пасп)*=1,6(=2,92 (пФ)
Найдём gб=, причём rб= :
rб= =2,875 (Ом); gб==0,347 (Cм);
Для нахождения rэ воспользуемся формулой rэ=, где Iк0 в мА: rэ= =1,043 (Ом);
Найдём оставшиеся элементы схемы
gбэ==0,017,где Я0=55 по справочнику;
Cэ==30,5 (пФ),где fТ=5000Мгц по справочнику;
Ri= =100 (Ом), gi=0.01(См),где Uкэ(доп)=20В Iко(доп)=200мА.
2.2.2.2Расчёт однонаправленной модели транзистора.
Данная модель применяется в области высоких частот.
Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора.
Параметры эквивалентной схемы расчитываются по приведённым ниже формулам.[2]
Входная индуктивность:
,
(2.2.2.1) где –индуктивности выводов базы и эмиттера.
Входное сопротивление:
,
(2.2.2.2) где , причём , и – справочные данные.
Выходное сопротивление:
.
(2.2.2.3)
Выходная ёмкость:
. (2.2.2.4)
В соответствие с этими формулами получаем следующие значения элементов
эквивалентной схемы:
Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183 (нГн);
Rвх=rб=2,875 (Ом);
Rвых=Ri=100 (Ом);
Свых=Ск(треб)=2,92 (пФ);
fmax=fт=5 (ГГц)
2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации.
2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация.
Эмитерная 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
3В.[1]
Рисунок 2.2.3.1.1- Каскад с эмитерной термостабилизацией.
Рассчитаем параметры элементов данной схемы.
Uэ=4 (В);
Eп=Uкэ0+Uэ=7 (В);
Rэ= ==90,91 (Ом);
Rб1=, Iд=10(Iб, Iб=, Iд=10( =10(=0,008 (А);
Rб1==264,1 (Ом);
Rб2= =534,1 (Ом).
Наряду с эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная
коллекторная термостабилизации.[1]
2.2.3.2Пассивная коллекторная термостабилизация:
Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке
А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться
дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в
точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико,
что оправдывается только в маломощных каскадах[1].
Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной коллекторной термостабилизации
Rк==159.1(Ом);
URк=7 (В);
Eп=Uкэ0+URк=10 (В);
Iб==0.0008(А);
Rб= =2875 (Ом).
2.2.3.3 Активная коллекторная термостабилизация.
Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см.
рис.(2.2.3.2.1). Получим что при незначительном уменьшении (увеличении)
тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) ток базы. И вместо
большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В см.
рис.(2.2.3.3.1).[1]
((=100;
Rк===22,73 (Ом);
Eп=Uкэ0+UR=4 (В);
Iд2=10(Iб2=10(=0.00008 (A);
R3==28,75 (кОм);
R1==21,25 (кОм);
R2==4.75 (кОм).
Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторная термостабилизация.
Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать.Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную.
3 Расчёт входного каскада по постоянному току
3.1 Выбор рабочей точки
При расчёте требуемого режима транзистора промежуточных и входного
каскадов по постоянному току следует ориентироваться на соотношения,
приведённые в пункте 2.2.1 с учётом того, что заменяется на входное
сопротивление последующего каскада. Но, при малосигнальном режиме, за
основу можно брать типовой режим транзистора (обычно для маломощных ВЧ и
СВЧ транзисторов мА и В). Поэтому координаты рабочей точки
выберем следующие мА, В. Мощность, рассеиваемая на коллекторе
мВт.
3.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора осуществляется в соответствии с требованиями,
приведенными в пункте 2.2.1. Этим требованиям отвечает транзистор КТ3115А-
2. Его основные технические характеристики приведены ниже.
Электрические параметры:
1. граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ГГц;
2. Постоянная времени цепи обратной связи пс;
3. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;
4. Ёмкость коллекторного перехода при В пФ;
5. Индуктивность вывода базы нГн;
6. Индуктивность вывода эмиттера нГн.
7. Ёмкость эмиттерного перехода пФ;
Предельные эксплуатационные данные:
1. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;
2. Постоянный ток коллектора мА;
3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт;
3.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора
Эквивалентная схема имеет тот же вид, что и схема представленная на рисунке 2.2.2.2.1 Расчёт её элементов производится по формулам, приведённым в пункте 2.2.2.1
нГн;
пФ;
Ом
Ом;
Ом;
пФ.
3.3 Расчёт цепи термостабилизации
Для входного каскада также выбрана эмиттерная термостабилизация, схема которой приведена на рисунке 3.3.1.
Рисунок 3.3.1
Метод расчёта схемы идентичен приведённому в пункте 2.2.3.1 с той
лишь особенностью что присутствует, как видно из рисунка, сопротивление в
цепи коллектора . Эта схема термостабильна при В и мА.
Напряжение питания рассчитывается по формуле В.
Расчитывая элементы получим:
Ом;
кОм;
кОм;
4.1 Расчет полосы пропускания выходного каскада
Поскольку мы будем использовать комбинированные обратные [1], то все соответствующие элементы схемы будут одинаковы, т.е. по сути дела расчёт всего усилителя сводится к расчёту одного каскада.
Рисунок 2.3.1 - Схема каскада с комбинированной ООС
Достоинством схемы является то, что при условиях
и (4.1.1)
схема оказывается согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1,3 в
диапазоне частот, где выполняется условие (0,7. Поэтому практически
отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании
[6].
При выполнении условия (1.53), коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением:
, (4.1.2) где ; (4.1.3)
;
.
Из (2.3.1), (2.3.3) не трудно получить, что при заданном значении
. (4.1.4)
При заданном значении , каскада равна:
, (4.1.5) где .
Нагружающие ООС уменьшают максимальную амплитуду выходного сигнала
каскада, в котором они используются на величину
.
При выборе и из (4.1.3), ощущаемое сопротивление нагрузки транзистора каскада с комбинированной ООС равно .
Расчёт Kо:
Для реализации усилителя используем четыре каскада. В этом случае
коэффициент усиления на один каскад будет составлять:
Ко==4.5дБ или 1.6 раза
(Ом);
Rэ= (Ом);
;
;
Общий уровень частотных искажений равен 3 дБ, то Yв для одного каскада
примем равным:
;
;
Подставляя все данные в (4.1.5) находим fв:
Рисунок 4.1.1- Усилитель приёмного блока широкополосного локатора на
четырёх каскадах.
4.2. Расчёт полосы пропускания входного каскада
Все расчёты ведутся таким же образом, как и в пункте 4.1 с той лишь
разницей что берутся данные для транзистора КТ3115А-2.Этот транзистор
является маломощным,
тем самым, применив его в первых трёх каскадах, где уровень выходного
сигнала небольшой, мы добьемся меньших потерь мощности.
(Ом);
Rэ= (Ом);
;
;
Так каr в усилителе 4 каскада и общий уровень частотных искажений равен 3
дБ, то Yв для одного каскада примем равным:
;
;
Подставляя все данные в (4.1.5) находим fв:
,
Все требования к усилителю выполнены
5 Расчёт ёмкостей и дросселей.
Проводимый ниже расчёт основан на [2].
(нФ);
(мкГн);
На нижних частотах неравномерность АЧХ обусловлена ёмкостями Ср и Сэ,
поэтому пусть 1,5 dB вносят Ср и столько же Сэ.
, где
(5.1)
R1 и R2 сопротивления соответственно слева и справа от Ср
Yн допустимые искажения вносимые одной ёмкостью.
(dB), (раз), для Ср1 и (раз), для Сэ.
R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср1 (межкаскадной),
R1=Rг=Rвых(3-го каскада)=50 (Ом), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср2,
,
, ,
,
(Ом),
По формуле (2.4.1) рассчитаем Ср.
(пФ),
(пФ),
,
,
(нс),
(нФ).
| |
| |
| | | | | | |
| | | | | |РТФ КП 468730.001.ПЗ |
| | | | | | |
| | | | | |усилитель приёмного |Лит |Масса |Масштаб |
|Из|Лис|Nдокум. |Подп.|Дата|блока широкополосного | | | | | |
|м |т | | | | | | | | | |
|Выполн|Воронцов | | |локатора | | | | | |
|ил | | | | | | | | | |
|Провер|Титов | | | | | | | | |
|ил | | | | | | | | | |
| | | | | |Лист |Листов |
| | | | | |ТУСУР РТФ |
| | | | |Принципиальная |Кафедра РЗИ |
| | | | |схема |гр. 148-3 |
|С1,С13 |КД-2-60 пФ(10% |2 | |
|Позиция|Наименование |Кол|Примечание |
| | | | |
|Обозн. | | | |
| |Конденсаторы ОЖ0.460.203 ТУ | | |
|С2,С5, |КД-2-1200 пФ(10% |4 | |
|С8,С11 | | | |
|С3,С6 |КД-2-0.3 нФ(10 |4 | |
|С9,С12 | | | |
|С4,С7, |КД-2-33 пФ(10% |3 | |
|С10 | | | |
| | | | |
| |Катушки индуктивности | | |
|L1 |Индуктивность 8 мкГн(10% |1 | |
| | | | |
| |Резисторы ГОСТ 7113-77 | | |
|R19 |МЛТ–0,125-264 Ом(10% |1 | |
|R20 |МЛТ–0,125-535 Ом(10% |1 | |
|R4,R10 |МЛТ–0,5-18 Ом(10% |4 | |
|R16,R21| | | |
|R22 |МЛТ–0,5-73 Ом(10% |1 | |
|R6,R12,|МЛТ–0,25-142 Ом(10% |4 | |
| | | | |
|R18,R23| | | |
|R1,R7, |МЛТ–0,125-2200 Ом(10% |3 | |
|R13 | | | |
|R2,R8, |МЛТ–0,125-1700 Ом(10% |3 | |
|R14 | | | |
| |МЛТ–0,125-880 Ом(10% |3 | |
|R5,R11,| | | |
| | | | |
|R17 | | | |
| |Транзисторы | | |
| VT3 |КТ996А |1 | |
|VT1,VT2|КТ3115А-2 |3 | |
| | | | |
|VT3 | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | | | |
| | | | | |РТФ КП 468730.001 ПЗ |
| | | | | | |
| | | | | | |Лит |Масса |Масштаб |
|Из|Лис|Nдокум. |Подп.|Дат|УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО БЛОКА | | | | | |
| |т | | |а | | | | | | |
|Выполн|Воронцов | | | | | | | | |
|ил | | | | | | | | | |
|Провер|Титов | | |ШИРОКОПОЛОСТНОГО ЛОКАТОРА | | | | | |
|ил | | | | | | | | | |
| | | | | |Лист |Листов |
| | | | | |ТУСУР РТФ |
| | | | |Перечень элементов |Кафедра РЗИ |
| | | | | |гр. 148-3 |
3 Заключение
В данном курсовом проекте разработан усилитель приёмного блока
широкополосного локатора с использованием транзисторов КТ996А и
комбинированных обратных связей, имеет следующие технические
характеристики: полоса рабочих частот (100-1000) МГц; коэффициент усиления
15 дБ; неравномерность амплитудно-частотной характеристики + 1,5 дБ;
максимальное значение выходного напряжения 2 В; сопротивление генератора и
нагрузки 50 Ом; напряжение питания 7 В.
Список использованных источников
1 Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. –
М.: Связь, 1977.
2 Титов А.А. Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных
каскадов на биполярных транзисторах – http://referat.ru/download/ref-
2764.zip
3 Горбань Б.Г. Широкополосные усилители на транзисторах. – М.: Энергия,
1975.-248с.
4 Проектирование радиопередающих устройств./ Под ред. О.В. Алексеева. –
М.: Радио и связь, 1987.- 392с.
5 Зайцев А.А.,Миркин А.И., Мокряков В.В. Полупроводниковые приборы.
Транзисторы средней и большей мощности: Cправочник-3-е изд. –М.: КубК-а,
1995.-640с.: ил.
-----------------------