Проектирование усилителя

КурсоваяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Коэффициент усиления входного каскада К0 = 15,7. Выходное напряжение каскада UВЫХ = 39,35 мВ. Следовательно, при входном сигнале 8 мВ коэффициент усиления необходимо уменьшить в 3 раза. Примем емкости блокировочных конденсаторов равными 1000 мкФ. Оценим вносимые искажения данными элементами. Постоянные времени блокировочных цепей определим из формулы. Оценим долю частотных искажений приходящихся… Читать ещё >

Проектирование усилителя (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

1. Расчёт структурной схемы усилителя
1.1 Определение числа каскадов
1.2 Распределение искажений по каскадам
2. Расчет оконечного каскада
2.1 Выбор транзистора
2.2 Расчет требуемого режима транзистора
2.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора
2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации
2.5 Расчёт основных характеристик выходного каскада
3. Расчет предварительных каскадов
3.1 Расчет промежуточного каскада с ОК
3.1.1 Расчет требуемого режима транзистора
3.1.2 Расчёт эквивалентных параметров транзистора
3.1.3 Расчёт цепей питания и термостабилизации
3.1.4 Расчёт основных характеристик каскада в области ВЧ
3.2 Расчет промежуточного каскада с ОЭ
3.2.1 Выбор транзистора
3.2.2 Расчёт требуемого режима транзистора
3.2.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора
3.2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации
3.2.5 Расчет основных характеристик каскада в области ВЧ
3.3 Расчет входного каскада
3.3.1 Выбор транзистора
3.3.2 Расчет требуемого режима транзистора
3.3.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора
3.3.4 Расчет цепей питания и термостабилизации
3.3.5 Расчет основных характеристик каскада в области ВЧ
4. Расчет усилителя в области нижних частот
4.1 Расчет ёмкостей разделительных конденсаторов
4.2 Расчет емкостей блокировочных конденсаторов
5. Оценка нелинейных искажений
5.1 Нелинейные искажения входного каскада
5.2 Нелинейные искажения промежуточного каскада
5.3 Нелинейные искажения каскада с ОК
5.4 Нелинейные искажения оконечного каскада
6. Расчет регулировок усиления
7. Расчет результирующих характеристик
Заключение
Список литературы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г

1. Расчёт структурной схемы усилителя

1.1 Определение числа каскадов

Количество каскадов определяем по формуле [1]

Коэффициент усиления определяется по формуле:

Число каскадов

1.2 Распределение искажений по каскадам

Предварительно распределим искажения равномерно

где — ВЧ искажения i-того каскада, — ВЧ искажения усилителя

В результате получаем трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению равным 54 дБ, с искажениями в области верхних частот по 0,75дБ на каждый каскад. Искажения в области нижних частот будем находить после окончательного выбора топологии электрической схемы усилителя.

Структурная схема приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Структурная схема усилительного устройства

усилитель каскад нелинейное искажение

2. Расчет оконечного каскада

2.1 Выбор транзистора

Транзистор для оконечного каскада выберем с учётом следующих предельных параметров

граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер

предельно допустимый ток коллектора

С учетом этих параметров выбираем кремниевый биполярный СВЧ транзистор средней мощности n-p-n типа КТ610Б, справочные данные которого приведены в Приложении Б.

2.2 Расчет требуемого режима транзистора

Электрическая схема оконечного каскада приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Оконечный каскад

Сопротивление резистора выбираем равным 50 Ом.

Напряжение

Эквивалентное сопротивление

Ток коллектора покоя с учётом запаса его возможной термонестабильности

Напряжение коллектор-эмиттер

где — нелинейный участок ВАХ транзистора (1…2В)

Постоянная рассеиваемая мощность транзистора

Напряжение источника питания

Находим напряжение на сопротивлении Rк

Следовательно

Подбираем напряжение источника питания под рекомендованный ряд напряжений, изменив напряжение на сопротивлении Rэ

Получаем напряжение источника питания равное 24 вольт.

2.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора

Рассчитаем ёмкость коллектора при заданном напряжении

Объёмное сопротивление базы

где

— постоянная времени цепи обратной связи транзистора на ВЧ, — ёмкость коллектора.

Сопротивление эмиттера

Ток эмиттера

Ток базы

Отсюда находим ток эмиттера, и затем сопротивление эмиттера

Диффузионная ёмкость эмиттера

По параметрам эквивалентной схемы БТ определим его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны S₀

2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Определим потенциал базы

Определим ток делителя, образованного резисторами R_б1 и R_б2

Определим номиналы резисторов R_э+R_oc, R_б1, R_б2

Рассчитаем термонестабильность каскада.

Тепловое сопротивление «переход-среда»

где — максимальная температура коллекторного перехода, — максимальная температура окружающей среды.

Температура коллекторного перехода

Разница между температурой перехода и справочным значением температуры

Приращение напряжения база-эмиттер

где — температурный коэффициент напряжения

Приращение тока коллектора покоя, вызванное в результате смещения проходной характеристики транзистора

Приращение обратного тока коллектора

где — коэффициент показателя для кремниевого транзистора

Приращение тока коллектора, вызванное изменением обратного тока коллектора

Приращение коэффициента передачи

где

Приращение тока коллектора, вызванное изменением H_21Э

Учтём влияние параметров схемы термостабилизации через коэффициенты термостабилизации

Найдем R₁₂

Теперь найдем S_T2

Определим общий уход тока с учётом схемы термостабилизации

Так как меньше выбранного запаса тока коллектора, равного, следовательно, рассчитанная схема термостабилизации оптимальна.

2.5 Расчёт основных характеристик выходного каскада

Коэффициент усиления каскада на средних частотах (СЧ)

Требуемое значение постоянной времени в области ВЧ

где — доля частотных искажений (в относительных единицах), распределённых на каскад, — верхняя граничная частота УУ.

Ожидаемое значение постоянной времени в области ВЧ

Где

— граничная частота усиления транзистора, — ёмкость нагрузки (в данном случае ёмкость монтажа в пФ).

Так как ожидаемое значение меньше требуемого, следовательно, ожидаемые искажения будут не более заданных.

Введём в каскад ООС, это позволит ещё более уменьшить ВЧ искажения.

Примем глубину обратной связи А=3, тогда

Определим R_ос из формулы:

где — сопротивление обратной связи.

Тогда сопротивление Rэ

Теперь определим постоянную времени на ВЧ с учётом действия обратной связи

Определим входные параметры транзистора

Входное сопротивление транзистора с ОЭ

Входное сопротивление каскада

Входная динамическая ёмкость каскада

Относительный коэффициент усиления в области ВЧ

Тогда коэффициент искажений каскада в области ВЧ

3. Расчет предварительных каскадов

3.1 Расчет промежуточного каскада с ОК

Так как входная ёмкость оконечного каскада достаточно высокая, то для уменьшения её влияния на M_B промежуточного каскада, на входе оконечного каскада применим каскад с общим коллектором с непосредственной межкаскадной связью, схема которого представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Каскад с ОК с непосредственной связью с оконечным каскадом

Выберем кремниевый биполярный СВЧ транзистор малой мощности типа n-p-n KT316ДМ, характеристики которого указанны в Приложении Г.

3.1.1 Расчет требуемого режима транзистора

Током коллектора покоя для транзистора данного каскада будет являться сумма токов делителя и базы транзистора оконечного каскада.

Найдём ток базы покоя и ток эмиттера покоя

Сопротивление Rэ возьмём 3 кОм (для лучшей термонестабильности).

Далее определим напряжение U_R_Э

Отсюда напряжение на R_Э

Напряжение U_К0 (при напряжении источника Ек = 24 В)

Рассеиваемая мощность на коллекторе

3.1.2 Расчёт эквивалентных параметров транзистора

Рассчитаем ёмкость коллектора при заданном напряжении

Объёмное сопротивление базы

Сопротивление эмиттера

Диффузионная ёмкость эмиттера

Низкочастотные значения транзистора

3.1.3 Расчёт цепей питания и термостабилизации

Потенциал базы

Ток делителя

Сопротивление базового делителя

Рассчитаем термонестабильность каскада. Тепловое сопротивление «переход-среда» (справочные данные)

Температура коллекторного перехода

Разница между температурой перехода и справочным значением температуры

Приращение напряжения база-эмиттер

Приращение тока коллектора покоя, вызванное в результате смещения проходной характеристики транзистора

Приращение обратного тока коллектора

Приращение тока коллектора, вызванное изменением обратного тока коллектора

Приращение коэффициента передачи

Приращение тока коллектора, вызванное изменением H_21Э

Учтём влияние параметров схемы термостабилизации через коэффициенты термостабилизации

Найдем R₁₂

Наконец, определяем общий уход тока с учётом схемы термостабилизации

Транзистор оконечного каскада усилит эти 81,82 мкА в 140 раз 81,82*140 = 11 мА плюс уход тока оконечного каскада. Уточним термонестабильность оконечного каскада, так как теперь роль R₁₂ выполняет выходное сопротивление транзистора. Изменения коснутся коэффициента S_T₂

Уход тока

В итоге общий уход тока

Что составляет меньше запаса по току для оконечного каскада (16 мА). Следовательно, схема термостабилизации оптимальна.

3.1.4 Расчёт основных характеристик каскада в области ВЧ

Эквивалентное сопротивление нагрузки

где — сопротивление в цепи эмиттера транзистора рассчитываемого каскада, — входное сопротивление транзистора оконечного каскада.

Коэффициент усиления каскада на средних частотах

Глубина обратной связи

Коэффициент усиления каскада с общим коллектором

Требуемое значение постоянной времени в области ВЧ. Перераспределим ВЧ-искажения по каскадам с учетом искажений оконечного каскада

Ожидаемое значение постоянной времени в области ВЧ

Так как ожидаемое значение меньше требуемого, следовательно, искажения будут не более заданных. Относительный коэффициент усиления в области ВЧ

Тогда коэффициент искажений каскада в области ВЧ

Входное сопротивление транзистора

Входное сопротивление каскада

Входная емкость каскада

Поскольку выходное сопротивление каскада с ОК носит индуктивный характер, то с целью устранения возможной неравномерности АЧХ необходимо, чтобы резонанс параллельного контура, образованного L_ВЫХ _ОК и C_ВХ _Д оконечного каскада, лежал вне полосы рабочих частот.

Определим резонансную частоту контура

где m = (1,2…1,6)

Рассчитаем элементы фильтрующей цепи. Сопротивление R_Ф

где — напряжение источника питания оконечного каскада.

Емкость С_Ф

3.2 Расчет промежуточного каскада с ОЭ

Исходные данные: коэффициент усиления .

Коэффициент ВЧ-искажений.

Оценим долю частотных искажений приходящихся на промежуточный, входной каскады и входную цепь, с учетом искажений для оконечного каскада и каскада с ОК.

Доля частотных искажений приходящихся на каскад

Максимальное выходное напряжение каскада

где — максимальное выходное напряжение следующего каскада, — коэффициент усиления следующего каскада

Сопротивление и емкость нагрузки

3.2.1 Выбор транзистора

Транзистор аналогичен предыдущему каскаду (КТ316ДМ).

3.2.2 Расчёт требуемого режима транзистора

Электрическая схема промежуточного каскада представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.1 — Промежуточный каскад

Сопротивление резистора R_К выбираем равным 700 Ом. Напряжение U_R_э = 5 В.

Эквивалентное сопротивление

Ток коллектора покоя с учетом запаса на термонетабильность

Напряжение коллектора

Постоянная рассеиваемая мощность транзистора

Находим напряжение на сопротивлении R_К

Напряжение на сопротивлении R_Э+R_ОС (E_К = 20В)

3.2.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора

Объемное сопротивление базы

Ток базы

Ток эмиттера

Сопротивление эмиттера

Диффузионная ёмкость эмиттера

Низкочастотные значения транзистора

3.2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Потенциал базы

Ток делителя

Сопротивление R_Э + R_ОС

Сопротивления базового делителя

Рассчитаем термонестабильность каскада. Тепловое сопротивление «переход-среда» (справочные данные)

Температура коллекторного перехода

Разница между температурой перехода и справочным значением температуры

Приращение напряжения база-эмиттер

Приращение тока коллектора покоя, вызванное в результате смещения проходной характеристики транзистора коллектора

Приращение обратного тока коллектора

Приращение тока коллектора, вызванное изменением обратного тока

Приращение коэффициента передачи

Приращение тока коллектора, вызванное изменением

Учтем влияние параметров схемы термостабилизации через коэффициенты термостабилизации

Найдем R₁₂

Теперь находим

Общий уход тока с учетом схемы термостабилизации

Так как меньше выбранного запаса тока коллектора, равного 1 мА, следовательно, рассчитанная схема термостабилизации оптимальна.

3.2.5 Расчет основных характеристик каскада в области ВЧ

Коэффициент усиления каскада на средних частотах (СЧ)

Требуемое значение постоянной времени в области ВЧ

Ожидаемое значение постоянной времени в области ВЧ

Введем в каскад ПООСТ. Это позволит уменьшить

Примем глубину обратной связи, А = 11, тогда

Определим R_ОС из формулы

Тогда сопротивление R_Э

Теперь определим постоянную времени на ВЧ с учетом действия обратной связи

Так как ожидаемое значение меньше требуемого, следовательно, искажения будут не более заданных.

Определим входные параметры транзистора.

Входное сопротивление транзистора с ОЭ

Входное сопротивление каскада

Сопротивление R₁₂ было найдено выше.

Входная динамическая ёмкость каскада

Введем в каскад параллельную ООСН, для понижения входного сопротивления каскада, что в свою очередь позволит снизить ВЧ-искажения входного каскада.

Примем R_ВХ = 200 Ом. Тогда найдем R_ОС из формулы

здесь К₀ — коэффициент усиления с учетом действия ПООСТ.

Величину емкости С_р _ОС определим из условия X_СрОС << R_ОС на f_Н.

Примем ёмкостное сопротивление X_C равное 200 Ом. Тогда емкость будет равна

Коэффициент усиления каскада с учетом действия параллельной ООСН

Выходное сопротивление каскада с учетом действия обратной связи

где — крутизна с учетом действия ПООСТ.

Постоянная времени каскада в области ВЧ с учетом действия ОС.

Определим R_ЭКВ

Крутизна с учетом действия ОС

где — крутизна с учетом действия ПООСТ.

Постоянная времени каскада при параллельной ООСН

Входная емкость каскада с учетом действия параллельной ООСН

Относительный коэффициент усиления в области ВЧ

Тогда коэффициент искажения каскада в области ВЧ

Рассчитаем элементы фильтрующей цепи.

Сопротивление R_Ф

Емкость С_Ф

3.3 Расчет входного каскада

Исходные данные: коэффициент усиления .

Оценим долю частотных искажений приходящихся на входной каскад и входную цепь, с учетом искажений для оконечного каскада, каскада с ОК и промежуточного каскада.

Доля частотных искажений приходящихся на каскад

Максимально выходное напряжение каскада

Сопротивление и емкость нагрузки

3.3.1 Выбор транзистора

Выберем кремниевый биполярный СВЧ транзистор малой мощности типа n-p-n КТ382БМ, характеристики которого указаны в Приложении В.

3.3.2 Расчет требуемого режима транзистора

Электрическая схема входного каскада представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.2 — Входной каскад

Сопротивление резистора R_К выбираем равным 200 Ом.

Эквивалентное сопротивление

Ток коллектора покоя с учетом запаса на термонестабильность

Напряжение коллектора

Постоянная рассеиваемая мощность транзистора

Находим напряжение на сопротивлении R_К

Напряжение на сопротивлении R_Э (E_К = 12В)

3.3.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора

Объемное сопротивление базы

Ток базы

Ток эмиттера

Сопротивление эмиттера

Диффузионная ёмкость эмиттера

Низкочастотные значения транзистора

3.3.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Потенциал базы

Ток делителя

Сопротивление R_Э

Сопротивления базового делителя

Рассчитаем термонестабильность каскада. Тепловое сопротивление «переход-среда» (справочные данные)

Температура коллекторного перехода

Разница между температурой перехода и справочным значением температуры

Приращение напряжения база-эмиттер

Приращение тока коллектора покоя, вызванное в результате смещения проходной характеристики транзистора

Приращение обратного тока коллектора

Приращение тока коллектора, вызванное изменением обратного тока коллектора

Приращение коэффициента передачи

Приращение тока коллектора, вызванное изменением

Учтем влияние параметров схемы термостабилизации через коэффициенты термостабилизации

Найдем R₁₂

Теперь находим

Общий уход тока с учетом схемы термостабилизации

Так как меньше выбранного запаса тока коллектора, равного 500 мкА, следовательно, рассчитанная схема термостабилизации оптимальна.

Для согласования входного сопротивления УУ с характеристическим сопротивлением тракта передачи равным 50 Ом введем в данный каскад параллельную ООСН.

Коэффициент усиления каскада на средних частотах (СЧ)

Сопротивление обратной связи

Величину емкости С_Р _ОС определим из условия X_СрОС << R_ОС на f_Н.

Примем емкостное сопротивление X_С равное 200 Ом. Тогда емкость будет равна

Коэффициент усиления каскада с учетом действия параллельной ООСН

3.3.5 Расчет основных характеристик каскада в области ВЧ

Требуемое значение постоянной времени в области ВЧ

Выходное сопротивление каскада

Эквивалентное сопротивление

Крутизна транзистора

Ожидаемое значение постоянной времени в области ВЧ

Так как ожидаемое значение меньше требуемого, искажения будут не более заданных.

Входная емкость каскада с учетом действия параллельной ООСН

Относительный коэффициент усиления в области ВЧ

Тогда коэффициент искажений каскада в области ВЧ

Рассчитаем элементы фильтрующей цепи.

Сопротивление R_Ф

Емкость С_Ф

4. Расчет усилителя в области нижних частот

По условию задания При равномерном распределении искажений, их доля (дБ) на каждый из N — элементов

В соответствии с топологией схемы показанной на рисунке 4.3 N =7

Рисунок 4.3 — Разделительные и блокировочные ёмкости

4.1 Расчет ёмкостей разделительных конденсаторов

Постоянная времени для C_p₁

Ёмкость C_p1

где

— эквивалентное сопротивление, стоящее слева от разделительного конденсатора, — эквивалентное сопротивление, стоящее справа от конденсатора.

Определим при условии, что

Коэффициент искажений

Определим при условии, что

Коэффициент искажений

Определим при условии, что

Коэффициент искажений

Суммарный для разделительных емкостей

4.2 Расчет емкостей блокировочных конденсаторов

Примем емкости блокировочных конденсаторов равными 1000 мкФ. Оценим вносимые искажения данными элементами. Постоянные времени блокировочных цепей определим из формулы

Коэффициент

Коэффициент :

Суммарный коэффициент НЧ-искажений вносимых разделительными и блокировочными емкостями

5. Оценка нелинейных искажений

5.1 Нелинейные искажения входного каскада

Фактор связи при параллельной ООСН