Проектирование широкополосного усилителя гармонических сигналов

Проектирование широкополосного усилителя

Техническое задание

Спроектировать широкополосный усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала E=4 мВ;

Сопротивление нагрузки Rн=100 кОм;

Емкость нагрузки Cн=20 пФ;

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте Mн=1,8 дБ;

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте Mв=1,5 дБ;

Температурный диапазон: от 0 °C до 50 °C;

Сопротивление источника сигнала Rист=100 Ом;

Нижняя граничная частота fн=50 Гц;

Верхняя граничная частота fв=15 МГц;

Входное сопротивление Rвх=1 кОм;

Коэффициент нелинейных искажений Kг=6%;

Амплитуда выходного сигнала Eвых=2 В;

Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.

Раздел усилители является одним из основных разделов дисциплины схемотехника аналоговых электронных устройств, и включает в себя большое число подразделов. Одним из основных аргументов разработки усилителей является выделение слабого сигнала на фоне помех и шумов для последующей его обработки. И нетрудно догадаться, что требования предъявляемые к усилителям, применяемым в различных областях техники, росли с момента их появления, и на современном этапе являются весьма жёсткими.

В данной работе нас будет интересовать широкополосный усилитель. В настоящее время такие усилители могут применяться в осциллографии, в исследованиях прохождения радиоволн в различных средах, в том числе прохождения различных длин волн в городских условиях. Одним из основных требований в данном случае является обеспечение необходимого усиления принимаемого сигнала в широкой полосе частот.

1. Анализ задания

Рассчитываемый усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, 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. Кроме того можно применить усилительную секцию типа общий эмиттер-общая база (ОЭ-ОБ), которая обеспечивает площадь усиления в 3−10 раз превышающую площадь усиления обычного реостатного каскада. Выходное напряжение невелико, поэтому выходной каскад может быть выполнен на микросхемы К265УВ6. Технические требования не оговаривают входное сопротивление, поэтому его можно выбрать из предложенного диапазона от 0.5 до 2 кОм. Зададимся значением входного сопротивления 1 кОм.

2. Выбор и обоснование структурной схемы усилителя. Расчет количества каскадов, площади усиления

Задаваясь коэффициентом запаса КЗ = 1.5, определяем расчётный коэффициент усиления:

Необходимое число каскадов при Km = 40 оказывается равным 3

Т. е. N? 3

Определим требования к отдельным каскадам:

а) коэффициент усиления каскада:

б) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

Дб

в) коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

Дб

г) нестабильность усиления в каждом каскаде:

Определяем необходимую площадь усиления каждого каскада. Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления:

Из графика (рис. 2) по заданной кривой 2 находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией.

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах МВi, определим из графика (рис. 1). Значение зададим на уровне 0.9

Рисунок 1 — Потери площади усиления при эмиттерной коррекции по сравнению с простой коррекцией Рисунок 2 — Выигрыш площади усиления при простой параллельной коррекции Окончательно выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

Рассчитаем необходимую верхнюю граничную частоту каждого каскада:

Для необходимой площади усиления теперь можно получить:

Такая площадь усиления может быть обеспечена усилительной секцией ОЭ-ОБ с применением коррекции эмиттерной противосвязью. В качестве усилительного элемента целесообразно использовать ИС К265УВ6.

3. Расчет выходного каскада

Номиналы элементов ИС К265УВ6 и некоторые параметры транзистора КТ331Б, необходимые для расчётов:

R1=6200 Ом, вmin=40, СК=5 пФ,

R2=620 Ом, вmax=120, СЭ=8 пФ,

R3=3000 Ом, цК=0,82 В, фОС=120 пс,

R4=100 Ом, о=1,5, Дr=0,

R5=84 Ом, rК=300 кОм,

fГР=250 МГц.

3.1 Расчёт выходного каскада

Минимально возможное сопротивление нагрузки определяется из неравенства:

В условиях предложенного технического задания целесообразно принять RК = 1000 Ом. RК берём по ряду Е24. При этом необходимо добавочное сопротивление равное 330 Ом:

где сопротивление 670 Ом уже имеющееся в микросхеме.

Для расчёта минимально допустимого коллекторного напряжения предварительно зададимся UОСТ = 2 В — остаточное напряжение на транзисторе, UЭ2 = 0.6 В — напряжение на эмиттере транзистора, включенного с общей базой. Для напряжения питания получим:

Напряжение питания берем 12,6 В Вычислим уточнённоё значение нагрузки каскада:

Величина амплитуды коллекторного тока составит:

Сопротивление базового делителя:

Суммарное сопротивление в эмиттере:

Напряжение смещения:

Напряжение на базе:

Необходимое смещение на базе для кремниевого транзистора:

IК1=IК2

Напряжение коллектор-эмиттер транзисторов

Допустимое коллекторное напряжение определим из неравенства:

Допустимый ток коллектора:

Допустимая мощность рассеяния на коллекторном переходе:

Теперь можно оценить параметры каждого из транзисторов:

Для определения нестабильности усиления каскада найдём большее из относительных приращений коэффициентов передачи по току:

Оценим нестабильность усиления каскада, для этого определим сопротивление эквивалентного генератора:

Входное сопротивление транзистора с учётом обратной связи:

Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

подбираем по ряду Е24.

С0 — суммарная емкость нагрузки

Определим нестабильность усиления каскада:

Оценим достижимую площадь усиления:

допустимый коэффициент усиления:

Поскольку допустимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены.

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректируемого звена:

Коэффициент коррекции определяется соотношением:

Величина корректирующей емкости, при заданном ранее :

4. Расчет промежуточного каскада

усилитель нижний частота каскад Промежуточный каскад выполняем на точно такой же микросхеме, что и выходной каскад (К265УВ6). Параметры транзистора те же, что и в выходном каскаде поэтому их можно не рассчитывать. RК номинальное.

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

Суммарная емкость нагрузка:

Оценим достижимую площадь усиления:

допустимый коэффициент усиления:

Поскольку допустимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены.

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

Входное сопротивление транзистора с учётом обратной связи:

Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

— по ряду Е24.

Определим нестабильность усиления каскада:

5. Расчет входного каскада

Входной каскад выполняем на точно такой же микросхеме, как выходной и промежуточный каскады (К265УВ6). Схема электрическая принципиальная входного каскада такая же, как у промежуточного, только в расчетах учитывается сопротивление источника сигнала.

Необходимо согласовать входное сопротивление усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала. Для этого необходимо включить дополнительное сопротивление, шунтирующего вход. Rдоп=300 Ом Определим сопротивление эквивалентного генератора:

Оценим достижимую площадь усиления:

допустимый коэффициент усиления:

Поскольку допустимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены.

Входное сопротивление транзистора с учётом обратной связи:

Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

По ряду Е24 Определим нестабильность усиления каскада:

6. Расчет элементов высокочастотной коррекции

Значения эквивалентных постоянных времени каскадов:

Эквивалентная постоянная времени входного каскада:

Эквивалентная постоянная времени промкжуточног каскада:

Эквивалентная постоянная времени выходного каскада:

Корректирующие емкости для каскадов:

7. Расчет элементов, определяющих характеристику усилителя в области нижних частот

Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах собраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области низких частот.

Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах:

Для выходного каскада, задаваясь :

Рассчитаем сопротивления, необходимые для расчёта номиналов вышеупомянутых емкостей:

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости:

для входной разделительной:

для блокировочной ёмкости в эмиттере:

Величина блокировочной ёмкости в эмиттере определится соотношением:

Выходная разделительная ёмкость:

Входная разделительная ёмкость:

Пересчитываем ёмкости по рядам Е6 и Е12, и получаем:

, ;

пересчитанные постоянные времени емкостей:

, .

В промежуточном каскаде получим:

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для входной разделительной ёмкости:

для блокировочной ёмкости в эмиттере:

Величина блокировочной ёмкости в эмиттере определится соотношением:

Пересчитываем ёмкости по рядам Е6 и Е12, и получаем:

;

пересчитанные постоянные времени емкостей:

.

Во входном каскаде следует учесть два конденсатора, один разделительный на входе и конденсатор в цепи эмиттерной термостабилизации. Задаваясь, найдем:

Рассчитаем сопротивления, необходимые для расчёта номиналов вышеупомянутых емкостей: эквивалентные сопротивления для нижних частот:

для выходной разделительной ёмкости для входной разделительной ёмкости:

для блокировочной ёмкости в эмиттере:

Величина блокировочной ёмкости в эмиттере определится соотношением:

Выходная разделительная ёмкость:

Величина входной разделительной ёмкости:

Пересчитываем ёмкости по рядам Е6 и Е12, и получаем:

, ;

пересчитанные постоянные времени емкостей:

, .

Амплитудно — частотные характеристики на нижних частотах:

входной каскад:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для входного каскада:

промежуточный каскад:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для промежуточного каскада:

выходной каскад:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада:

Общая АЧХ усилителя на нижней граничной частоте:

Общий коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для всего усилителя:

Амплитудно — частотные характеристики на верхних частотах:

входной каскад:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для входного каскада:

Промежуточный каскад:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:

Выходной каскад:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для выходного каскада:

Общая АЧХ усилителя на верхней граничной частоте:

Общий коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для всего усилителя:

Все графики АЧХ приведены в приложении Б.

Заключение

В ходе выполнения данной работы был рассчитан широкополосный усилитель на основе ИС К265УВ6, как это отмечалось ранее. Не смотря на то что эта ИС достаточно старая, с точки зрения даты её разработки и серийного производства, параметры данного усилителя получились достаточно хорошие и его можно применять по назначению исходя из его параметров. Другая немало важная черта этого усилителя то, что он экономически выгоден, так как ИС К265УВ6 очень дешева, это позволяет сделать вывод о том что этот усилитель при необходимости можно поставить на серийное производство. Стоит также отметить, что габариты усилителя сравнительно небольшие, что на современном этапе миниатюризации приборов играет немаловажную роль.

Список использованных источников

1. «Усилительные устройства». Под ред. Юзова В. И; КГТУ. Красноярск, 1993.136с.

2. «Усилительные устройства». Под ред. Войшвилло Г. В. -М.: Связь, 1975 .

3. «Аналоговые устройства: Программа курса, задания и методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта». Под ред. Волошенко В. В., Григорьева А. Г., Юзова В. И.; КГТУ, Красноярск, 1996 г.

4. «Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет каскадов и секций). Методические указания по курсу «Усилительные устройства». Под ред. Юзова В. И.; КПИ, Красноярск, 1982 г.

5. «Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов). Методические указания по курсу «Усилительные устройства». Под ред. Юзова В. И.; КПИ, Красноярск, 1982 г.

Приложение

Схема электрическая принципиальна