Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах

Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ) К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ Заведующий кафедрой РЗИ д-р техн. наук, проф.

____________ В.Н.Ильюшенко

«____"_______________2004 г.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ НА МОЩНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Пояснительная записка к дипломной работе РТФ ДР.431 126.001 ПЗ СОГЛАСОВАНО

Консультант по экономической части доц. каф. экономики ТУСУР

____________ А.И. Ясельская

«____"_______________2004 г.

Консультант по охране труда нач. отдела охраны труда ТУСУР

_____________ Л.И. Кодолова

«____"_______________2004 г.

Cтудент гр. 149−1

_______________ А.В. Мазуров

«____"_______________ 2004 г.

Руководитель дипломной работы Профессор кафедры РЗИ

_________________ А.А. Титов

«____"_______________ 2004 г.

РЕФЕРАТ Дипломная работа 80 с., 26 рис., 21 табл., 44 источника.

СВЕРХШИРОКОПОЛСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ, МОЩНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, МЕЖКАСКАДНЫЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ, АМПЛТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, НЕРАВНОМЕРНОСТЬ АМПЛТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Объектом исследований являются сверхширокополосные усилители мощности (СУМ) с межкаскадными корректирующими цепями (МКЦ).

Цель работы — разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах, обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и полосе пропускания.

Область возможного применения — создание интегральных микросхем мощных сверхширокополосных усилителей систем нелинейной радиолокации.

В процессе работы проведено сравнение МКЦ и выбор схемы обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданной неравномерности амплитудно-частотной характеристики.

В результате работы была определена схема, обеспечивающая заданные характеристики и разработана методика расчета этой схемы.

В ходе работы был использован пакеты математических и инженерных вычислений MATLAB 6.1, Maple V Release 4, MathCAD 2000. Отчет выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2000.

Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации

(РЗИ)

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой РЗИ

________________В.Н.Ильюшенко

«_____"__________________ 2004 г.

ЗАДАНИЕ (Вставить подписанное задание)

На дипломную работу студенту гр. 149−1

радиотехнического факультета

Мазурову Алексею Викторовичу

1. Тема работы: Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах (утверждена приказом ректора по университету от «____» ____________2004 г. №______).

2. Срок сдачи законченной работы: 10 июня 2004 г.

3. Цель исследования и области возможного использования результатов:

Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах, обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и полосе пропускания. Методика необходима для создания интегральных микросхем мощных сверхширокополосных усилителей систем нелинейной радиолокации.

4. Исходные данные для исследования:

Титов А. А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного усилителя мощности на полевых транзисторах. // Радиотехника.-1989.-№ 12.-с.30−33.

Титов А. А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника.-1987.-№ 1.-с.29−31.

КоваленкоВ.С., Хотунцев Ю. Л. Широкополосное межкаскадное согласование СВЧ транзисторов в усилителях мощности. // Известия вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. — 1976. № 11.-с.43−46.

Бабак Л.И., Дьячко А. Н. Проектирование сверхширокополосных усилителей на полевых транзисторах // Радиотехника. — 1988. — № 7. — С. 87 — 90.

5. Вопросы, подлежащие исследованию и разработке:

5.1. Оптимизация наиболее эффективной схемы МКЦ по результатам расчета для 3П602А и КП907А.

5.2. Вывод аналитического выражения для описания коэффициента передачи каскада с МКЦ.

5.4. Синтез функции-прототипа передаточной характеристики.

5.5. Синтез нормированных значений МКЦ для различных допустимых отклонений АЧХ от требуемой формы.

5.6. Проверка синтезированных таблиц.

5.7. Разработка вопросов техники безопасности и производственной санитарии.

5.7.1. Анализ опасностей и вредностей на рабочем месте инженера — исследователя.

5.7.2. Разработка мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение экспериментального исследования.

5.7.3. Разработка инструкций по безопасному проведению экспериментального исследования.

5.8. Разработка организационно — экономических вопросов.

5.8.1. Обоснование целесообразности разработки работы.

5.8.2. Организация и планирование работ по разработке темы работы.

5.8.3. Расчет затрат на разработку работы.

5.8.4. Оценка эффективности разработанного проекта.

5.7.Определение патентной чистоты и конкурентоспособности методики расчета МКЦ.

6. По результатам исследований и разработки представить следующую документацию.

6.1. Чертежи

Схемы четырех наиболее эффективных МКЦ 1 лист

Сетевой график и карта исследований 1 лист

6.2. Демонстрационные плакаты

Метод параметрического синтеза 1лист Синтез МКЦ 1лист Нормированные значения элементов МКЦ 1лист Проверка синтезированных таблиц с помощью программы оптимизации 1лист

6.3. Пояснительная записка должна отражать следующие особенности работы:

теоретический расчет оптимальной функции прототипа;

теоретический расчет нормированных значений элементов МКЦ;

вывод формулы для описания в символьном виде коэффициента передачи каскада с МКЦ.

7. Задание принято к исполнению.

Студент гр.149−1 ___________________Мазуров А.В.

«____» _____________2004г.

8. Задание согласовано.

Консультант по организационноэкономической части проекта,

________________________________

________________________________

_______________________

«_____» ___________2004г.

Консультант по вопросам охраны труда,

________________________________

________________________________

_______________________

«_____» ___________2004г.

Руководитель дипломного проектирования Титов Александр Анатольевич, Профессор кафедры РЗИ

_______________________

«_____» ___________2004г.

• 1. Введение 8
• 2 Обзор и анализ схем МКЦ 10
• 2.1 Программа оптимизации OPTIMAMP 10
• 2.2 Схема исследования 14
• 2.3 Сравнительный анализ МКЦ 15
• 3 Расчет МКЦ по результатам сравнительного анализа 22
• 3.1 Общие положения методики расчета МКЦ 22
• 3.2 Вывод аналитического выражения для описания коэффициента передачи каскада с МКЦ 24
• 3.3 Синтез функции-прототипа передаточной характеристики 26
• 3.4 Анализ полученных результатов 28
• 4 Технико-экономическое обоснование 32
• 4.1 Обоснование целесообразности разработки проекта 32
• 4.2 Организация и планирование работы 35
• 4.3 Расчет экономических показателей на разработку проекта 37
• 4.3.1 Расчет затрат на материалы для разработки проекта 37
• 4.3.2 Расчет заработной платы 38
• 4.3.3 Определение расходов на машинное время 39
• 4.3.4. Расчет потребляемой компьютером энергии 40
• 4.3.5 Расчет затрат на накладные расходы 41
• 4.3.6 Составление сметы затрат на проектирование 41
• 4.4 Оценка эффективности научно-исследовательской работы. 41
• 5 Обеспечение безопасности жизнедеятельности 42
• 5.1 Общие положения 42
• 5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов на этапе эксплуатации и мероприятия по их устранению 44
• 5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов, связанных с рабочим местом разработчика 45
• 5.3.1 Влияние опасных и вредных факторов на разработчика 45
• 5.3.2 Производственная санитария 47
• 5.3.3 Требования к освещенности рабочего места. Расчет естественного и искусственного освещения 48
• 5.3.4 Ионизирующее излучение 49
• 5.3.5 Анализ требований, предъявляемых к уровням шумов 49
• 5.3.6 Микроклимат 51
• 5.3.7 Расчет воздухообмена в помещении 53
• 5.3.8 Эргономический анализ 56
• 5.3.9 Антропометрические показатели 57
• 5.3.10 Режимы работы 59
• 5.3.11 Оценка условий труда 61
• 5.3.12 Пожарная профилактика 63
• 5.4 Инструкции по технике безопасности 64
• 5.4.1 Электробезопасность 64
• 5.4.2 Оказание первой помощи при поражении электрическим током 67
• 5.4.3 Обязанности пользователя 67
• Список использованных источников 70

1. Введение

Сверхширокополосные усилители мощности находят широкое применение в радиотехнических системах предназначенных для передачи и приема сложных радиосигналов, системах нелинейной радиолокации, системах противодействия и управления, поиска, хранения и обработки информации, быстродействующих цифровых системах передачи данных, оптоэлектронных и акустоэлектронных устройствах, аппаратуре для физических исследований.

При разработке СУМ разработчик сталкивается с рядом трудностей. Так при разработке возникает проблема разработки широкополосных усилительных каскадов с заданным наклоном АЧХ. Она связана с необходимостью компенсации наклона АЧХ источников усиливаемых сигналов; устранения частотно-зависимых потерь в кабельных системах связи; выравнивания АЧХ малошумящих усилителей, входные каскады которых реализуются без применения цепей высокочастотной коррекции. Так же известно, что усилительные свойства транзисторов падают с ростом частоты усиливаемых сигналов. Это является причиной того, что коэффициент усиления одного усилительного каскада СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов не превышает 3−8 дБ. В этом случае увеличение коэффициента усиления каждого каскада, например, на 2 дБ позволяет повысить коэффициент полезного действия всего СУМ в 1,2 -1,5 раза.

Поэтому важно обеспечить согласование усилительных каскадов. Это возможно сделать с помощью высокочастотных схем коррекции, которые позволяют обеспечить дополнительный подъем АЧХ СУМ.

Известные схемные решения построения МКЦ СУМ отличаются большим разнообразием. Однако из-за сложности настройки и высокой чувствительности характеристик усилителей к разбросу параметров сложных МКЦ, в СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов практически не применяются МКЦ более третьего-четвертого порядков.

В последнее время наблюдается тенденция к использованию в выходных каскадах мощных полевых транзисторов. Обычно в таких схемах используются МКЦ. В тоже время в литературе не встречается их сравнительный анализ. Также нет и методики подходящей для расчета всех видов МКЦ.

Поэтому, целью данной работы, является разработка методики расчета МКЦ усилителя, обеспечивающий максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности АЧХ и полосе пропускания, по итогам сравнительного анализа МКЦ СУМ на полевых транзисторах.

Сравнительный анализ будем производить исходя из условия обеспечения максимального коэффициента усиления каскада при заданной полосе пропускания и допустимого отклонения АЧХ.

2 Обзор и анализ схем МКЦ

2.1 Программа оптимизации OPTIMAMP

Для анализа МКЦ была использована программа оптимизации OPTIMAMP (в дальнейшем программа) написанная с помощью пакета математических и инженерных вычислений MATLAB 6.1. Данная программа предназначена для оптимизации и построения АЧХ электронных схем. Дадим краткое описание и приемы работы с программой.

В основе программы лежит метод узловых потенциалов. Поэтому для исследования устройства необходимо заменить электрическую схему её эквивалентной схемой.

После замещения электрической схемы эквивалентной необходимо внести значения элементов в программу. Для этого проделываем следующие действия. Открываем пакет MATLAB. В командной строке набираем optimamp. Появляются два окна изображенных на рисунках 2.1 и 2.2. В основное тело программы (в дальнейшем главной) необходимо внести значения эквивалентной схемы. Для этого «кликнем» на файл и выберем новый проект. Затем начнем вносить значения элементов. Под диалоговым окном имеется ряд функциональных окон. Первое окно предназначено для выбора элементов. Нажимаем на треугольник рядом с буквой R и выбираем элемент. В соседнем окне вводим индекс этого элемента. Следующее окно предназначено для указания на оптимизацию выбранного элемента. Если в этом окне поставит галочку то данный элемент, в ходе выполнения программы, будет, подвергнут оптимизации. Далее, в соседнем окне, вводим номинал элемента. Нажав на треугольник около соседнего окна, выбираем величину номинала. Следующие четыре окна предназначены для указания узлов подключения элементов. Здесь следует отметить особенность подключения управляемого источника тока источника тока (в программе он обозначается как S). Сначала указываются узлы управления, а потом узлы подключения источника тока. Причем важно указать направление тока. После того как вся информация об элементе внесена, нажимаем на кнопку Новый и повторяем аналогичные действия для нового элемента. Для удаления всего элемента предназначена кнопка Удалить. После того как все элементы будут внесены, необходимо указать входные и выходные узлы. Это производиться в окне под названием узлы. Справа от того окна находиться окно под названием оптимизация. В нем, в подокне частоты, вводим диапазон частот, в котором проводится оптимизация по следующей схеме: нижняя частота: шаг: верхняя частота (например, 100е6: 5е7: 2е9). В окне коэффициент вводим желаемый коэффициент передачи устройства. Под ним находятся окна для выбора единицы измерения коэффициента передачи К (раз) и S21(дБ). Для выбора необходимо просто поставить точку в окне напротив соответствующего значения. Аналогично поступается и с окнами Не оптимизировать и Оптимизировать. В случае не оптимизации программа просто выдает АЧХ устройства исходя из анализа элементов введенных ранее. В случае оптимизации программа будет подбирать элементы, предназначенные для оптимизации, для достижения выбранного коэффициента передачи в заданной полосе частот. После того как все сведения о схеме будут введены, рекомендуется сохранить проект. Для этого нажимаем на Файл и выбираем пункт Сохранить проект, и сохраняемся в выбранной директории в файле с расширением .mat.

После этого нажимаем на кнопку Пуск. Если была выбрана оптимизация, то появляется окно (рисунок 2.3) свидетельствующее о процессе оптимизации. Этот процесс зависит от сложности схемы и может длиться несколько минут. По окончании процесса оптимизации появляется информационное окно изображенное на рисунке 2.4. В нем выводиться значения элементов, подвергнутые оптимизации. При желании их можно в нести в главную программу нажав Установить. Также в этом окне выводятся данные о количестве произведенных итераций, полученном значении целевой функции и максимальной неравномерности АЧХ выраженной в децибелах.

Рисунок 2.1 — Основное тело программы.

Рисунок 2.2 — Вспомогательное тело программы.

Рисунок 2.2 — Информационное окно 1.

Рисунок 2.4 — Информационное окно 2.

Как видно из рисунков программа OPITMAMP позволяет путем подбора коэффициента передачи найти заданную неравномерность наклона АЧХ.

2.2 Схема исследования

Схема по которой исследовались усилители с МКЦ представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5 — Схема исследования МКЦ.

Для анализа усилителя с МКЦ все элементы схемы рисунка 2.5 заменяем их схемами замещения, состоящих из R, L, C элементов и зависимых или независимых источников тока.

В качестве схемы замещения полевого транзистора используем схему представленной на рисунке 2.5 [37,40,41].

Рисунок 2.6 — Эквивалентная схема полевого транзистора.

Исследования проводились в двух диапазонах частот: 10−200 МГц на транзисторе КП907Б и 100−2000 МГц на транзисторе 3П602А. Значения элементов схемы замещения для этих двух транзисторов представлены в таблице 2.1 [37, 41]. У транзистора КП907Б отсутствуют значения элементов Lз, Lc, Lи, Rз, но, согласно [41], эти элементы из схемы замещения можно исключить.

Таблица 2.1 — Значения элементов схемы замещения транзисторов 3П602А и КП907Б.

Значения элементов Jg, Rg, Rн схемы исследования следующие:

Jg, A…1,0

Rg, Ом…50

Rн, Ом…50

2.3 Сравнительный анализ МКЦ

Сравнительный анализ был проведен исходя из следующих критериев:

1. МКЦ должна обеспечивать максимальный коэффициент передачи по напряжению (далее коэффициент передачи) в заданной полосе частот.

2. При максимальном коэффициенте передачи неравномерность АЧХ не должна быть более ± 0.5 Дб.

Используя эти критерии применительно к наиболее часто используемым схемам усилителей с МКЦ [2 — 35], с помощью программы OPTIMAMP, был проведен их сравнительный анализ. Исследованные схемы изображены на рисунках 2.7 — 2.22 [2−35].

Рисунок 2.7 — Четырехполюсная реактивная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.8 — Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.9 — Двухполюсная диссипативная КЦ первого порядка.

Рисунок 2.10 — Двухполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.11 — Двухполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.12 — Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.13 — Двухполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.14 — Четырехполюсная реактивная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.15 — Двухполюсная реактивная КЦ первого порядка.

Рисунок 2.16 — Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.17 — Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.18 — Двухполюсная реактивная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.19 — Четырехполюсная диссипативная КЦ третьего порядка.

Рисунок 2.20 — Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Рисунок 2.21 — Четырехполюсная диссипативная КЦ второго порядка.

Результаты анализа представлены в таблице 2.2. Как видно из таблицы максимальный коэффициент усиления при заданной неравномерности АЧХ ±0.5Дб имеют схемы 2.7, 2.14 и 2.16. На рисунках 2.23. и 2.24 приведены АЧХ эти усилителей на транзисторах 3П602А и КП907Б соответственно.

Таблица 2.2 — Сравнительный анализ схем усилителей с МКЦ.

——- - 2.7, ——- -2.14, ——- - 2.16.

Рисунок 2.23 — АЧХ усилителей на транзисторе 3П602А.

——- - 2.7, ——- - 2.14, ——- - 2.16.

Рисунок 2.24 — АЧХ усилителей на транзисторе КП907Б.

Как видно из рисунков 2.23 и 2.24 максимальный коэффициент усиления имеет схема изображенная на рисунке 2.7. Однако при подробном рассмотрении этой схемы выявляются следующие особенности. Емкость Свых транзистора включается последовательно с С1. Так как при исследовании первый транзистор заменялся идеальным генератором напряжения, то влияние Свых учтено не было. Если учитывать это влияние, то коэффициент передачи данной корректирующей приблизиться к МКЦ рисунка 2.14. В МКЦ рисунка 2.14 емкость Свых включена параллельно С1. Поэтому её влияние может быть скомпенсировано уменьшением емкости C1 на величину Свых. К тому же методика расчета усилителя с МКЦ рисунка 2.7 приведена в работе.

Исходя из всего вышесказанного, было принято решение о разработке методики расчета усилителя с МКЦ на мощном полевом транзисторе схемы изображенной на рисунке 2.14.

3 Расчет МКЦ по результатам сравнительного анализа

3.1 Общие положения методики расчета МКЦ

Для разработки методики расчета СУМ с выбранной МКЦ воспользуемся методом параметрического синтеза, описанного в. Метод заключается в следующем. Согласно [37,43,44], коэффициент передачи усилительного каскада с МКЦ, в символьном виде, может быть описан дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

(3.1)

где ;

— нормированная частота;

— текущая круговая частота;

— верхняя круговая частота полосы пропускания широкополосного усилителя мощности, либо центральная круговая частота полосового усилителя;

— коэффициент передачи каскада на средних частотах;

— коэффициенты, являющиеся функциями параметров МКЦ и элементов аппроксимации входного импеданса транзистора усилительного каскада, нормированных относительно и сопротивления источника сигнала .

Зная коэффициенты всегда можно рассчитать нормированные значения элементов МКЦ и составить таблицы нормированных значений элементов, соответствующих заданному наклону АЧХ. В этом случае, проектирование усилительного каскада сводится к расчету истинных значений элементов МКЦ, соответствующих заданным и .

Для расчета коэффициентов в предложено воспользоваться методом оптимального синтеза теории фильтров.

В соответствии с указанным методом представим нормированное значение квадрата модуля передаточной характеристики (3.1) в виде:

(3.2)

где .

Для расчета коэффициентов составим систему линейных неравенств:

(3.3)

где — дискретное множество конечного числа точек в заданной нормированной области частот; - требуемая зависимость на множестве; - допустимое уклонение от; - малая константа.

Первое неравенство в (3.3) определяет величину допустимого уклонения АЧХ каскада от требуемой формы. Второе и третье неравенства определяют условия физической реализуемости рассчитываемой МКЦ. Учитывая, что полиномы числителя и знаменателя функции положительны, модульные неравенства можно заменить простыми и записать задачу в следующем виде:

(3.4)

Неравенства (3.4) являются стандартной задачей линейного программирования. В отличие от теории фильтров, где данная задача решается при условии минимизации функции цели:, неравенства (3.4) следует решать при условии максимизации функции цели:, что соответствует достижению максимального коэффициента усиления рассчитываемого каскада. Решение неравенств (3.4) позволяет получить векторы коэффициентов, соответствующие заданным и .

По известным коэффициентам функции (3.2), коэффициенты функции (3.1) определяются с помощью следующего алгоритма [43]:

1. В функции (3.2) осуществляется замена переменной, и вычисляются нули полиномов числителя и знаменателя.

2. Каждый из полиномов числителя и знаменателя представляется в виде произведения двух полиномов, один из которых должен быть полиномом Гурвица.

3. Отношение полиномов Гурвица числителя и знаменателя является искомой функцией (3.1).

Многократное решение системы линейных неравенств (3.4) для различных и, расчет векторов коэффициентов и вычисление нормированных значений элементов рассматриваемой МКЦ позволяют осуществить синтез таблиц нормированных значений элементов МКЦ, по которым ведется проектирование усилителей.

3.2 Вывод аналитического выражения для описания коэффициента передачи каскада с МКЦ

Воспользовавшись вышеописанным методом расчета, произведем расчет схемы, представленной на рисунке 2.14. Для вывода аналитического выражения коэффициента передачи каскада с МКЦ в схеме 2.6 заменим полевой транзистор его однонаправленной моделью. Полученная схема представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. — Схема каскада с МКЦ.

В области частот удовлетворяющих условию, где — постоянная времени входной цепи ПТ, входной и выходной импедансы транзисторов могут быть аппроксимированы С и RC — цепями. Элементы указанных цепочек могут быть рассчитаны по следующим соотношениям [40]:

; (3.5)

; (3.6)

(3.7)

где — емкости затвор-исток, затвор-сток, сток-исток ПТ;

— крутизна ПТ;

— сопротивление нагрузки каскада.

С учетом (3.1) коэффициент передачи последовательного соединения МКЦ и транзистора, для схемы рисунка 2.14, может быть описан выражением:

(3.8)

где ;

;

;

;

.

Предполагая известными и, выразим элементы МКЦ:

;

; (3.9)

.

3.3 Синтез функции-прототипа передаточной характеристики

Согласно для нахождения коэффициентов необходимо представить нормированное значение квадрата модуля передаточной характеристики (3.1) в виде (3.3). Так как полиномы числителя и знаменателя положительны, модульные неравенства заменим простыми и записать задачу в виде (3.4). Для нашего случая это выражение будет иметь вид:

. (3.10)

Решая систему (3.10) при условии максимизации функции цели: В₃ = max, найдем вектор коэффициентов, обеспечивающий получение максимального коэффициента усиления при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданном диапазоне частот.

По известным корням уравнения:

найдем коэффициенты .

Предлагаемая методика была реализована в виде программы в среде Maple V Release 4, с помощью которой получены нормированные значения элементов МКЦ для ряда значений и. Результаты расчетов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Нормированные значения элементов МКЦ.

Зная нормированные значения элементов МКЦ можно произвести расчет реальных элементов по следующей методике.

· Задаем сопротивление генератора Rг, сопротивление нагрузки Rн, верхнюю граничную частоту пропускания усилителя fв, допустимую неравномерность АЧХ д.

· Используя справочные данные транзистора, выбранного в качестве усилительного элемента, по выражению (3.5) находим Свх.

· Нормируем Свх относительно fв и Rг:

Свхн = 2 ^. р^{. .} Свх ^. Rг. (3.11)

· Из таблицы 3.1, в колонке с заданной неравномерностью, находим ближайшее к полученной Свхн значение Свхн.

· Для этого значения Свхн находим С1н, С3н и L2н.

· При разнормировке полученных значений элементов МКЦ находим истинные значения элементов, обеспечивающие заданную неравномерность.

· Коэффициент усиления каскада находим по выражению:

. (3.12)

3.4 Анализ полученных результатов

Воспользовавшись вышеописанной методикой, проведем сравнительный анализ результатов полученных при помощи программы OPTMAMP. Сравним результат, полученный этой программой при оптимизации МКЦ с результатом, полученным при помощи вышеизложенной методикой.

Для этого, согласно методике, найдем значения элементов МКЦ в усилителях:

1. На транзисторе 3П602А с граничной частотой 2 ГГц и неравномерностью АЧХ ±0,5дБ.

2. На транзисторе КП907Б с граничной частотой 200 МГц и неравномерностью АЧХ ±0,5дБ.

Согласно выражению (3.5) и данных таблицы 2.1 при Rг = Rн = 50 Ом найдем значения Свх этих транзисторов.

Для транзистора 3П602А:

Ф.

Для транзистора 3КП907Б:

Ф.

Нормированные значения Свхн:

Для транзистора 3П602А:

Для транзистора КП907Б:

При заданной неравномерности АЧХ ±0,5дБ в таблице 3.1 находим ближайшее значение Свхн и соответствующие ей С1н, С3н и L2н.

Для транзистора 3П602А:

Свхн = 2,0; С1н =0,755; С3н = 3,577; L2н =1,336.

Для транзистора КП907Б:

Свхн =3,5; С1н =0,755; С3н =1,906; L2н =1,336.

После разнормировки получим следующие значения элементов МКЦ.

Для транзистора 3П602А:

Для транзистора КП907Б:

Рисунок 3.2 — Сравнение АЧХ усилителей рассчитанных: при помощи программы оптимизации ——, при помощи синтезированных таблиц —— на транзисторе 3П602А.

Рисунок 3.3 — Сравнение АЧХ усилителей рассчитанных: при помощи программы оптимизации ——, при помощи синтезированных таблиц —— на транзисторе КП907Б.

Результаты сравнения представлены на рисунке 3.2 для усилителя на транзисторе 3П602А и рисунке 3.3 для усилителя на транзисторе КП907Б. Как видно, предлагаемая методика позволяет осуществить синтез таблиц нормированных значений элементов МКЦ, является достаточно точной, и обеспечивает сокращение времени, необходимого для проектирования и экспериментальной отработки усилителей.

4 Технико-экономическое обоснование

4.1 Обоснование целесообразности разработки проекта

Технико-экономическое обоснование дипломной работы основывается на отсутствии простой в применении методики расчета МКЦ необходимой при проектировании сверхширокополосных усилителей. Целью данного дипломного проекта является разработка методики расчета МКЦ сверхширокополосного усилителя на мощных полевых транзисторах, обеспечивающий максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности АЧХ и полосе пропускания. Данная методика необходима для создания интегральных микросхем мощных сверхширокополосных усилителей систем нелинейной радиолокации. Помимо этого методика может быть использована и при инженерных расчетах. Экономический эффект при этом основывается на том, что разработчик при минимальных затратах средств и времени может спроектировать сверхширокополосный усилитель с заданными характеристиками.

При оценке научно — технического уровня разработки применяется метод балльных оценок. Метод балльных оценок заключается в том, что каждому фактору по принятой шкале присваивается определенное количество баллов. Общую оценку приводят по сумме баллов всех показателей или рассчитывают по формуле. На основе полученной оценки делают вывод о целесообразности разработки. На основе оценок признаков работы определяется коэффициент научно-технической уровня (НТУ) работы по формуле:

(4.1)

где J_НТУ — комплексный показатель качества разрабатываемого продукта;

n — количество показателей качества разработанного продукта (n_min=4);

К_i — коэффициент весомости i-го показателя в долях единицы, устанавливается экспертным путем;

X_i — относительный показатель качества, устанавливается экспертным путем по десятибалльной шкале.

По таблицам 4.1 — 4.4 определим баллы и коэффициенты значимости для методики расчета МКЦ.

Таблица 4.1 — Оценка уровня новизны

Таблица 4.2 — Баллы значимости теоретического уровня

Таблица 4.3 — Возможность реализации результатов

Таблица 4.4 — Значение весовых коэффициентов

По уровню новизны разработанная методика расчета МКЦ может быть охарактеризована как относительно новая, т.к. данная методика является обобщением теоретических исследований и экспериментов, освещенных в технической литературе за последние 15 лет, т. е. по шкале уровня новизны система имеет 4 балла.

По шкале теоретического уровня системе присваивается 6 баллов, так как произведена разработка принципиально новой методики расчета МКЦ.

По шкале возможности реализации системе присваивается 10 баллов, так как при существующем уровне развития усилительных устройств проект, возможно, реализовать в течение первых пяти лет.

По масштабу реализации присваиваем 4 балла, так как данная методика применима не только для расчета при создании сверхширокополосных усилителей, но также и для расчета сверхширокополосных усилителей в других отраслях радиоэлектроники.

Проведем расчет коэффициента НТУ по формуле (4.1)

.

Таблица 4.5 — Уровень развития

Разработанная система имеет средний уровень развития, поэтому разработка имеет экономическую и техническую целесообразность.

4.2 Организация и планирование работы

Составление перечня работ необходимо для определения трудоемкости отдельных видов работ и общей трудоемкости выполнения дипломного проекта.

Трудоемкость работ определяется по сумме трудоемкости этапов и видов работ, оцениваемых экспериментальным путем, в человеко-днях, и носит вероятностный характер, так как зависит от множества трудно учитываемых факторов, поэтому применяются оценки минимально возможной трудоемкости выполнения отдельных видов работ — t_min, максимально возможной — t_max, ожидаемое значение трудоемкости — t_ож рассчитывается по формуле:

. (4.2)

Оценка трудоемкости работ приведена в таблице 4.6

Таблица 4.6 Перечень работ и оценка их трудоемкости

На основании таблицы 4.6 построим линейный график работ представленный в приложении РТФ ДР. 431 126.001 ПЗ.

4.3 Расчет экономических показателей на разработку проекта

Расчет сметной стоимости проектирования производится по формуле:

К= С_м+ С_ос+ С_доп+ С_со+ С_аморт+ С_энер +С_нр, (4.3)

где К — единовременные затраты, руб.;

С_м — стоимость материалов и комплектующих, руб.;

С_ос — основная заработная плата научно-технического персонала, участвующего в разработке, руб.;

С_доп — районный коэффициент, руб.;

С_со — отчисления по единому социальному налогу, руб.;

С_аморт — стоимость машинного времени, руб.;

С_нр — накладные расходы (по административно-хозяйственному управлению, содержанию зданий, охране труда и др.), руб.;

С_енер — затраты на электроэнергию, руб.

4.3.1 Расчет затрат на материалы для разработки проекта

Затраты на материалы для проведения проектирования приведены в таблице 4.7

Таблица 4.7 — Стоимость материалов для разработки проекта.

4.3.2 Расчет заработной платы

Основная заработная плата рассчитывается как:

С_осн = С_д1 ^. Т1 + С_д2 ^. Т₂, (4.4)

где З_д1, З_д2 — дневная зарплата руководителя и инженера соответственно;

Т₁ , Т₂ — затраты труда руководителя и инженера.

Средняя дневная зарплата работника рассчитывается по формуле:

где О_м — месячный должностной оклад работника;

М — количество месяцев работы в течении года (М = 11,2 при отпуске 24 дня);

R_р — районный коэффициент;

Ф_г — действительный годовой фонд рабочего времени работника.

Таблица 5.8 — Расчет действительного годового фонда рабочего времени

В таблице 4.9 представлены месячные должностные оклады работников.

Таблица 4.9 — Месячные должностные оклады

Пользуясь таблицей 4.6, произведен учет рабочего времени каждого из работников. Результаты представлены в таблице 4.10. Согласно таблице 4.6 руководитель был занят на разработке темы — 12 рабочих дней, инженер — 71 рабочих дня. Расчеты, связанные с зарплатой, представлены в таблице 4.11.

Таблица 4.11 — Основная зарплата исполнителей (ОЗП)

Дополнительная зарплата (ДЗП) составляет 30% от ОЗП.

ДЗП = ОЗП ^. 0,3 = 4261,5 ^. 0,3 = 1372,5 руб.

Отчисления на социальные нужды (ОСН) включают (% от ЗПрк):

— пенсионный фонд 28%;

— социальное страхование 4%;

— медицинское страхование 3,6%;

— местный налог — транспортный 1%.

Таким образом,

ОСН = ЗПпк ^. 0,356 = 4261,5 ^. 0,356 = 1628,7 руб.

Общий фонд заработной платы составит:

Фзп = ОЗП + ДЗП+ ОСН = 4575,1 + 1372,5 + 1628,7 = 7576,3 руб.

4.3.3 Определение расходов на машинное время

При разработке устройства был использован компьютер, на него

рассчитываются амортизационные отчисления:

(4.5)

где Ц_бал— балансовая стоимость j-го вида оборудования, руб.(12 000 руб.);

Н_А — норма годовых амортизационных отчислений (для компьютера Н_A=0,25);

g_j — количество единиц j-го вида оборудования;

t_pj — время работы j-го вида оборудования, час;

Ф_эф — эффективный фонд времени работы оборудования, час.

Работа на компьютере производилась при анализе схем МКЦ (30 дней), оформлении отчета по преддипломной практике (12 дней), синтезе нормированных значений МКЦ для различных допустимых отклонениях АЧХ (10 дней), проверке синтезированных таблиц (4 дня), проработке вопросов безопасности жизнедеятельности (5 дней), проработке вопросов экономики (5 дня), оформлении пояснительной записки и графического материала (17 дней) по 3 часа в день. Т. е. в общей сложности время работы составило 249 часов.

По формуле (4.5) получаем

рубля.

4.3.4. Расчет потребляемой компьютером энергии

Затраты на потребляемую компьютером энергию равны:

С_энер = WТS, (4.6)

где W — мощность компьютера, кВт;

Т — время работы на компьютере, час;

S — тариф на электроэнергию, S = 0,9 руб.

Подставляя значения, получим:

С_энер = 0,32 490,9 = 67,23 руб.

4.3.5 Расчет затрат на накладные расходы

К статье «Накладные расходы» относятся расходы на производство, управление и хозяйственное обслуживание, которые в равной степени касаются всех разработок, проводимых в организации. Накладные расходы рассчитываются в размере 20% от суммы всех прямых затрат на разработку, в нашем случае они составляют 1535,2 руб.

4.3.6 Составление сметы затрат на проектирование

Затраты на проектирование приведены в таблице 4.12.

Таблица 4.12 — Затраты на разработку проекта

4.4 Оценка эффективности научно-исследовательской работы.

Результатом проделанной работы является методика расчета, упрощающая расчет сверхширокополосных усилителей с МКЦ. Благодаря этой методике уменьшаются время и затраты на расчет усилителей, что в свою очередь приводит, к удешевлению этих усилителей.

5 Обеспечение безопасности жизнедеятельности

5.1 Общие положения

Безопасность жизнедеятельности это система законодательных, социально-экономических, организационных, технологических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда (ГОСТ 12.0.002−80).

С развитием техники и широким внедрением механизации и автоматизации производственных процессов уменьшается роль физического труда человека, однако, возрастает роль умственной нагрузки и возникает проблема нервного утомления.

В целях предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний при воздействии опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ) на предприятиях применяются меры по их предупреждению и устранению, а также снижению степени воздействия на работающих.

Для снижения воздействия ОВПФ на разработчика во время работы в первую очередь необходим их тщательный анализ.

Опасными называются производственные факторы, воздействие которых на работающего в определенных условиях человека приводит к травме или другому внезапному ухудшению здоровья. Если же производственный фактор приводит к заболеванию или снижению работоспособности при длительном воздействии, то его считают вредным (ГОСТ 12.0.003−74). Согласно ГОСТ 12.0.003−74 ССБТ ``Система стандартов безопасности труда. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация'' ОВПФ подразделяются на четыре группы:

— физические;

— химические;

— психофизиологические;

— биологические.

К физическим ОВПФ относятся:

· повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

· повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования или материалов;

· повышенные уровни шума вибраций;

· повышенное или пониженное атмосферное давление;

· при разработке, в процессе применения ЭВМ — повышенная нагрузка на органы зрения;

· недостаток или отсутствие освещения и другое.

К опасным химическим и вредным производственным факторам относятся химические вещества, которые по характеру воздействия на организм человека подразделяются на токсичные, раздражающие и другие. Проникать в организм человека они могут через желудочно-кишечный тракт, органы дыхания, потные покровы и слизистую оболочку.

К биологическим ОВПФ относятся микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.

К психофизиологическим ОВПФ относятся физические (статические и динамические) и нервно-психологические перегрузки: умственное перенапряжение, монотонность труда, эмоциональные и другие перегрузки.

Кроме опасных и вредных производственных факторов также на условия труда человека значительное влияние оказывает его интенсивность, т. е. мера затраты человеком физической и умственной энергии в единицу времени. Согласно ГОСТ 12.1.005−76 установлены следующие категории работ:

1. Легкие физические работы (категория I) — работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой, но не требующие систематического физического напряжения или поднятия и переноски тяжестей; энергозатраты до 172 Дж/с;

2. Физические работы средней тяжести (категория II), при которых расход энергии составляет 172−232 Дж/с;

3. тяжелые физические работы (категория III), связанные с энергозатратами более 293 Дж/с.

В разделе обеспечения безопасности жизнедеятельности производится анализ опасных и вредных факторов на стадии эксплуатации автоматизированной системы централизованного дистанционного управления и контроля, а также производственных факторов, связанных с рабочим местом разработчика. Кроме того, описывается инженерное решение комплекса защитных мероприятий от выявленных опасных и вредных производственных факторов.