Усилители многоканальных систем передач

Поэтому на f > fв ФЧХ должна представлять собой линию постоянной фазы на уровне

argT (f)= - 800(1 — y) = const.

Для минимально-фазовых цепей величина допустимого фазового сдвига однозначно определяет оптимальный наклон ЛАХ Т (f) идеального среза по Боде на f > fв, который составит в пределе -12(1 — у) 6 дБ/окт. Причем, линия постоянного наклона, продолжена в рабочий диапазон частот, достигает уровня АМАХ на частоте fв/2.

На частотах f > fc положение ЛАХ Т (f) определяется асимптотами частотных характеристик каскадов усиления. Поэтому этот участок носит название асимптоты ЛАХ Т (f).

В диапазоне частот f (…fc 20lgT (f) = -x дБ, что соответствует запасу устойчивости по модулю. Этот участок характеристики Боде называется ступенькой. Ступенька формируется для того, чтобы в диапазоне частот f (fd скомпенсировать дополнительный суммарный фазовый сдвиг, который слагается из фазового сдвига асимптоты, неминимально-фазового сдвига транзисторов и сдвига фазы из-за конечного времени распространения сигнала в петле ОС. Аналитический расчет перечисленных составляющих сложен и значительно увеличит объем курсового проекта. Поэтому предлагается длину ступеньки выбрать ориентировочно порядка 1,5…3 октав [fc/fd (3…8].

Дальнейшие нарастание фазового сдвига arg T (f) на асимптотических частотах (в соответствии с наклоном ЛАХ на f > fc — N6 дБ/окт) до предельной величиныN (900 не нарушает устойчивости, так как на частотах f > fd уже обеспечен запас устойчивости

6.2 Факторы, влияющие на максимально допустимую глубину ОС

Допустимая из условий устойчивости глубина ОС зависти от запасов устойчивости, наклона асимптоты и ее удаленности от верхней частоты рабочего диапазона, т. е. частоты fT ср, а так же от потерь в пассивной части на асимптотических частотах.

Запасы устойчивости. Увеличение запасов устойчивости приводит к снижению значения глубины ОС.

Запас устойчивости по фазе влияет на наклон характеристики идеального среза и ширину ступеньки с увеличением У наклон характеристики и частота fd становится меньше.

Для усилителей многоканальной связи считаются достаточными следующие запасы устойчивости:

По фазе (= 300 — 450 (У = 1/6…¼);

По модулю возвратного отношения х = 6…10 дБ.

Наклон асимптот. — определяется числом каскадов, так как при проектировании усилителей с глубокой близкой к максимально возможной ОС, принимают специальные меры, чтобы элементы пассивной части не создавали дополнительного наклона ЛАХ T (f).

Частота единичного усиления fT cp — это частота, на которой коэффициент передачи активной цепи становится равным 1(0 дБ). Величина fT cp зависит от выбранных транзисторов. При увеличении fT cp область асимптоты и ступеньки ЛАХ Т (f) сдвигаются в сторону более высоких частот, а допустимая глубина ОС увеличивается.

Потери в пассивной части на асимптотических частотах. Частота fT cp является частотой единичного усиления передачи по петле ОС только в том случае, если на этой частоте передача через пассивные петли ВТ=В2(В0(В1 = I. В реальных условиях пассивные цепи вносят затухание и асимптота ЛАХ Т (f) на частоте fT cp происходит ниже на величину АТ (дБ) = -20lgВт (рис. 6.1).

Чтобы увеличить допустимую глубину ОС, необходимо максимизировать передачу сигнала по петле ОС на асимптотических частотах за счет снижения потерь в пассивной части петли ОС АТ. При уменьшении АТ (рис. 6.1) асимптота и область ступеньки ЛАХ Т (f) оптимального среза сдвинется в сторону более высоких частот, а Аmax увеличится. Для уменьшения асимптотических потерь параллельно цепям пассивной части включают конденсаторы высокочастотного обхода Са, как показано на ри. 6.2 для схемы усилителя с комбинированной ОС, рассмотренных в п. 5.

1.

Емкость этих конденсаторов выбирается таким образом, чтобы они не оказывали заметного влияния в рабочем диапазоне частот. Для этого сопротивление на верхней частоте рабочего диапазона усилителя должно быть значительно больше, чем R цепи, параллельно которой включен конденсатор, т. е.

Са = (0,1…0,2)/(2(fВR); (6.1).

Емкости конденсаторов, включенных параллельно обмоткам входного или выходного трансформаторов, следует рассчитывать относительно RГ1 опт или RHN соответственно, величины которых определяются на этапе эскизного расчета, а Са3 — относительно соответствующего сопротивления цепи ОС.

На асимптотических частотах пассивная часть петли ОС будет представлять емкостной делитель с постоянным коэффициентом передачи. Тогда вносимое затухание цепи ОС на этих частотах АТ определяется следующим уравнением:

АТ = 20lg (1+С1/Са ЭК); (6.2).

Где С1 = СKN + CM, причем СМ = 1…10 пФ — емкость монтажа в выходной цепи транзистора.

Са = (1/Са1 + 1/ Са3 +1/Сб`э)-1; (6.3).

Влиянием Са2 на АТ при расчете можно пренебречь, на практике АТ уточняется экспериментально.

Произведем вычисления:

Зададимся См (2,5 пФ; RН2 = 757,8 Ом; R Г1 опт = 125 Ом;

fв = 1 600 000

Гц; RОС = 24 Ом; СK1 = 5 пФ;

Таблица № п.

6.2.

Величина Са1, Ф Са2, Ф Са3, Ф С1, Ф Ca кэ, Ф Aт, дБ Значение 1,33

Зная номинальные значения емкостей конденсаторов, приведем таблицу значений емкостей конденсаторов по ГОСТ 10 318–74, исходя из следующего принципа, значение по ГОСТу должно соответствовать номинальному с точностью до 20%.

Таблица №П.

6.2.

Конденсатор Единицы измерения Номинальное значение ГОСТ По ГОСТ Группа по ТКЕ.

Са1 Ф Тип госта Е24(n = -11; х = 8,2)

К10−17 8,2Е-11 М75

Uном = 25

Са2 Ф Тип госта Е24(n =-11; х = 1,3)

К10−17 1,3Е-11 М75

Uном = 25

Са3 Ф Тип госта Е24(n =-10; х = 4,3)

К10−17 4,3Е-10 М75

Uном = 25 6.2 Построение ЛАХ Т (f)

Построение некорректированной ЛАХ Т (f).

Некорректированная характеристика на средних частотах рабочего диапазона (верхняя граница на рис.

6.1) определяется разностью коэффициентов усиления усилителей при выключенной и включенной ОС:

20lgT (20lgF = 20lgK — 20lgKF (1 + R1/Rвх)/ (1 + R1/Rвх F); (6.5).

20lg5096,1 — 20lg40((1+50/95,57)/(1 + 50/50) = 44,47 дБ.

Для определения ЛАХ T (f) во всем контролируемом диапазоне частот следует продолжить построение этой характеристики до соединения с асимптотой, увеличивая, ее наклон на 6 дБ/окт на частотах полюсов (соответственно Р1, Р2). Если К — цепь содержит четное и общая ОС строится по схеме рис.

5.1, то выходной транзистор оказывается включенным в петлю ОС по схеме ОК, частотные свойства которой значительно лучше, чем схемы ОЭ. Это свойство следует учесть при построении некорректированной ЛАХ T (f), принимая частоту полюса выходного каскада ориентировочно равной fp2 ((0,6…0,8)fT2.

Проводится линия уровня минимально требуемой глубины ОС 20lgFmin = 20lgF, определенный в п.

2.3.

20lgF = 35,92 дБ.

Проводится асимптота с наклоном -12 дБ/окт через точку с координатами:

(fт ср, -АТ, дб) = (400(106; 1,33 дБ);.

На асимптоте, на уровне выбранного запаса устойчивости по модулю х = -10 дБ отмечается точка пересечения асимптоты со ступенькой, определяющая частоту конца ступеньки fc.

По частоте fc находится частота начала ступеньки fd из условия ориентировочной длины ступеньки 1,5…3 октавы (fd (fc/(3…8) выберем fd (fc/4). Между частотами fd и fc вычерчивается ступенька на уровне — х = -10 дБ.

От начала ступеньки (на частоте fd) проводится луч с наклоном -12(1 — у) дБ/окт до частоты 0.8(106 и ордината конца луча определяет уровень Амах в рабочем диапазоне частот.

Более точно ширина ступеньки и значение Амах могут быть рассчитаны по формулам :

fc = fТ ср (100,05(х — Ат)/N = 400(106(100,05(10 — 1,3)/2 =658,86(106 Гц.

fd = 2(1 — у)3600/((2(z);

;

Здесь (z = (a + (н + (п, где (a, (н, (п — коэффициенты линейного фазового сдвига асимптоты, нелинейной фазы транзисторов и петли ОС. Они определяются соответственно положением асимптоты, параметрами транзисторов и конструкцией усилителя.

; град/МГц.

;град/МГц.

; град/МГц.

; град/МГц.

Где l = 10 см длина петли ОС в см, С = 3(1010 см/с — скорость распространения электромагнитных колебаний, (i — диэлектрическая проницаемость материала платы (обычно стеклотекстолит с (i=7).

Зная эти коэффициенты вычислим:

fd = 2(1 — у)3600/((2(0,437)=167(1-y) МГц.

дБ.

Вычерчиваем постоянное значение уровня Амах до частоты fВ линия Амах соединяется с линией оптимального наклона в диапазоне частот fВ … 2 fВ плавной как показано на рис.

6.3.

Рис. 6.3 ЛАХ

7 Составление принципиальной схемы

При составлении полной принципиальной схемы усилителя необходимо наиболее рационально скомпоновать и соединить между собой функциональные узлы усилителя (К — цепь, входную и выходную цепи, цепь ОС), схемы которых были рассчитаны в предыдущих разделах.

Блокировочные конденсаторы в эмиттерных цепях транзисторов Сэ, устраняющие местную ОС по сигналу, рассчитываются из условия пренебрежимо малого сопротивления по сигналу вплоть до нижней частоты рабочего диапазона:

Сэ ((3…5)(h21Rэ + RГ + h11)((fHRЭ)(RГ + h11).

Таким образом, найдем СЭ для первого каскада:

мк

Ф

мк

Ф

Значения выберем согласно ГОСТ:

СЭ1 = 20 мк

Ф.

СЭ2 = 39 мк

Ф.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта были закреплены основные этапы проектирования усилителей многоканальных систем передачи с обратной связью. Согласно варианта технического задания был разработан и рассчитан двухкаскадный усилитель на транзисторах p-n-p с гальванической связью между каскадами.

В отдельном пункте выбран вариант исполнения обратной связи и представлен ее расчет. Также выполнен расчет ЛАХ, построен график.

Результатом выполнения курсового проекта стала принципиальная схема усилителя.

Список литературы

1. Методические указания к курсовому проектированию усилителей многоканальных систем передачи. -Л.: Изд-во ЛЭИС, 1991. 55л.

R1

k1

B1

Входная цепь

k2

B2

Выходная цепь

B0

Цепь ОС.

Входной каскад

Выходной каскад

R2

Е1

R`г

R``г

Rвх. F

Rвых. F

Цепь усиления (к — цепь)

Каскады предварительного усиления

Рис. 2.1 Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью

n``: 1

1: n`

Рис 2.2 Структурная схема цепи усиления

R2

U2

Rн

Rг1

Rвх.

E1

R1

(N-1)

Rб2

Rк

Rб1

R2

Ср

Сэ

n``:1

— Е0

Рис 2.3 Выходной каскад усилителя (однотактная трансформаторная схема)

Р2

Рн

Rн

Выходной каскад

(N)

Входной каскад

(1)

Rэ

Ср

Rэ1

Rэ1

Сэ1

— 15В

Сэ2

Са

Rэ3

R2

Ср

Ср

V2

V1

Rб2

Iк2

Ср

Uкэ2

R1

Uкэ1

Iк1

Uк1

Uэ1

Uэ2

Uбэ2

— 15В

Рис. 3.1 Схема с гальванической связью

Uбэ1

Рис. 5.3 Конечный вид схемы обратной связи

R3

Вых. цепь

R``б

Са2

Рис. 6.2 Схема ОС с конденсаторами высокочастотного обхода

Цепь ОС

Са3

Са1

Вх. цепь

— 8,3 в

RH (S-1)

С1

RБ1S

RHS

+E0

U2

U (S-1)

RH (S-1)

RГS

Рис. 4.1 Схема усилительного элемента

R``Г

R3

Цепь ОС

n``:1

1: n`

m`

m``

R`Г

Рис. 5.1 Схема с обратной связью

R2

R1

Рис. 5.2 Цепь обратной связи

R`б

Рис. 6.1 Линейно-амплитудная характеристика

R1

— 10,6

Rк2

V1

V2

Сэ2

Сэ1

Ср Са

Ср

Ср

Ср

R3

Рис. 7.1 Принципиальная схема усилителя

R2

R1

Rэ3

Rб2

Rк2

— 0,7 В

Rэ2

Rб1

Rк2

— 0,7 В

Рис. 3.2 Схема с номиналами напряжений и токов

— 15В

— 3в

— 0,7в

14мА

— 3 в

— 3в

16мА

V1

V2

Сэ2

Сэ1

Rэ1

Ср