Проектирование широкополосного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Техническое задание
• 2. Анализ технического задания
• 3. Расчет числа каскадов, выбор типов ИС и транзисторов
• 4. Выходной (четвертый) каскад
• 4.1 Выбор транзистора
• 4.2 Параметры транзистора
• 4.3 Элементы коррекции
• 4.4 Блокировочные и разделительные конденсаторы
• 4.5 АЧХ, частотные искажения
• 4.5.1 Нижние частоты
• 4.5.2 Верхние частоты
• 5. Предвыходной (третий) каскад
• 5.1 ИС К256УВ7
• 5.2 Параметры транзисторов
• 5.3 Основные показатели каскада.
• 5.4 Блокировочные и разделительные конденсаторы
• 5.5 АЧХ, частотные искажения
• 5.5.1 Нижние частоты
• 5.5.2 Верхние частоты
• 6. Второй каскад
• 6.1 Основные параметры каскада
• 6.2 Блокировочные и разделительные конденсаторы
• 6.3 АЧХ, частотные искажения
• 6.3.1 Нижние частоты
• 6.3.2 Верхние частоты
• 7. Входной каскад
• 7.1 Основные параметры
• 7.2 Блокировочные и разделительные конденсаторы
• 7.3 АЧХ, частотные искажения
• 8. Усилитель в целом
• 8.1 АЧХ, частотные искажения
• 8.1.1 Нижние частоты
• 8.1.2 Верхние частоты
• Список используемой литературы2
• 
• 1. Техническое задание
• Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:
• ЭДС входного сигнала: E = 2 мВ.
• Активное сопротивление нагрузки: R_НД = 100k Ом.
• Пассивное сопротивление нагрузки: С_НД = 5п Ф
• Частотные искажения (НЧ): M_Н = 2,8 дБ.
• Частотные искажения (ВЧ): М_В= 3.0 дБ.
• Минимальная рабочая температура: T_Н = -5 С.
• Максимальная рабочая температура: Т_В = 40 С.
• Внутреннее сопротивление источника: R_ИСТ = 600 Ом.
• Нижняя граничная частота: f_Н = 30 Гц.
• Верхняя граничная частота: f_В = 6 МГц.
• Входное сопротивление: R_ВХ = 200 кОм.
• Амплитуда выходного сигнала: U_ВЫХ = 4,5 В.
• Нелинейные искажения: Кг = 7 %
• Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.
• 2. Анализ технического задания
• При работе на низкоомную нагрузку современные интегральные микросхемы не обеспечивают необходимой мощности. Поэтому в качестве выходного каскада будем использовать каскад с общим эмиттером на достаточно мощном транзисторе. Хорошие частотные свойства такого каскада и высокую термостабильность режима можно обеспечить при использовании предмощного каскада с низким входным выходным сопротивлением например, секции общий эмиттер - коллекторный повторитель типа К265УВ7. Связь между каскадами используем непосредственную.
• 3. Расчет числа каскадов, выбор типов ИС и транзисторов Расчет ведется согласно /1, с.12/
• Усилитель должен иметь следующий расчетный коэффициент усиления:
• (3.1)
• где К_З - коэффициент запаса усиления равный 1,5.
• Число активных каскадов определяется по следующей формуле:
• (3.2)
• где К_m - максимально возможное усиление одно - и двухтранзисторных схем. Округляя до целого значения, получаем
• N=3. (3.3)

Коэффициент усиления каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:



(3.5)

Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

(3.6)

Нестабильность усиления:

(3.7)

Здесь количество каскадов N+1 из-за учета истокового повторителя на выходе, его использование обусловлено большим Rвх=200кОм.

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

(3.8)

Найдем выигрыш площади усиления при простой параллельной коррекции по графику /1, рис.1, с.15/ при относительной глубине коррекции :

(3.10)

По графику /1, рис.2, с.15/ (1) находим потери площади усиления:

=0,5. (3.11)

Реальный выигрыш в площади усиления при использовании эмиттерной коррекции:

(3.12)

Для каждого каскада верхняя граничная частота и площадь усиления равны соответственно:

(3.9)

(3.9)

Такая площадь усиления может быть обеспечена каскадными усилителями с секцией ОЭ-ОБ на ИС типа К265УВ6. Секция ОЭ-ОБ имеет коэффициент усиления примерно такой же, как и у одиночного каскада с ОЭ, но площадь усиления существенно большую, что и оправдывает её выбор. Кроме того, схема ОЭ-ОБ обладает практически полной независимостью Rвх от Rн, что даёт бульшую универсальность выбранной ИС.

ИС К265УВ6, согласно справочным данным, имеет входное сопротивление > 400 Ом, а выходное < 100 кОм, следовательно, к её выходу можно подключить высокоомную нагрузку без согласования.

Для входного истокового повторителя выбираем высокочастотный полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным n-каналом типа КП313Б. Данный транзистор имеет достаточно высокую крутизну, что обеспечивает малое выходное сопротивление повторителя и, как следствие, хорошие частотные свойства следующего за ним каскада. Выбор истокового, а не эмиттерного повторителя объясняется тем, что эмиттерный повторитель, особенно в сложных схемах, имеет склонность к самовозбуждению на ВЧ (как правило, расчётным путём это определить не удаётся).

Таким образом, для требуемого усилителя получаем четырёхкаскадную схему, содержащую входной истоковый повторитель на МДП-транзисторе КП313Б, два промежуточных каскада и один выходной на ИС К265УВ6.

рис1. Принципиальная схема выходного каскада на ИМС К265УВ6.



У ИС К295УВ6 ток покоя

=

то сопротивления нагрузки берем в указанных пределах

то

Уточненное значение:

Амплитудный коллекторный ток:

гармонический сигнал каскад конденсатор

Определить минимальное коллекторное напряжение:

Напряжение питания:

Полученное значение меньше тивого, то

Рассчитываем параметра транзистора КТ331Б

Гц

Ф

с

Ом

А

в

Ом



Сопротивление эквивалентного генератора:

Емкость нагрузки:

A

Достижимая площадь усиления:



Площадь больше требуемой, значит требования к частотным свойствам выполнены.

Входное сопротивление транзистора с учетом О.С

Сопротивление эмитерной О.С.

Относительное приращение коэффициентов передачи по току:

выбираем больше

Нестабильность усиления каскада:

Для расчета емкости коррекции оценим постоянные времени каскада:

Корректирующее звено:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Задаем для расчета переходных и блокировочных емкости:

Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах:

Рассчитываем для каждой из емкости постоянные времени:

Эквивалентное сопротивление для нижних частот:

Для входной разделительной ёмкости:



Для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитаем величины для каждого конденсатора:

Расчет промежуточного каскада II:

Нагрузка каскада

Амплитудный коллекторный ток:

Сопротивление эквивалентного генератора:

Емкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:



Входное сопротивление транзистора с учетом ОС:

Сопротивление эмитерной ОС:

Относительное приращение коэффициентов передачи по току:

выбираем больше

Нестабильность усиления каскада:

Для расчета емкости коррекции оценим постоянные времени каскада:

Корректирующее звено:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Задаем для расчета переходных и блокировочных емкости:

Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах:



Рассчитываем для каждой из емкости постоянные времени:

Эквивалентное сопротивление для нижних частот:

Для выходной разделительной ёмкости:

Для входной разделительной ёмкости:

Для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитаем величины для каждого конденсатора:

Расчет промежуточного каскада I:

Нагрузка каскада

Амплитудный коллекторный ток:

Сопротивление эквивалентного генератора:

Емкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:

Входное сопротивление транзистора с учетом ОС:

Сопротивление эмитерной ОС:

Относительное приращение коэффициентов передачи по току:

выбираем больше

Нестабильность усиления каскада:

Для расчета емкости коррекции оценим постоянные времени каскада:

Корректирующее звено:

Оптимальный коэффициент коррекции:



Корректирующая емкость:

Задаем для расчета переходных и блокировочных емкости:

Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах:

Рассчитываем для каждой из емкости постоянные времени:



Эквивалентное сопротивление для нижних частот:

Для выходной разделительной ёмкости:

Для входной разделительной ёмкости:

Для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитаем величины для каждого конденсатора:



Итак, наша функциональная схема:

Рисунок 3.1 - Функциональная схема

4. Выходной (четвертый) каскад Порядок расчета позаимствован из /1, с.30/

Рисунок 4.1 - Выходной каскад

4.1 Выбор транзистора

Согласование с внешней нагрузкой обеспечивается выбором , что дает значение сопротивления нагрузки транзистора:

. (4.1)

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока:

. (4.2)

Амплитуда постоянной составляющей коллекторного тока:

. (4.3)



Рассчитаем напряжение питания. Для этого примем:

I_K=0,1I_K=0,10,192=0,019А, (4.4)

U_ОСТ=12В=2В, (4.5)

U_Э=U_НС-U_БЭ=6.07-0.7=5.37В, (4.6)

Где U_ОСТ - остаточное напряжение на коллекторе;

U_Э - напряжение на эмиттере транзистора;

U_НС - постоянная составляющая напряжения на выходе ИС К265УВ7.

Теперь для напряжения питания можно записать:

E_K(I_K+I_K)R_K+U_ВЫХ+U_Э+U_ОСТ=(0,192+0,019)75+4,5+5,37+2=27,71В. (4.7)

Данное значение округлим до типового значения:

Е_К = 28 В (4.8)

Необходимое сопротивление постоянному току в эмиттере:

, (4.9)

а падение напряжения на всем транзисторе:

U_КЭ=E_K -U_Э -I_KR_K=28-5,37-0,19275=8,23 В (4.10)

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:



(4.11)

Где U_Кдоп - максимальное напряжение на коллекторе транзистора,

I_Кдоп - максимальный коллекторный ток транзистора,

P_Кдоп - максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

Для получения таких характеристик можно использовать транзистор типа КТ914А. Он имеет следующие характеристики:

Таблица 1.1 - Характеристики транзистора КТ914А

min=20	max=80	fт=300МГц	СЭ=280пФ	СК=12пФ
ОС=15пс	rК=10кОм	r=0.2	IКИ=0.2А	UКИ=28В
IК0=500мкА	UКmax=65В	IКmax=0,8А	PKmax=7Вт	=2

4.2 Параметры транзистора

Рассчитаем основные параметры транзистора в рабочей точке:

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)



(4.16)

(4.17)

Входное сопротивление транзистора с обратной связью:

. (4.18)

Сопротивление обратной связи:

. (4.19)

Площадь усиления каскада:

(4.20)

где R_г - выходное сопротивление микросхемы К265УВ7.

Рассчитаем нестабильность основных параметров транзистора:

(4.21)

(4.22)

(4.23)

(4.24)

(4.25)

4.3 Элементы коррекции

Постоянная времени каскада на верхних частотах:

(4.26)

Постоянная времени корректирующего звена:

(4.27)

Оптимальный коэффициент коррекции:

(4.28)

Корректирующая емкость:



(4.29)

4.4 Блокировочные и разделительные конденсаторы Расчетные формулы были позаимствованы из /4, с.14/

Постоянная времени каскада усилителя на низких частотах:

(4.30)

Пусть ₁=0.4, тогда постоянная времени и эквивалентное сопротивление для разделительного конденсатора оконечного каскада:

(4.31)

R_энр=R_нд+R_к=75+75=150 Ом; (4.32)

Разделительная емкость выходного каскада:

(4.33)

Постоянная времени и эквивалентное сопротивление блокировочного конденсатора:

_Э0=_1Рвых=0.40.036=0,015 с. (4.34)

(4.35)

Емкость блокировочного конденсатора:

(4.36)

4.5 АЧХ, частотные искажения Расчет ведется в соответствии с /1, с.35/

4.5.1 Нижние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

. (4.37)

Рисунок 4.2 - АЧХ нижних частот выходного каскада

Нормированный коэффициент передачи:



. (4.38)

Коэффициент частотных искажений:

(4.39)

4.5.2 Верхние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

, (4.40)

где

Рисунок 4.3 - АЧХ верхних частот выходного каскада

Нормированный коэффициент передачи:

. (4.41)

Коэффициент частотных искажений:

(4.42)

.5 Предвыходной (третий) каскад

5.1 ИС К256УВ7

Рисунок 5.1 - Промежуточный каскад

Таблица 5.1 - Номиналы элементов ИС К265УВ7

R1 = 10 кОм	R4 = 680 Ом	R7 = 590 Ом	C2 = 15 нФ
R2 = 1,2 кОм	R5 = 30 Ом	R8 = 520 Ом	C3 = 15 нФ
R3 = 510 Ом	R6 = 100 Ом	C1 = 15 нФ	C4 = 15 нФ

В соответствии с рекомендациями РТМ между выводами 11 и 13 ИС надо включить дополнительный резистор R_д=160Ом, уменьшающий эмиттерное сопротивление первого транзистора до величины:

. (5.1)

Рассчитаем коллекторные токи:

, (5.2)

где E_K=12.6В - напряжение питания ИС К265УВ7;

(5.3)

(5.4)

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

U_Э1=I_K1R_Э0=0.00454138=0.628 В; (5.5)

U_Э2=I_K2R₈=0.00459520=2.389 В; (5.6)

U_K2=E-R₇(I_K1+I_K2)=11.5-590(0.00454+0.00459)=6.076 В; (5.7)

U_K1= U_K2-I_K1R₄=6.076-0.00454680=2.989 В. (5.8)

Падения напряжения на транзисторах:

U_КЭ1=U_K1-U_Э1=2.989-0.628=2.361 В; (5.9)

U_КЭ2=U_K2-U_Э2=6.076-2.389=3.687 1В. (5.10)

5.2 Параметры транзисторов

В ИС К265УВ7 используются транзисторы КТ307Б, они имеют следующие параметры:

min=40	max=160	fт=250МГц	СЭ=4.5пФ	СК=4.7пФ
ОС=500пс	rК=300кОм	r=0	IКИ=0.005А	UКИ=2В
IК0=0.5мкА	UКmax=10В	IКmax=20мА	PKmax=15мВт	=1.5

Т.к. I_К1I_К2I_К, то пересчёт f_Т можно не проводить.

; (5.11)

; (5.12)

(5.13)

r_б'к=2r_K=600 кОм (5.14)

f_T=2f_Тспр=500 МГц (5.15)

(5.16)

; (5.17)

. (5.18)

Поскольку данная ИС не имеет вывода непосредственно с эмиттера первого транзистора, местную частотно-независимую обратную связь учтём пересчетом:

(5.19)

5.3 Основные показатели каскада

Входные сопротивления первого и второго транзисторов определяются из:

R_вх.т1=r_б'б+r^*_б'э=160+2739=2898 Ом (5.20)

R_вх.т2= r_б'б+r_б'э=160+444=603 Ом. (5.21)

Выходное сопротивление секции:

(5.22)

Коэффициент усиления при работе без дополнительной обратной связи:

(5.23)

Входное сопротивление секции:

. (5.24)

Постоянные времени каждого из транзисторов:

(5.25)

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

(5.26)

(5.27)

Эквивалентная постоянная времени секции и соответствующая ей граничная частота:

(5.28)

(5.29)

Площадь усиления:

П=Kf_В=18.742.1=556.8 МГц (5.30)

5.4 Блокировочные и разделительные конденсаторы

При расчете зададим и :

(5.31)

(5.32)

(5.33)

Эквивалентные сопротивление для первой блокировочной ёмкости в эмитере VT1:

(5.34)

Для второй блокировочной ёмкости которая устанавливается между выводами 11 и 12:

(5.35)

Первая блокировочная ёмкость стоящая в цепи эмиттера транзистора VT1:

(5.36)

Вторая блокировочная ёмкость:

(5.37)

5.5 АЧХ, частотные искажения

5.5.1 Нижние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

. (5.38)



Рисунок 5.2 - АЧХ нижних частот третьего каскада

Нормированный коэффициент передачи:

. (5.39)

Коэффициент частотных искажений:

(5.40)

5.5.2 Верхние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

, (5.43)



где

Рисунок 5.3 - АЧХ верхних частот третьего каскада

Нормированный коэффициент передачи:

. (5.41)

Коэффициент частотных искажений:

(5.42)

6. Второй каскад

6.1 Основные параметры каскада

Результаты расчета режима работы транзисторов совпадают с расчетами последующего (третьего, предвыходного) каскада за исключением некоторых параметров:

Постоянная времени первого транзистора равна:

(6.1)

; (6.2)

Сопротивление нагрузки второго транзистора:

(6.3)

(6.4)

Постоянная времени секции и граничная частота:

(6.5)

(6.6)

Площадь усиления:

П=Kf_В=13.127.9=368.4 МГц. (6.7)

6.2 Блокировочные и разделительные конденсаторы

Зададим и :

(6.8)

(6.9)

(6.10)

Эквивалентные сопротивление для НЧ:

Ом (6.11)

Эквивалентные сопротивление для первой блокировочной ёмкости в эмитере VT1:

(6.12)

Для второй блокировочной ёмкости которая устанавливается между выводами 11 и 12:

(6.13)

Значения емкостей:



(6.14)

(6.15)

(6.16)

6.3 АЧХ, частотные искажения

6.3.1 Нижние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

. (6.17)

Рисунок 6.2 - АЧХ нижних частот второго каскада

Нормированный коэффициент передачи:

. (6.18)

Коэффициент частотных искажений:

(6.19)

6.3.2 Верхние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

, (6.20)

где

Рисунок 6.3 - АЧХ верхних частот второго каскада



Нормированный коэффициент передачи:

. (6.21)

Коэффициент частотных искажений:

(6.22)

7. Входной каскад

Рис. 7.1 - Входной каскад (истоковый повторитель)

7.1 Основные параметры

Будем использовать транзистор КП202Д-1. Его справочные данные:

Iст = 1 мА,

Smin = 0.00065 A/B

Smax = 0.001 A/B

Средняя крутизна:

(7.1)

Коэффициент усиления:

(7.2)

Входное сопротивление истокового повторителя определяется шунтирующим резистором:

,



здесь использован источник напряжения от промежуточных каскадов.

7.2 Блокировочные и разделительные конденсаторы

Зададим и :

(7.3)

Эквивалентное выходное сопротивление:

(7.4)

Эквивалентное входное сопротивление:

(7.5)

Разделительная выходная ёмкость:

(7.6)

Разделительная входная ёмкость:

(7.7)

7.3 АЧХ, частотные искажения

Для истокового повторителя расчет будем проводить только для области нижних частот. В области верхних частот характеристику можно принять равной единице (нет искажений).

Амплитудно-частотная характеристика:

. (7.8)

Рисунок 7.2 - АЧХ нижних частот входного каскада

Нормированный коэффициент передачи:

. (7.9)

Коэффициент частотных искажений:

(7.10)

8. Усилитель в целом

8.1 АЧХ, частотные искажения

8.1.1 Нижние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

. (8.1)

Рисунок 8.1 - АЧХ нижних частот усилителя

Нормированный коэффициент передачи:

. (8.2)

Коэффициент частотных искажений:

(8.3)



8.1.2 Верхние частоты

Амплитудно-частотная характеристика:

, (8.4)

Рисунок 84.2 - АЧХ высоких частот усилителя

Нормированный коэффициент передачи:

. (8.5)

Коэффициент частотных искажений:

(8.6)



Список используемой литературы

В.В. Волошенко, А.Г. Григорьев, В.И. Юзов - "Аналоговые устройства: Программа курса, задания и методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта", г. Красноярск, КГТУ,1996г.

Юзов В.И. -"Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов). Методические указания по курсу 'Усилительные устройства'", г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. -"Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет каскадов и секций). Методические указания по курсу 'Усилительные устройства'", г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. -"Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет элементов коррекции и термостабилизации). Методические указания по курсу 'Усилительные устройства'", г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Юзов В.И. - Усилительные устройства", г. Красноярск, КПИ, 1982г.



Поз.	Наименование	Кол.	Примеч.
	Конденсаторы
С1	К-50-7-25В-1,5мкФ±10%	1
С2	К-50-7-25В-2,7мкФ±10%	1
С3,С6	К-50-7-25В-110мкФ±10%	2
С4,С7	К-50-7-25В-820мкФ±10%	2
С5	К-50-7-25В-510мкФ±10%	1
С8	К-50-7-40В-240мкФ±10%	1
С9	К-10-7-40В-510пФ±10%	1
С10	К-50-7-40В-4300мкФ±10%	1
	Микросхемы
DA1,DA2	К256УВ7	2
	Резисторы МЛТ-0,25
R1	200 кОм ± 10%	1
R2	13 кОм ± 10%	1
R3,R4	160 Ом ± 10%	2
R5	75 Ом ± 10%	1
R6	2,4 Ом ± 10%	1
R7	27 Ом ± 10%	1
	Транзисторы
VT1	КП202Д-1	1
VT2	КТ914А	1

Размещено на Allbest.ru

...