Расчет и проектирование широкополосного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет и проектирование широкополосного усилителя

Введение

транзистор каскад термостабилизация

Целью данной курсовой работы является проектирование широкополосного усилителя с заданными характеристиками (табл. 1).

Табл. 1

							Диапазон рабочих температур []	Полоса частот кГц
10В	0,01В	10кОм	300пФ	70кОм	3 дб	1,3 дб	-10 ч +40	3 ч 250

1. Расчет структурной схемы усилителя

1.1 Определение числа каскадов

где - коэффициент усиления усилителя,

- коэффициент усиления -го каскада, ,

- число каскадов усилителя.

С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определяется как:

где - э.д.с. источника сигнала()

- внутреннее сопротивление источника сигнала()

- входное сопротивление усилителя

Выберем число каскадов, полагая, что все каскады имеют одинаковый коэффициент усиления.

Усилитель содержит 4 каскада. Входным является эмиттерный повторитель с .

1.2 Распределение искажений по каскадам

При равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в [дБ]) на каждый из элементов определяется из соотношения:

где - коэффициент частотных искажений в области нижних частот.

- количество элементов вносящих искажения на НЧ().

На высоких частотах искажения в основном определяются выходным каскадом().

2. Расчет оконечного каскада

2.1 Выбор транзистора

Для выходного каскада усилителя транзистор выбираем исходя из следующих условий:

, где - граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ.

, где - предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер.

, где - предельно допустимый ток коллектора.

, .

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ3102А (см. приложение А):

, , .

Транзистор КТ3102А имеет равномерное распределение выходных характеристик при токах коллектора до 40мА

2.2 Расчет требуемого режима работы транзистора

Расчет режима работы транзистора проведем графически, пользуясь выходными (рис. 1) и входными характеристиками транзистора КТ3102А из справочника.



Рис. 1. Выходная характеристика транзистора

,

где - напряжение начального нелинейного участка выходной характеристики транзистора.

,

Нагрузочную прямую по переменному току зададим по двум точкам:

1) ,

2) ,

При этом нагрузочная прямая попадает на участок с равномерным распределением выходных характеристик.

Найдем точки пересечения с осями координат (, ) и найдем (сопротивление по переменному току). Найдем .

(расчет приведен ниже)

Зная , и можно найти .

Нагрузочная прямая по постоянному току проходит через рабочую точку и пересекает ось дальше чем нагрузочная прямая по переменному току в точке . Выберем напряжение питания из стандартного ряда . Проведем нагрузочную прямую по постоянному току. Найдем точку пересечения с осью : . Отсюда находим .

Зная и можно найти :

(ближайший номинал 75 Ом)



Рис. 2. Схема выходного каскада

Рис. 3. Входная характеристика транзистора

, , .

По входной характеристике транзистора (рис. 3) определим:

, ,

- амплитуда переменного напряжения, подаваемого на базу транзистора.

.

Найдем входное сопротивление транзистора:

Найдем коэффициент усиления по напряжению до введения обратной связи:

Для того чтобы уменьшить коэффициент нелинейных искажений и увеличить входное сопротивление введем отрицательную ОС по току:

Зададим коэффициент усиления .

Тогда . ()

, отсюда

.

Найдем входное сопротивление после введения ОС:

Найдем входное сопротивление каскада:

(см. п. 3.4.)

2.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора

Определим параметры элементов на основе справочных данных по следующим формулам:

Где - постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте ().

- емкость коллекторного перехода. ().

при



,

где - входная проводимость.

.

2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Рис. 1. Схема выходного каскада

В выходном каскаде применим схему эмиттерной стабилизации. (рис. 1).

Определим потенциал в точке :

,

где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, .

Зададим ток делителя, образованного резисторами и :

где - ток базы в рабочей точке. ()

Определим номиналы резисторов:

(ближайший номинал 3 кОм)

(ближайший номинал 20 кОм)

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур:



Общий уход коллекторного тока с учетом действия схемы термостабилизации не превышает допустимого.

2.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области верхних частот

Оценим требуемое значение постоянной времени каскада в области высоких частот:

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени в области высоких частот:

ожидаемые искажения в области высоких частот не превосходят заданных.

2.6 Оценка нелинейных искажений

Для оценки нелинейных искажений найдем коэффициент гармоник методом «5 ординат» по входной и выходной характеристике транзистора КТ3102А. (см. п. 3.2):

Где , , , - гармонические составляющие тока коллектора.

Найдем коэффициент гармоник до введения ОС:

%

После введения ОС по току:

Где - коэффициент передачи обратной связи,

- коэффициент усиления усилителя без ОС.

Найдем коэффициент гармоник усилителя с ОС:

%

Оценим нелинейные искажения при увеличении тока покоя коллектора на 6мА, из-за дестабилизирующих факторов:

Где , , , - гармонические составляющие тока коллектора.

Найдем коэффициент гармоник до введения ОС:

%

После введения ОС по току:

Где - коэффициент передачи обратной связи,

- коэффициент усиления усилителя без ОС.



Найдем коэффициент гармоник усилителя с ОС:

%

При увеличении тока покоя коллектора, из-за дестабилизирующих факторов, увеличивается амплитуда второй гармоники, и коэффициент гармоник увеличивается.

3. Расчет предварительных каскадов

3.1 Расчет предоконечного каскада

Расчет входного сопротивления и коэффициента усиления.

Для расчета усилителя, при подаче на вход небольших сигналов, можно воспользоваться его эквивалентной схемой.

Рис. 1. Схема предоконечного каскада

Рис. 2. Эквивалентная схема усилителя

Для предоконечного каскада выбираем транзистор КТ315А. (см приложение Б)

Отсюда найдем =1900 Ом

, , сопротивление генератора не учитываем, т.к. к входу каскада подключен другой каскад.

Выберем рекомендованную рабочую точку для транзистора КТ315А:

- уравнение нагрузочной прямой по постоянному току.

Выберем напряжение питания такое же, как и у выходного каскада .

Тогда

, отсюда

(ближайший номинал 3,9 кОм)

, расчет приведен ниже.

Расчет цепей питания и термостабилизации

В предоконечном каскаде применим схему эмиттерной стабилизации. (рис. 1).

Определим потенциал в точке :

,

где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, .

Зададим ток делителя, образованного резисторами и :

где - ток базы в рабочей точке. ()

Определим номиналы резисторов:

(ближайший номинал 110 кОм)

(ближайший номинал 330кОм)

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур:



Общий уход коллекторного тока с учетом действия схемы термостабилизации не превышает допустимого.

3.2 Расчет второго каскада.

Расчет входного сопротивления и коэффициента усиления

Для расчета усилителя, при подаче на вход небольших сигналов, можно воспользоваться его эквивалентной схемой.



Рис. 1. Схема второго каскада

Рис. 2. Эквивалентная схема усилителя

Для второго каскада выбираем транзистор КТ315А. (см приложение Б)

Отсюда найдем

=1900 Ом

, , сопротивление генератора не учитываем, т.к. ко входу каскада подключен предварительный каскад.

Выберем рекомендованную рабочую точку для транзистора КТ315А:

- уравнение нагрузочной прямой по постоянному току.

Выберем напряжение питания такое же, как и у выходного каскада .

Тогда

, отсюда

, расчет приведен ниже.

Расчет цепей питания и термостабилизации.

Во втором каскаде применим схему эмиттерной стабилизации. (рис. 1).

Определим потенциал в точке :

,

где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, .

Зададим ток делителя, образованного резисторами и :

где - ток базы в рабочей точке. ()

Определим номиналы резисторов:

(ближайший номинал 110 кОм)

(ближайший номинал 330 кОм)

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур:



Общий уход коллекторного тока с учетом действия схемы термостабилизации не превышает допустимого.

3.3 Расчет входного каскада

Расчет входного сопротивления и коэффициента усиления

Для обеспечения большого входного сопротивления усилителя в качестве входного каскада выберем эмиттерный повторитель.

Для расчета усилителя, при подаче на вход небольших сигналов, можно воспользоваться его эквивалентной схемой.



Рис. 1. Схема входного каскада (эмиттерный повторитель)

Рис. 2. Эквивалентная схема эмиттерного повторителя

Для входного каскада выбираем транзистор КТ315А.

Отсюда найдем =1900 Ом



Смещение во входную цепь транзистора подается с помощью схемы «фиксация тока базы».

(ближайший номинал 620 кОм)



Расчет цепей питания и термостабилизации

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур:



Общий уход коллекторного тока с учетом действия схемы термостабилизации не превышает допустимого.

4. Расчет усилителя в области нижних частот

(см. п. 2.2.)

Из этого условия выберем номиналы разделительных конденсаторов:

1. для выходного каскада:

2. для предоконечного каскада:

3. для второго каскада:

4. для входного каскада:

Для удобства построения схемы все разделительные конденсаторы возьмем одинаковой емкости 20 нФ. При этом частотные искажения не превысят заданных.

Для расчета блокирующих конденсаторов в цепях эмиттера транзисторов воспользуемся упрощенной формулой:

1. для выходного каскада:

(ближайший номинал 100 мкФ)

2. для предоконечного каскада:

(ближайший номинал 2,2 мкФ)

3. для второго каскада:

(ближайший номинал 2,2 мкФ).

5. Некоторые общие вопросы проектирования

5.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы

Для усилителя выбираем резисторы типа МЛТ с мощностью рассеяния 0,125Вт, за исключением резистора R15 в цепи коллектора выходного каскада, его мощность рассеяния составляет 0,25Вт. Номиналы резисторов выбираются из стандартных рядов. Ряд сопротивлений указать.

Выбор транзисторов обоснован в п. 3.1.

Конденсаторы C1, C2, C3, C5, C7 - типа КЛС с рабочим напряжением 35В.

Конденсаторы C4, C6, C8 - типа К50-6 с рабочим напряжением 6,3В.

Рабочее напряжение конденсаторов К50-6 выбираем 6,3В т.к. амплитуда переменного напряжения на нем не превышает 4-5В.

Заключение

Выполнив данную курсовую работу я спроектировал усилитель полностью удовлетворяющий заданным в техническом задании характеристикам.

Список используемых источников

1. Цыкин Г.С. «Усилительные устройства», М., «Связь», 1971 г.

2. Мамонкин И.Г. «Импульсные усилители», М., «Связь».

3. Варшавер В.А. «Расчет и проектирование импульсных усилителей», М., «Высшая школа», 1975 г.

4. Мамаев Е.И. «Основы радиоэлектроники», М., 1989 г.

5. Методичка по курсовой работе.

6. Методичка по лабораторным работам.

7. Лекции по курсу «СхАЭУ».

Размещено на Allbest.ru

...