Схемотехника аналоговых и электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

каскад транзистор интегральный усилитель

Техническое задание

Анализ технического задания

Расчёт числа каскадов, выбор типов интегральных схем и транзисторов

Расчёт выходного каскада

Расчёт промежуточных каскадов на ИС К265УВ7

Расчёт входного каскада

Расчёт АЧХ усилителя

Оценка качества спроектированного устройства

Список литературы

Техническое задание

Вариант №71.

Рассчитать усилитель, удовлетворяющий следующим параметрам:

Таблица 1

ЭДС вх. сигнала Е, мВ	Нагрузка	Частотные искажения	Температура
	активная Rн, кОм	ёмкость Сн, пФ	н.ч. Мн, дБ	в.ч. Мв, дБ	миним. Тн, С	максим. Тв, С
8	0.075	--	1.0	2.8	-15	40

Таблица 2

Сопрот. источн. Rист, Ом	Граничные частоты	Входное сопротив. Rвх, кОм	Нелинейные искажения Кг, %	Амплитуда вых. сигнала Евых, В
	нижняя fн, Гц	верхняя fв, МГц
50	100	2,5	0,05	10	6

Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%. При проектировании усилителя желательно максимально использовать микросхемы широкого применения.

Анализ технического задания

Усилитель имеет невысокую верхнюю рабочую частоту, что не требует применения высокочастотных усилительных секций, и довольно низкую нижнюю рабочую частоту. При расчёте требуется согласовать выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки, подключаемой через коаксиальный кабель. Сопротивление нагрузки низкое, это значит, что выходной каскад придётся выполнить по схеме с общим эмиттером на мощном транзисторе, а предоконечный каскад - на интегральной микросхеме с малым выходным сопротивлением.

Для этого подойдёт микросхема К265УВ7. Так как требуется согласование входного сопротивления усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала, то в качестве входного каскада используется такой же каскад, как и промежуточный, с добавлением элемента согласования ( резистор, шунтирующий вход усилителя ).

Расчёт числа каскадов, выбор типов интегральных схем и транзисторов

Усилитель должен иметь следующий коэффициент усиления:

КЗ - коэффициент запаса усиления равный 1.5;

Число активных каскадов определяется по следующей формуле:

Где Кm - максимально возможное усиление одно- двухтранзисторных схем.

Округляя до целого значения, получаем N=3.

Коэффициент усиления каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:



Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

Нестабильность усиления:

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

Пусть

Найдём выигрыш площади усиления при простой параллельной коррекции по графику([1], рис.1, с.15):

По графику([1], рис.2, с.15) (1) находим К'=0.79.

Реальный выигрыш в площади усиления при использовании эмиттерной коррекции:

Верхняя граничная частота корректированного каскада:

а площадь усиления

В результате приходим к усилителю, построенному на каскаде с двумя каскадами на ИС К265УВ7 и выходным каскадом на транзисторе, включенным по схеме с ОЭ и связанным с предыдущим каскадом гальванической связью. Таким образом, функциональная схема усилителя будет иметь следующий вид:

Рис.1

Расчёт выходного каскада

Будем рассчитывать каскад по следующей схеме Рис.2.

Рис.2

Учитывая, что нагрузка соединяется с усилителем через коаксиальный кабель, нагрузка транзистора будет рассчитываться следующим образом:

Rк==RНД=75Ом, тогда сопротивление нагрузки RН=RНД/2=37.5Ом.

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока:

IK=

Амплитуда постоянной составляющей коллекторного тока:

IK=(1.52)IK=1.50.16=0.24А.

Рассчитаем напряжение питания. Для этого положим:

IK=0.1IK=0.10.24=0.024А - допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности характеристик.

UОСТ=12В=2В - остаточное напряжение на коллекторе.

UЭ=UНС-UБЭ=6.07-0.7=5.37В - напряжение на эмиттере транзистора, где UНС - постоянная составляющая напряжения на выходе ИС К265УВ7. Теперь для напряжения питания можно записать: EK(IK+IK)RK+UВЫХ+UЭ+UОСТ=(0.24+0.024)75+6+5.37+2=33.17В.Данное значение округлим до типового значения ЕК=36В.

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

UКЭ=EK -UЭ -IKRK=36-5.37-0.2475=12.63В.

Необходимое сопротивление постоянному току в эмиттере:

.

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

где UКдоп - максимальное напряжение на коллекторе транзистора,

IКдоп - максимальный коллекторный ток транзистора,

PКдоп - максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

Данным параметрам соответствует транзистор КТ914А. Он имеет следующие характеристики:



Таблица 3

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

Теперь рассчитаем основные параметры транзистора в рабочей точке:

Граничная частота транзистора: f `Т1.8fТ=540МГц;

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Сопротивление обратной связи:



Площадь усиления каскада:

rг - выходное сопротивление микросхемы К265УВ7.

Рассчитаем нестабильность основных параметров транзистора:

Рассчитаем элементы коррекции:

Постоянная времени каскада на верхних частотах:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Рассчитаем блокировочные и разделительные ёмкости:

Постоянная времени каскада усилителя на низких частотах:

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

Rэнр=Rнд+Rк=75+75=150Ом;

Разделительная емкость выходного каскада:



.

Постоянная времени блокировочного конденсатора:

Э0=1Рвых=0.40.0149=0.00599с.

Ёмкость блокировочного конденсатора:

Построим нагрузочные характеристики по переменному и постоянному току Рис.3:

R==RK+RЭ=75+22.38=97.38Ом;

U'K=IК=R~=0.2437.5=9В;

Uкэ=12.63В, Iк==0.24А.

Расчёт промежуточных каскадов на ИС К265УВ7

Принципиальная схема ИС К265УВ7 приведена на Рис.4.



Рис.4

Рассчитаем режимы работы транзисторов:

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

.

Рассчитаем коллекторные токи:



,

где EK=12.6В - напряжение питания ИС К265УВ7;

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

UЭ1=IK1RЭ0=0.00458138=0.63В;

UЭ2=IK2R8=0.00462510=2.36В;

UK2=E-R7(IK1+IK2)=11.5-590(0.00458+0.00462)=6.07В;

UK1= UK2-IK1R4=6.07-0.00458680=2.96В.

Падения напряжения на транзисторах:

UКЭ1=UK1-UЭ1=2.96-0.63=2.33В;

UКЭ2=UK2-UЭ2=6.07-2.36=3.71В.

Определим параметры транзисторов, используемых в ИС.

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

Таблица 4

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. IК1IК2IК, то пересчёт fТ можно не проводить.

;

;

;

rб'к=2rK=600 кОм; fT=2fТспр=500 МГц;

;

;

.

Cопротивление R5 увеличиваем на Rдоб =18 Ом.

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

Rвх.т1=rб'б+r*б'э=160+3997.5=4157.5Ом;

Rвх.т2= rб'б+rб'э=160+444=604Ом.

Сопротивление нагрузки второго транзистора:



где RВх.Тр - входное сопротивление оконечного каскада.

Выходное сопротивление секции:

.

Коэффициент усиления при работе без дополнительной обратной связи:

Постоянные времени для каждого транзистора в предоконечном каскаде:

;

где RГ - выходное сопротивление следующей секции, равное 16Ом;

Эквивалентная постоянная времени секции и соответствующая ей граничная частота:

Площадь усиления: П=KfВ=13.179.6=1041.8.5МГц.

Входное сопротивление секции:

.

Емкость разделительного конденсатора:

Конденсаторы рассчитываются по формуле .

Пусть Р=1 - весовой коэффициент для разделительных конденсаторов, э1=э2 - весовой коэффициент блокировочных конденсаторов, тогда для конденсаторов постоянная времени

С2=

Емкость блокировочных конденсаторов:

Э1=Э2=0.4Р1=0.421.210-3=8.4810-3с

Rэн.пр2=Rэн.вх2=16 Ом

С7 =;

С8 =CЭ2пр=CЭ2вх=530мкФ

Расчёт входного каскада

Результаты расчета режима работы транзисторов совпадают с расчетами на промежуточном каскаде за исключением некоторых параметров:

Постоянная времени первого транзистора равна:

;

Постоянная времени секции и граничная частота:

Площадь усиления: П=KfВ=13.175.1=983.8МГц.

Рассчитаем разделительные конденсаторы:

Конденсаторы рассчитываются по формуле .

Пусть Р=1 - весовой коэффициент для разделительных конденсаторов, э1=э2 - весовой коэффициент блокировочных конденсаторов, тогда для конденсаторов СР1 и СР2 (см. Рис.1, с. 5) постоянная времени

:

C1 =

Рассчитаем блокировочные конденсаторы:

Э1=Э2=0.4Р1=0.421.210-3=8.4810-3с

C5 =;

C6 =;

Расчёт АЧХ усилителя

Расчет АЧХ для нижних частот .

1Входного каскада:

ф1 =0.0212c; ф2 =0.00848c; ф3 =0.00848c;



Таблица 6

f, Гц	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Yн1(f)	0	0.177	0.498	0.697	0.806	0.867	0.904	0.928	0.944	0.955	0.963

Мн=1.03дБ

Рис.6

2. Промежуточного каскада:

ф1 =0.0212c; ф2 =0.00848c; ф3 =0.00848c;

Таблица 7

f, Гц	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Yн2(f)	0	0.177	0.498	0.697	0.806	0.867	0.904	0.928	0.944	0.955	0.963

Мн=1.03дБ



Рис.7

3.Выходного каскада:

ф1 =0.01499c; ф2 =0.00599c;

Таблица 8

f, Гц	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Yн3(f)	0	0.242	0.531	0.706	0.805	0.864	0.9	0.924	0.941	0.952	0.961

Мн=1.04



Рис.8

Рис.9

Расчет АЧХ для верхних частот.

1.Входного каскада:

Таблица 9

f, МГц	1	2.5	7	15	17	20	23	25	30	35
Y(f)	1	1	0.999	0.998	0.997	0.996	0.994	0.993	0.989	0.985

Мв=1

2. Промежуточного каскада:



Таблица 10

f, МГц	1	2,5	7	10	15	20	25	30	35	40
Y(f)	1	1	1	0.999	0.998	0.996	0.994	0.991	0.987	0.982

Мв=1

3.Выходного каскада:

Таблица 11

f, МГц	1	2.5	4	5	7	10	13	15	18	20
Y(f)	1	0.999	0.998	0.996	0.993	0.984	0.97	0.957	0.933	0.913

Мв=1

В результате машинного расчёта получили следующие значения линейных искажений на нижних и верхних частотах: MН=1.03 дБ, MВ=1 дБ. Эти значения удовлетворяют техническому заданию.

Оценка качества спроектированного устройства

Рассчитанный усилитель удовлетворяет исходным данным и имеет коэффициент частотных искажений в области верхних частот, немного меньше заданного в техническом задании и в области нижних частот - непревосходящий, также заданных искажений на нижних частотах.

Значение термонестабильности коэффициента усиления, в заданном диапазоне рабочих температур, находится в пределах нормы. Согласно требованию технического задания осуществлено согласование выходного сопротивления усилителя с активной нагрузкой RНД=75 Ом, подключаемой через коаксиальный кабель, а также входного сопротивления c внутренним сопротивлением источника сигнала, с помощью добавления элемента согласования - шунтирующего вход усилителя дополнительного сопротивления.



Список литературы

1. 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.

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

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

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

5. Юзов В.И. -“Усилительные устройства”. Учебное пособие, г. Красноярск, КПИ, 1982г.

Размещено на Allbest.ru

...