Проектирование широкополосного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Сибирский федеральный университет"

Институт Инженерной Физики и Радиоэлектроники

Курсовой проект

Проектирование широкополосного усилителя

Преподаватель А.Г. Григорьев

Студент А.А. Готовко

Красноярск 2016

Содержание

• 1. Техническое задание
• 2. Анализ технического задания
• 3. Расчет числа каскадов (усилительных секций), выбор типов ИС и транзисторов
• 4. Расчет выходного каскада
• 5. Расчет промежуточного каскада, выполненного на ИС К 265УВ 6
• 6. Расчет входного каскада, выполненного на ИС К 265УВ 6
• 7. Расчет и построение амплитудно-частотных характеристик
• Список используемой литературы

1. Техническое задание

Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала: E = 4 мВ

Активное сопротивление нагрузки: R_НД = 100 кОм

Емкостное сопротивление нагрузки: С_НД = 20 пФ

Частотные искажения (НЧ): M_Н = 1,8 дБ

Частотные искажения (ВЧ): М_В=1,5 дБ

Минимальная рабочая температура: T_Н = 0 С

Максимальная рабочая температура: Т_В = 50 С

Внутреннее сопротивление источника: R_ИСТ = 300 Ом

Нижняя граничная частота: f_Н = 250 Гц.

Верхняя граничная частота: f_В = 8 МГц.

Нелинейные искажения: K_Г = 4%

Амплитуда выходного сигнала: U_ВЫХ=3.5 В

Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.

Т.к. R_ВХ не задано, то берем его в пределах от 500 до 2000 Ом

Входное сопротивление: R_ВХ = 1500 Ом [1]

2. Анализ технического задания

усилитель частота микросхема транзистор

Рассчитываемый усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций типа общий эмиттер-общая база с использованием коррекции эмиттерной противосвязью, которая дополнительно стабилизирует коэффициент усиления каскада.

Так как сопротивление нагрузки велико, выходной каскад следует выполнить по схеме ОЭ - ОБ на маломощном транзисторе, все каскады выполняются на интегральной микросхеме К 265УВ 6.

3. Расчет числа каскадов (усилительных секций), выбор типов ИС и транзисторов

Определяем расчетный коэффициент усиления:

K_З = 1.5 - коэффициент запаса усиления;

Определим требуемое число активных каскадов при максимальном коэффициенте усиления:

K_М = 40 -максимально возможное усиление двухтранзисторных ИС

Положим число активных каскадов N=3.

Коэффициент усиления каждого каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:



Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

Нестабильность усиления в каждом каскаде:

Определим глубину обратной связи:

Проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией: K' = 0.59

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах: '_K = 2.35

Исходя из этого выбираем коэффициент

.

Окончательный выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

Необходимая верхняя граничная частота корректированного каскада:

Необходимая площадь усиления каждого каскада:

Такая площадь усиления может быть обеспечена усилительной секцией ОЭ - ОБ с применением коррекции эмиттерной противосвязью. В качестве усилительного элемента целесообразно использовать ИС К 265УВ 6.

Учитывая малость выходного напряжения при высокоомной нагрузке, на тот же тип интегральной схемы ориентируемся и в выходном каскаде.

4. Расчет выходного каскада

Согласование с внешней нагрузкой обеспечивается выбором коллекторного сопротивления:

Емкость монтажа:

Постоянная составляющая коллекторного тока:

Найдем коллекторное сопротивление:



Т.к. , то сопротивление нагрузки выбирается в указанных пределах.

Выберем коллекторное сопротивление: .

Это сопротивление получилось больше типового, поэтому к 10 выводу схемы необходимо вставить добавочное сопротивление R_КДОБ = 630 Ом.

Уточним сопротивление эквивалентного генератора:

Определим величину коллекторного тока:

Определим напряжение питания. Для этого положим:

I_K = 0.1I_K = 0,44 мА;

- допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности характеристик.

U_ОСТ = 2 В - остаточное напряжение на коллекторе.

U_Э = -0,6 В -напряжение смещения на эмиттере транзистора.

Микросхема работает в типовом режиме.

Определим минимально допустимое напряжение питания:



Полученное значение округляем до большего типового значения E_K = 12 В.

Определим сопротивление базового делителя:

R₁ = 3000 Ом

R₃ = 6200 Ом

Суммарное сопротивление в эмиттере:

R₂ = 620 Ом

R₄ = 100 Ом

R₅ = 84 Ом

Напряжение смещения:

Напряжение на базе:

Необходимое смещение на базе транзистора [2]:

Найдем коллекторные токи транзисторов:

_min = 20

_max = 80

Найдем напряжение коллектор - эмиттер транзисторов:

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:



где U_Кдоп -максимальное напряжение на коллекторе транзистора

I_Кдоп -максимальный коллекторный ток транзистора

P_Кдоп -максимальная допустимая рассеиваемая мощность.

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям - КТ 331Б [3].

Справочные данные транзистора КТ 331Б.

min = 40	СЭ = 12 пФ	rК = 300 кОм	IKmax = 20 мA
max = 120	СК = 5 пФ	r = 0	Pкmax = 15 мВт
fT = 250 МГц	IК 0 = 0,2 мкА	IКИ = 3 мА	= 1,5
ОС = 120 пс	UKmax = 15 В	UКИ = 5 В	Псогл=120

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

Параметры элементов схемы замещения транзистора:



Верхняя граничная частота транзистора:

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:



Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Сопротивление шунта [2]:

R_Ш¦R?.

R? = R₄+R₅ = 100+84 = 184 Ом

Рассчитаем сопротивление эквивалентного генератора:

Для этого примем сопротивление коллектора соответствующее типовому значению для нашей микросхемы:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:



Для выходного каскада достижимая площадь усиления оценивается по формуле:

Поскольку достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены [1].

Расчет нестабильности режима.

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Оценим нестабильность усиления каскада:

Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33%

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Коэффициент коррекции:

при ранее выбранной величине

Корректирующая емкость:



Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом [1]:

- для входной разделительной

- для блокировочной

- для выходной разделительной

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной емкости:

для входной разделительной емкости:

Разделительная емкость каскада:

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:



5. Расчет промежуточного каскада, выполненного на ИС К 265УВ 6

R1 = 6200 Ом R4 = 100 Ом R7 = 200 Ом R_K = 1300 Ом

R2 = 620 Ом R5 = 84 Ом R8 = 100 Ом R_K1 = 670 Ом

R3 = 3000 Ом R6 = 470 Ом R_{Э 0} = 804 Ом

Рассчитаем сопротивление генератора промежуточного каскада:



Заметим, что оно совпадает с сопротивлением генератора выходного каскада.

Рассчитаем сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления выходного каскада:

Требуемое входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:



Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:

Оценим нестабильность усиления каскада:

Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33% [1,2]

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:



Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

Постоянные времени каждой из емкостей:

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для входной разделительной емкости:

для блокировочной емкости:

Разделительная емкость каскада:



Емкость блокировочного конденсатора промежуточного каскада:

6. Расчет входного каскада, выполненного на ИС К 265УВ 6

Входной каскад выполняем на точно такой же микросхеме, как выходной и промежуточный каскады (К 256УВ 6). Схема электрическая принципиальная промежуточного каскада такая же, как у промежуточного, только в расчетах учитывается сопротивление источника сигнала.

Рассчитаем сопротивление генератора входного каскада:

Рассчитаем сопротивление нагрузки входного каскада:



Требуемое входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:

Оценим нестабильность усиления каскада:



Полученное значение нестабильности коэффициента усиления каскада удовлетворяет заданному условию K_i< 3.33%

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов [1,4]:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

Постоянные времени каждой из емкостей:



Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для входной разделительной емкости:

для блокировочной емкости:

Разделительная емкость каскада:

Емкость блокировочного конденсатора промежуточного каскада:

7. Расчет и построение амплитудно-частотных характеристик

Область низких частот: f = 0 ч 700 Гц.

Для входного каскада:

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для входного каскада:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для входного каскада:



Для промежуточного каскада:

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для промежуточного каскада:



Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для промежуточного каскада:

Для выходного каскада:

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для выходного каскада:



Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада:

Общая амплитудно-частотная характеристика усилителя на нижних частотах:

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

Область верхних частот: f = 10⁵ ч 10⁸ Гц.

Для входного каскада:

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для входного каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для входного каскада:

Для промежуточного каскада:

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:

Для выходного каскада:



Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для выходного каскада:

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для промежуточного каскада:

Общая амплитудно-частотная характеристика усилителя на верхних частотах:

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте:

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте [1]:



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

Размещено на Allbest.ru

...