Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации

Расчет оконечного каскада широкополосного усилителя

Контрольная работа по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Выполнил: студентка гр. З-19

О. Тургаева

Проверил: Л.И. Шарыгина

2012

Оглавление

каскад транзистор частота конденсатор

Техническое задание

1. Введение

2. Схема оконечного каскада

2.1 Расчет оконечного каскада

2.2 Расчет эквивалентных параметров транзистора оконечного каскада

3. Расчет цепи обратной связи оконечного каскада

4. Коэффициент гармоник

5. Расчет температурного ухода коллекторного тока оконечного каскада

6. Расчет цепей питания и термостабилизации оконечного каскада

7. Распределение искажений нижних частот. Расчет емкостей конденсаторов оконечного каскада

8. Переходная характеристика

Список использованных источников

Техническое задание

Рассчитать оконечный каскадширокополосного усилителя по данным приведенным в таблице 1.1.

Таблица 1.1

№ вар.	Ампли-туда выходн. напряж. Uвых, В	Нагрузка	Полоса частот	Кн/K0= Кв/K0 дБ	Сопр. источ. Ri, Ом	Нелин. искаж. %	Температура среды
		Rн, Ом	Сн, пФ	fн, Гц	Fв, МГц				, оС	, оС
3	5	100	30	100	25	-2,5	100	5	+10	+40

2 Привести пример двух схем усилителей на двух-трех транзисторах каждая с различными видами обратной связи.

а) Покажите цепи обратной связи.

б) Для каждой цепи обратной связи опишите ее тип (местная или общая, по току или по напряжению, последовательная или параллельная, положительная или отрицательная).

в) Для каждой общей обратной связи запишите как часть ; рассчитайте коэффициент обратной связи и ее глубину.

1. Введение

Широкополосные усилители нашли широкое применение. Особенно широко они применяются в радиотехнических устройства, в системах автоматики, в приборах экспериментальной физики, в измерительных приборах.

В зависимости от задач на широкополосные усилители накладываются различные требования, которым они должны отвечать. Поэтому усилители могут различаться между собой как по элементной базе, особенностям схемы, так и по конструкции. Однако существует общая методика, которой следует придерживаться при проектировании усилителей.

Задачей представленного проекта является отыскание наиболее простого и надежного решения.

Для широкополосного усилителя применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту. Такие транзисторы называются высокочастотными.

Итогом контрольной работы стали параметры и характеристики готового оконечного каскада широкополосного усилителя.

2. Схема оконечного каскада

Рисунок 2.1 Схема оконечного каскада

- разделительные конденсаторы;

- сопротивление нагрузки транзистора;

- делитель в цепи базы транзистора, обеспечивающий положение рабочей точки;

- сопротивление и емкость нагрузки;

- сопротивление для обеспечения эмиттерной термостабилизации;

- сопротивление обратной связи;

- емкость, обеспечивающая исключение влияния на переменном токе.

2.1 Расчет оконечного каскада

Важное значение для оконечного каскада имеет тип выбранного транзистора. Граничная частота транзистора оконечного каскада должна быть в 10 раз больше верхней частоты усилителя:

Выбираем сопротивление в цепи коллектора, равноесопротивлению нагрузки:

Ближайшее стандартное сопротивление 100 Ом.

Амплитуда переменной составляющей выходного (коллекторного) тока определяется заданным выходным напряжением:

Ток покоя (коллекторный ток в рабочей точке при отсутствии сигнала) с 10% запасом на нестабильность:

Для обеспечения заданного выходного напряжения транзистор должен обладать, по крайней мере, двойным запасом тока:



Определяем напряжение в рабочей точке:

где - напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке;

- амплитуда выходного напряжения;

- напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора;

Рассчитываем требуемый источник питания:

где падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера.

Для каскада используем источник питания из рекомендованного ряда на20В.

Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе:

При выборе транзистора учитываем следующие обстоятельства:

- транзистор должен обеспечивать необходимый импульс тока ;

- граничная частота транзистора должна быть ;

- напряжение питание не должно превышать напряжение база - коллектор транзистора ;

- постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе не должна превышать предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.

По значениям найденным в (2.1.1), (2.1.5), (2.1.7), (2.1.8), выбираем транзистор:КТ610А.

Справочные данные на транзистор приведены из справочника «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. - М.: «Радио и связь» 1981. - 656 с., ил.;

Справочник В.М. Петухов «Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги» Т. 4 - М.:КУбК-а, 1997. - 544с.: ил.

Параметры транзистора:

Наимено-вание	Обозначение	При значении	Значения
	Емкость коллекторного перехода		2ч4,1 пФ
	Емкость эмиттерного перехода		21 пФ
	Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ		50ч300
	Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ		1000 МГц
	Постоянная времени цепи обратной связи на ВЧ		21ч55пс
	Постоянный ток коллектора		300 мА
	Температура перехода		150°С
	Постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Т=-45ч+50 °С Т=+85 °С	1,5 Вт 1 Вт
	Постоянное напряжение коллектор - база		26 В
	Постоянное напряжение коллектор - эмиттер		26 В
	Температура окружающей среды		25оС
	Обратный ток коллектор-эмиттер		0,5 мА 1,5 мА

Определяем коэффициент усиления каскада графически и аналитически. Определяем параметры транзистора, для этого воспользуемся статическими характеристиками из справочника:

Статическийрежимустанавливается соответствующим выбором сопротивлений R₁, R₂, R_к, R_э. Этому режиму соответствует начальное положение рабочей точки на нагрузочной прямой, построенной на семействе статических выходных характеристик транзистора.

Перед построением нагрузочной прямой необходимо определить рабочую область статических характеристик. Она ограничивается предельными значениями напряжения и тока коллектора (U_кmax и I_кmax) и наибольшей мощностью, рассеиваемой коллектором P_кmaxпри наибольшей температуре. Нагрузочная прямая строится согласно уравнению нагрузочной прямой:

Первую точку получаем приI_к >0 (транзистор закрыт) и в этом случае U_кэ=Е_к.

При малом сопротивлении транзистора (транзистор открыт) U_кэ>0ток в цепи максимален и равен I_к =E_к /(R_к+R_э).

Следовательно, для построения этой характеристики перерисуем из справочника выходную статическую характеристику для выбранного транзистора. Для построения нагрузочной прямой достаточно определить две точки:

1) на горизонтальной оси: ;

2) на вертикальной оси: ,

где ,

выбрав из рекомендованного ряда .

Через эти точки проводим выходную динамическую характеристику по постоянному току (см. рисунок 2.1.1).

Рассмотрим нагрузочную прямую или выходную динамическую характеристику по переменному току, уравнением которой является:

где

При подаче на вход усиливаемого сигнала, имеем:

Из выражения (2.1.11) видно, что нагрузочная прямая по переменному току проходит также через рабочую точку и пересекается в ней с нагрузочной прямой по постоянному току, поэтому эту точку используют для построения нагрузочной прямой по переменному току.

Нагрузочную прямую по переменному току можно построить по двум точкам пересечения с горизонтальной и вертикальной осями (см. рисунок 2.1.1).

В этом случае из уравнения (2.1.11) получим:

1) на горизонтальной оси:

2) на вертикальной оси:



Рисунок 2.1.1 Статические характеристики транзистора КТ 610А

Таким образом, координатами рабочей точки являются значения:

Соответствующий рабочей точке ток базы .

Для по выходной статической характеристике найдем:

По входной статической характеристике определим для:

2.2 Расчет эквивалентных параметров транзистора оконечного каскада

По справочным данным на транзистор определим параметры элементов упрощенной физической Т-образной эквивалентной схемы БТ, которая показана на рисунке 2.2.1.



Рисунок 2.2.1 Эквивалентная схема транзистора

Параметры элементов определяются на основе статических характеристик:

Статический коэффициент передачи тока базы:

Входное сопротивление:

Тогда крутизна коллекторного тока:

Коэффициент усиления:

Коэффициент передачи входной цепи на средних частотах:

где - сопротивление источника сигнала.

Сквозной коэффициент усиления каскада:

Определяем искажения входной и выходной цепей на верхних частотах (в области малых времен). Предварительно определив высокочастотные параметры транзистора:

где (- постоянная времени цепи обратной связи, - емкость перехода база-коллектор), и должны быть измерены при одном и том же напряжении на переходе база-коллектор. При расчете постоянных времени верхних частот исоответствуют значениям, определенным в рабочей точке.

где , - справочные значения.

Определим постоянные времени входной и выходной цепей:

В качестве берется постоянная времени входной или выходной цепи:

- для выходной цепи:

- для входной цепи:

где,.

Определим фактическое значение :

Найдем искажения входной и выходной цепей на верхних частотах. Для этого поочередно подставим в (5.15) найденные значения постоянных времени входной и выходной цепей:

Искажения, создаваемые совместно входной и выходной цепями, вычисляются перемножением относительных коэффициентов передачи:

Рассчитанное значение постоянной времени не удовлетворяет условию:

В данном случае уменьшение путем снижения нежелательно, так как уменьшение сопротивление в цепи коллектора приводит увеличению тока через транзистор.Однако, имея запас по коэффициенту усиления можно уменьшить с помощью введения отрицательной обратной связи (далее ООС), полагая, что уменьшится в глубину обратной связи раз.

3. Расчет цепи обратной связи оконечного каскада

Так как искажения на верхних частотах больше заданного, вводим обратную связь. Пусть глубина обратной связи будет, тогда:

Ближайшее стандартное сопротивление .

Крутизна усиления транзистора с учетом ООС:

Подставим вместо в выражения (2.2.4), (2.2.7), (2.2.11), произведем перерасчет параметров.

Найдем коэффициент усиления с учетом ООС:

Определим постоянные времени транзистора, входной и выходной цепей с учетом ООС:

- для выходной цепи:

- для входной цепи:

Найдем искажения входной и выходной цепей, а также общие искажения на верхних частотах с учетом ООС:

Таким образом, с введением ООС уменьшились искажения сигнала.

Выполняется условие:

4. Коэффициент гармоник

По сквозной динамической характеристике каскада, которая представляет зависимость выходного тока от ЭДС источника сигнала оценивают нелинейные искажения. Нелинейные искажения вызываются тем, что при полном использовании транзистора по току и напряжению он работает на нелинейных участках входной и выходной характеристик.

На рисунке 4.1 входные характеристики транзистора КТ610А и выходные характеристики с нанесенной на них нагрузочной прямой для переменного тока. По точкам пересечения 1-10 устанавливается зависимость входного тока от выходного . По динамической входной характеристике, зная , находят входное напряжение . Величину ЭДС генератора с внутренним сопротивлением , который обеспечивает на входе напряжение , находят из уравнения (4.1):

Таблица 4.1

К построению сквозной характеристики



Рисунок 4.1 К построению сквозной характеристики

Рисунок 4.2 Сквозная динамическая характеристика

Определим нелинейные искажения графически методом пяти ординат, для чего две крайние точки сквозной динамической характеристики, соответствующие минимальному и максимальному значениям выходного тока спроецируем на горизонтальную ось (рисунок 4.2). Разделив этот отрезок на четыре равные части, находимт токи . Найденная величина тока является уточненным значением тока покоя каскада:

Имеем следующие значения выходного тока в пяти точках:

Постоянную составляющую (среднее значение за период сигнала) выходного тока и амплитудные значения его первой, второй, третей и четвертой гармоник находят по формулам:

Подставив значения в формулы (4.2)-(4.6) найдем:

Проверку правильности вычислений можно произвести из выражения (4.7):

Найдем коэффициент гармогик каскада по выражению:

Коэффициент гармоник каскада, охваченного обратной связью равен:

5. Расчет температурного ухода коллекторного тока оконечного каскада

Вычисление температуры перехода осуществляется по выражению:

где - тепловое сопротивление переход-среда;

- температура среды.

Тепловое сопротивление переход-среда определяется по выражению:

где - максимальная температура перехода (справочное);

- максимально допустимая температура окружающей среды (справочное);

- постоянная рассеиваемая мощность коллектора (справочное).

По выражению (5.1) вычислим температуруперехода:

Полный тепловой уход коллекторного тока описывается суммой:

где - уход тока основных носителей;

- уход тока неосновных носителей.

где - приращение напряжения ;

- крутизна усиления транзистора с учетом ООС.

где

Вычислим уход тока основных носителей по выражению (5.4):

Уход тока неосновных носителей вычисляется выражению:

где - обратный ток коллектора, то есть ток через обратно смещенный переход коллектор-база,

- коэффициент передачи тока базы при включении с общим эмиттером, .

Для расчетов в качестве коэффициента передачи базового тока берут паспортное значение статического коэффициента передачи тока базы и пересчитывают его значение к температуре перехода. При уменьшении температуры коэффициент передачи базового тока уменьшается на 0,3% на один градус, при увеличении - увеличивается на 0,5% на градус.

где рассчитанное в п. 2.2.1.

Изменение тока неосновных носителей определяется изменением тока через обратно смещенный переход, который можно определить по (5.8) зная два справочных значения - при температуре 25С и при температуре 85С (символ * сопровождает справочные данные):

Решив систему уравнений (5.8) вычислим две неизвестные величины - ток через обратно смещенный переход и ток утечки:

Далее вычислим:

По (5.6) вычислим уход неосновных носителей тока :

По (5.3) определим полный тепловой уход коллекторного тока:

6. Расчет цепей питания и термостабилизации оконечного каскада

Так как тепловой уход коллекторного тока достаточно большой, соизмерим током коллектора в рабочей точке, применим более стабильную схему термостабилизации. Схема эмиттерной термостабилизации. Принцип действия эмиттерной стабилизации состоит в следующем. Допустим, за счет повышения температуры в схеме возрастают токи и . При этом растет падение напряжения на , что уменьшает напряжение смещения. Снижение напряжения смещения, в свою очередь, ведет к уменьшению токов и . Чтобы исключить обратную связь по переменной составляющей, необходимо зашунтировать большой емкостью . Проведем расчет этой схемы.

Зададимся током делителя:

Определим номиналы резисторов :

По шкале номинальных значений сопротивления резисторов подберем значения для сопротивлений с допуском 5%

Определим сопротивление :

Рассчитаем коэффициенты термостабилизации для выбранной схемы:

где проводимость в выбранной рабочей точке:

Выберем значение r =(0,5…1,5)=1 Ом,

- активное сопротивление эмиттера:

диффузионная емкость эмиттера:

Вычислим стабилизированный уход тока основных и неосновных носителей, а также полный стабилизированный уход тока коллектора:

7. Распределение искажений нижних частот. Расчет емкостей конденсаторов оконечного каскада

Нижняя граничная частота усилителя определяется влиянием разделительных и блокировочных емкостей.

Частотные искажения в области НЧ распределим равномерно между,, :

Требуемое значение постоянной времени для разделительных и блокировочных цепей усилителя определяется из следующих соотношений:

где - доля частотных искажений в области НЧ, распределенных на разделительные и блокировочные цепи в безразмерных единицах.

Номинал разделительных емкостей можно определить из соотношения:

где - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от разделительного конденсатора (обычно это каскада либо (для ОЭ));

- эквивалентное сопротивление, стоящее справа от разделительного конденсатора (обычно это каскада либо ).

Подставив найденные значения в (7.3) получаем:

Номинал блокировочной емкости в цепи эмиттера определяется как:

При наличии в рассчитываемых каскадах ООС следует в выражении (7.4) подставлять значения и c учетом влияния на них данной ООС.

По шкале номинальных значений конденсаторов подберем значения для конденсаторов с допуском 5%

8. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики ОК

Используя программу MathCAD 15 построим АЧХ и ФЧХ оконечного каскада усилителя по следующим формулам:

где - относительный коэффициент передачи цепей вносящих искажения на верхних частотах,

- относительный коэффициент передачи цепей вносящих искажения на нижних частотах.

Вкачестве взяты суммарныезначения, рассчитанные в (3.5), (3.6), (7.2) с учетом обратной связи и коррекции.

Рисунок 8.1 АЧХ ОК усилителя

ФЧХ ОК усилителя:



Рисунок 8.2 ФЧХ ОК усилителя

Список использованных источников

1. Красько А.С.Аналоговые электронные устройства: Методические указания по курсовому проектированию. Томск: ТУСУР, 2000. 42 с.: ил.

2. Шарапов А.В. Аналоговаясхемотехника: Учебное пособие. Томск: ТМЦДО, 2003. 128 с.

3. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др., Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.

4. “Транзисторы для аппаратуры широкого применения” под редакцией Перельмана Б.Л., М, «Радио и связь» 1982 г.

5. Справочник В.М. Петухов «Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги» Т. 4. М.: КУбК-а, 1997. 544 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...