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 каскад
• 5. Расчет промежуточного каскада
• 6. Расчёт входного каскада
• 7. Расчет и построение амплитудно-частотных характеристик
• 8. Рассчитаем коэффициент гармоник
• Заключение
• Список использованных источников



1. Техническое задание

Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС входного сигнала: E = 5 мВ

Активное сопротивление нагрузки: R_НД = 150 кОм

Емкостное сопротивление нагрузки: С_НД = 25 пФ

Частотные искажения (НЧ): M_Н = 1,2 дБ

Частотные искажения (ВЧ): М_В=1,6 дБ

Минимальная рабочая температура: T_Н = 5 С

Максимальная рабочая температура: Т_В = 35 С

Внутреннее сопротивление источника: R_ИСТ = 200 Ом

Нижняя граничная частота: f_Н = 75 Гц.

Верхняя граничная частота: f_В = 20 МГц.

Нелинейные искажения: K_Г = 9%

Амплитуда выходного сигнала: U_ВЫХ=1.5 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

2. Анализ технического задания

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.

Т.к. сопротивление нагрузки велико, выходной каскад следует выполнить по схеме ОЭ - ОБ на маломощном транзисторе, а предоконечный каскад на интегральной микросхеме К265УВ6.

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

Задаваясь коэффициентом запаса, определяем расчетный коэффициент усиления:

K_З = 1.5 - коэффициент запаса усиления;

К_р=540 Ом

Определим требуемое число активных каскадов при максимальном коэффициенте усиления:

K_М = 40 -максимально возможное усиление одно-двухтранзисторных ИС

=2.269

N=2.269

Положим число активных каскадов N=3.

Коэффициент усиления каждого каскада:

=8.143

K_i =8.143

Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:



M_нi =1.047дБ

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

=1.063

M_вi =1.063 дБ

Нестабильность усиления в каждом каскаде:

дK_i =0.033

Определим глубину обратной связи:

=4.912

А=4.912

Проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией:

Kп = 0.7

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах:

'_в = 2.31

Исходя из этого выбираем коэффициент .

Окончательный выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

г_к = 1.917

Необходимая верхняя граничная частота корректированного каскада:

f_{вi =} 28.86 МГц

Необходимая площадь усиления каждого каскада:

=235 МГц

П_трi =235 МГц

Такая площадь усиления может быть обеспечена усилительной секцией ОЭ - ОБ с применением коррекции эмиттерной противосвязью. В качестве усилительного элемента целесообразно использовать ИС К265УВ6.

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:

С_бк=2.5 пФ

Емкость монтажа:

Постоянная составляющая коллекторного тока:

Найдем коллекторное сопротивление:

==678 Ом

R_нмах=678 Ом

= =511



R_nmin=511

Т.к., , то сопротивление нагрузки выбирается в указанных пределах. Выберем коллекторное сопротивление:

R_K=670 Ом.

Уточним сопротивление эквивалентного генератора:

==667 Ом

Rн=667 Ом

Определим величину коллекторного тока:

Iк= =2.248 мА

Iк=2.248

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:

Найдем коллекторные токи транзисторов:

== 4.4 мА

I_к2=4,4 мА

I_к2=Iк1

I_к1=4,4 мА

Найдем напряжение коллектор - эмиттер транзисторов:

U_кэ2=Eк+Uбэ-Iк2ЧRкт=12+0,6-4,4Ч10^-3Ч670=3.97 В

U_кэ2= 3.97 В

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 - КТ331Б.

Справочные данные транзистора КТ331Б.

_min = 40 С_Э = 12 пФ r_К = 300 кОм I_Kmax = 20 мA

_max = 120 С_К = 5 пФ r = 0 P_кmax = 15 мВт

f_T = 250 МГц I_К0 = 0,2 мкА I_КИ = 3 мА = 1,5

_ОС = 120 пс U_Kmax = 15 В U_КИ = 5 В П_согл=120

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

Параметры элементов схемы замещения транзистора:

r_б`э= 404,569 Ом

Верхняя граничная частота транзистора:

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Rвхтр = 5675 Ом

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Рассчитаем сопротивление эквивалентного генератора:

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

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

С₀ = С_нд+С_БК+С_М = (25+2,5+5) =30 пФ

Для выходного каскада достижимая площадь усиления оценивается по формуле:

= =325.9 МГц

Пвых=325.9 МГц

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

Расчет нестабильности режима.

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Оценим нестабильность усиления каскада:

дK=0.602%

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:

ф0=0.753 нс

Оптимальный коэффициент коррекции:

Копт= 2.790

Коэффициент коррекции:

при ранее выбранной величине



Корректирующая емкость:

Скор = 25.11 пФ

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

- для входной разделительной

- для блокировочной

- для выходной разделительной

ф_рвх =б₃Чф_рвых = 2Ч1.71Ч10^-3=3.42 мс

ф_рвх= 3.42 мс

ф_эо= б₂Чф_рвых =0.5Ч1.71Ч10^-3= 0.855 мс

ф_эо=0.855 мс

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной емкости:

R_энвых=R_нд+R_к1= 670+150000=150670 Ом

R_энвых=150670 Ом

для входной разделительной емкости:

Rэнвх= 1491 Ом

Разделительная емкость каскада:

Сpвых = 11.3 нФ

Срвх= 2.2 мкФ

Постоянная времени и емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

Rэнэ=87.89 Ом

Сэо=9.72 мкФ

5. Расчет промежуточного каскада, выполненного на ИС К265УВ6

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_Э0 = 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:

Rвхтр = 1998 Ом

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Rэ= 22.160 Ом

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:

Ппром=467.5 МГц

Оценим нестабильность усиления каскада:

=0.014

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:

=

Копт=1.53

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:



Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

б1=1

б2=0.5

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 К265УВ6

Входной каскад выполняем на точно такой же микросхеме, как выходной и промежуточный каскады (К256УВ6). Схема электрическая принципиальная промежуточного каскада такая же, как у промежуточного, только в расчетах учитывается сопротивление источника сигнала.

Рассчитаем сопротивление генератора входного каскада:

Требуемое входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

Максимально достижимая площадь усиления промежуточного каскада:

Пвх=1089 МГц

Оценим нестабильность усиления каскада:



=0.0049

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

Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

фв=1.19 нс

Постоянная времени корректирующего звена:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Копт=0.076

Корректирующая емкость:

Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Постоянная времени для разделительного конденсатора оконечного каскада:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

б1=2

б2=0.5

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 450 Гц.

Для входного каскада:



f

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для входного каскада:

Yнвх(fн)=0.956

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:

Yнвых(fн)=

Yнвых(fн)= 0.986

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада:

Общая амплитудно-частотная характеристика усилителя на нижних частотах:

Yн(f)=Yнвх(f)ЧYнпром(f)ЧYнвых(f)

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте:

Yн(fн)=Yнвых(fн)ЧYнпром(fн)ЧYнвых(fн)=0.92

Yн(fн)=0.92

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: транзистор промежуточный каскад конденсатор

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте:

Yв(fв)=Yввх(fв)ЧYвпром(fв)ЧYввых(fв)= 0.972

Yв(fв)=0.972

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте:

8. Расчет коэффициента гармоник

Построим нагрузочные характеристики постоянному и переменному току. Для линии нагрузки по постоянному току:

Рассчет Напрежения Коллектор Эмитер

1.Uкэ = 0 R' = Rк+Rэ= 670+74.47 = 744.47 Ч10³ Ом

2.Uкэ= 15 Iк = 0

Рассчет линии нагрузки по переменному току:



Рисунок 1 - Нагрузочная характеристика транзистора выходного каскада

Рисунок 2 - Входная статическая характеристика



Рассчитываем нелинейные искажения:

Найдем значения токов коллектора:

Iк0=8 мА, Iкmax=12 мА, Iкmin=2 мА, Iк1=10 мА, Iк2=6 мА

Найдем значения токов базы:

Iб0=0,04 мА, Iбmax=0,06 мА, Iбmin=0,01 мА, Iб1=0,05 мА, Iб2=0,03 мА.

Определим величину напряжения базы-эмиттер:

Uбэ0=0,5 В, Uбэmax=0,6 В, Uбэmin=0,32 В, Uбэ1=0,57 В, Uбэ2=0,45 В.

Рассчитаем значение ЭДС входного сигнала:

Е_б=I_бЧ(R_г+ R_б+ R_э)+ U_бэ

Е_б0=0,524 В, Е_бmax=0.636 В, Е_бmin=-0,326 В, Е_б1=0,6 В, Е_б2=0,468 В.

Определим амплитуду гармоник:

E_m1=

E_m2=

E_m3=

E_m4=

Рассчитаем коэффициент гармоник усилителя:

К_г=

Найдем максимальный коэффициент усиления:



Коэффициент гармоник с учетом обратной связи:



Заключение

Рассчитанный усилитель удовлетворяет исходным данным и имеет коэффициенты частотных искажений не более допустимых в области верхних и нижних частот.

В курсовом проекте был произведен расчёт широкополосного усилителя гармонических сигналов.

Соблюдены условия задания в частотной области. Мнi и Мвi получились меньше заранее заданных.

Оценка термостабильности усилителя показывает что нестабильность усиления всего усилителя равна 7,9%, что не превышает 10%. Полученные АЧХ в области верхних и нижних частот, а также рассчитанные по ним коэффициенты частотных искажений удовлетворяют техническому заданию.



Список используемых источников

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.

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



Приложение А

Графики оценки площади усиления при различных видах коррекции

Рисунок 3 - Выигрыш в площади усиления при простой параллельной коррекции

Рисунок 4 - Потери в площади усиления при эммитерной коррекции, по сравнению с простой параллельной коррекцией



Приложение Б

Структурная и функциональная схема усилителя

Рисунок 5 - Структурная схема усилителя



Приложение В

Электрические принципиальные схемы

Рисунок 6 - Электрическая принципиальная схема промежуточного каскада



Рисунок 7 - Электрическая принципиальная схема входного каскада



Приложение Г

Рисунок 8 - Схема электрическая принципиальная усилителя(DA - К265УВ6)

Рисунок 9 - Схема электрическая принципиальная каскада

Размещено на Allbest.ru

...