3

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра: «Приборостроение и наноэлектроника»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Пояснительная записка

Руководитель __________ А.Г. Григорьев

_{подпись, дата}

Студент гр.ВЦ17-01АСУ __________ А.А. Титова

_{подпись, дата}

Студент гр.ВЦ17-01АСУ __________ К.А. Мальчик

_{подпись, дата}

Студент гр.ВЦ17-01АСУ __________ И.Д. Сергиенко

_{подпись, дата}

Красноярск 2020

Содержание

• 1 Техническое задание 3
• 1.1 Анализ технического задания 4
• 2. Расчёт числа каскадов. Выбор типов интегральных схем и транзисторов 5
• 3. Расчет выходного каскада 8
• 3.1 Выбор навесного транзистора 9
• 3.2 Расчёт параметров транзистора КТ907А. 10
• 3.3 Расчёт параметров нижнего транзистора типа КТ307Б 11
• 4. Расчёт промежуточного каскада 2 14
• 5. Расчёт промежуточного каскада 1 18
• 6. Расчёт истокового повторителя 21
• 7.1 Расчет АЧХ выходного каскада 23
• 7.2 Расчет АЧХ промежуточного каскада 2 25
• 7.3. Расчет АЧХ промежуточного каскада 1 27
• 7.4 Расчет АЧХ истокового повторителя 29
• 7.5 Расчет общей АЧХ спроектированного усилителя 31
• Заключение о соответствии параметров спроектированного усилителя требованиям технического задания: 34
• Список используемой литературы: 35
• ПРИЛОЖЕНИЕ 1 36
• ПРИЛОЖЕНИЕ 2 37


1 Техническое задание

В ходе выполнения курсового проекта необходимо рассчитать усилитель гармонических сигналов. Исходные данные к проекту:

ЭДС входного сигнала (E) 5 мВ

Активное сопротивление нагрузки (R_нд) 150 кОм

Емкость нагрузки (C_нд) 25 пФ

Частотные искажения на нижних частотах (M_н) 1.2 дБ

Частотные искажения на нижних частотах (M_в) 1.6 дБ

Минимальная рабочая температура (T_н) 5 C

Максимальная рабочая температура (T_в) 35 C

Сопротивление источника сигнала (R_ист) 600 Ом

Нижняя граничная частота (f_н) 30 Гц

Верхняя граничная частота (f_в) 6 МГц

Входное сопротивление (R_вх) 200 кОм

Коэффициент нелинейных искажений (К_т) 7%

Амплитуда выходного сигнала (E_вых) 4,5 В



1.1 Анализ технического задания

Так как сопротивление нагрузки велико, то для выходного каскада можно использовать секцию ОЭ, с подключенным к ней навесным транзистором.



2. Расчёт числа каскадов. Выбор типов интегральных схем и транзисторов

Задаваясь коэффициентом запаса, определяем расчетный коэффициент усиления:

K_З = 1.5 - коэффициент запаса усиления;

= = 1354.05

Необходимое число каскадов при максимальном коэффициенте усиления Km = 40 оказывается равным:

Округляя до целого значения, получаем: N=3.

Требования, предъявляемые к отдельным каскадам:

а) коэффициент усиления каждого каскада:

б) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

в) коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

;

г) нестабильность усиления в каждом каскаде:

K_i=K / N= 11.06/3 =3,69%.

Определяем необходимую площадь усиления каждого каскада. Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления:

A=1+kв = =

Из графика (рис. 2) по заданной кривой (2) находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррекцией:

Рис. 1 - Потери площади усиления при эммитерной коррекции по сравнению с простой коррекцией

K'=0.6

Выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах, определим из графика (рис.1). Значения К_к/К_опт задаем на уровне 0.9, т.к. допустимый подъем характеристик достаточно велик:

Рис. 2 - Выигрыш площади усиления при простой параллельной коррекции

=2.35

Окончательный выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции:

Рассчитываем необходимую верхнюю граничную частоту каждого каскада:

МГц

Для необходимой площади усиления каскада теперь можно получить:

Такая площадь усиления может быть обеспечена каскадными усилителями с секцией ОЭ на ИС типа К265УВ1.

Таким образом, для требуемого усилителя получаем трехкаскадную схему, содержащую три активных каскада, из которых оконечный будет выполнен по схеме общий эмиттер на интегральной микросхеме К265УВ1, а остальные два будут выполнены по схеме общий эмиттер-общая база на интегральных микросхемах К265УВ3 с типовым включением. Вход схемы будет выполнен на схеме истокового повторителя.



3. Расчет выходного каскада

Рис. 3 - Принципиальная электрическая схема выходного каскада на ИС К265УВ1

R1=1,2 кОм R3=100 Ом R5=100 Ом R7=470 Ом

R2=6,2 кОм R4=84 Ом R6=200 Ом

C_м=5 пФ - ёмкости монтажа

C_б'к=5 пФ - выходной ёмкостью транзистора

Определим максимально допустимое сопротивление нагрузки:

Зная что у ИМС К265УВ1 с током покоя I_к==3.9 мA, найдем минимальное сопротивление нагрузки:

=

Так как условие > выполняется, то сопротивление нагрузки выбираем в указанных пределах. Выберем величину R_k:

R_k= 1800 Ом

Уточненное значение нагрузки каскада:

= Ом

Величина амплитудного коллекторного тока:

А

Для обеспечения нужного значения тока берем значение I_к = 3,9 мА.

Определим минимальное допустимое коллекторное напряжение:

Допустимое приращение коллекторного тока:

А

Напряжение питания:

Тогда напряжения питания получим:

B

Так как полученное значение меньше типового, то выбираем = 15 В.

3.1 Выбор навесного транзистора

Напряжение на эмиттере:

U_э=2 В

Напряжение на коллекторе:

Система неравенств:

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям - КТ907А.

Таблица 1. Параметры транзистора КТ907А.

min=20	os=15 псек	IKmax=1 A
max=80	rК=10 кОм	UKmax=60 В
=350 МГц	r=0,2	=2
Сэ=280пФ	IК=400 мА	PKmax=13Вт
Ск=20пФ	IК0=0,5 мА	П=200*

3.2 Расчёт параметров транзистора КТ907А.

Рассчитаем параметры транзистора в рабочей точке:

;

Ом;

= 271 Ом;

3.3 Расчёт параметров нижнего транзистора типа КТ307Б

Таблица 2. Параметры транзистора КТ307Б

min=40	os=500 псек	=1,5
max=160	rК=300 кОм
=250 МГц	Uэизм=1 В	S = 155 мА/В
Сэ=4,5пФ	IKизм=5 мА
Ск=4,7пФ	UKизм=2 В

1. ;

2. Ом;

3. = 523 Ом;

4.

5.

6.

7.

8.

Для определения нестабильности тока покоя найдём вспомогательное параметры:

Определим сопротивление эквивалентного генератора:

Уточним емкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:

Входное сопротивление транзистора с обратной связью:

Сопротивление обратной связи:

Нестабильность коэффициента усиления:

Рассчитаем корректирующую ёмкость.

Постоянные времени каскада:

Корректирующее звено:

Оптимальный коэффициент коррекции:

Значит при ранее выбранном для корректирующей ёмкости получим:

При расчете переходных и блокировочной ёмкостей зададим:

Эквивалентная постоянная времени каскада на низких частотах:

Постоянные времени каждой из емкостей:

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости:

для входной разделительной ёмкости:

Для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитываем величины каждого из конденсаторов:

4. Расчёт промежуточного каскада 2

Рис. 4 - Принципиальная электрическая схема промежуточного каскада 2 на ИС К265УВ3

Уточненное значение нагрузки каскада:

Величина амплитудного коллекторного тока:

Определим сопротивление эквивалентного генератора:

Уточним ёмкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:

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

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

Выбрав большее из относительных приращений коэффициентов передачи по току:

Нестабильность усиления каскада:

Для расчета ёмкости коррекции оценим постоянные времени каскада:

и корректируемого звена:

так что при ранее выбранном для корректирующей ёмкости получим:

При расчете переходных и блокировочной ёмкостей зададим:

Эквивалентная постоянная времени каскада на низких частотах:

Постоянные времени каждой из емкостей:

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости:

для входной разделительной ёмкости:

для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитываем величины каждого из конденсаторов:

5. Расчёт промежуточного каскада 1

Рис. 5 - Принципиальная электрическая схема промежуточного каскада 1 на ИС К265УВ3

Уточненное значение нагрузки каскада:

Величина амплитудного коллекторного тока:

Определим сопротивление эквивалентного генератора:

Уточним ёмкость нагрузки:

Оценим достижимую площадь усиления:

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

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

Выбрав большее из относительных приращений коэффициентов передачи по току:

оценим нестабильность усиления каскада:

Для расчета ёмкости коррекции оценим постоянные времени каскада:

и корректируемого звена:

так что при ранее выбранном для корректирующей ёмкости получим:

Эквивалентная постоянная времени каскада на низких частотах:

Постоянные времени каждой из емкостей:

Эквивалентные сопротивления для низких частот:

для выходной разделительной ёмкости:

для входной разделительной ёмкости:

для блокировочной емкости в эмиттере:

Рассчитываем величины каждого из конденсаторов:

6. Расчёт истокового повторителя

Рис. 6 - Принципиальная электрическая схема истокового повторителя

Сопротивление в затворе:

В типовом режиме ток стока:

Определим крутизну транзистора:

-минимальное

-максимальное

Значения крутизны выбранного транзистора

Сопротивление в истоке:

- напряжение питания истокового повторителя

Определяем входную и выходную емкости транзистора

- справочные значения

Найдем выходное сопротивление истокового повторителя:

Сопротивление нагрузки повторителя:

Определим коэффициент усиления истокового повторителя:

Постоянная времени разделительного конденсатора на входе:

Рис. 7 - АЧХ для выходного каскада на верхних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_ввых(f_в) =Y_ввых (610⁶) = 0,988

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимого значения (Мвi=1,047)

Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада в области нижних частот:

Рис. 8 - АЧХ для выходного каскада на нижних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_нвых(f_н) = Y_нвых (30) = 1,077

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимое значение (Мнi=1,035)

7.2 Расчет АЧХ промежуточного каскада 2

Амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада 2 в области верхних частот:

Рис. 9 - АЧХ для промежуточного каскада 2 на верхних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_в2(f_в) = Y_в2 (610⁶) = 0,993

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимого значения (Мвi=1,047).

Амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада 2 в области нижних частот:

Рис. 10 - АЧХ для промежуточного каскада на нижних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_н2(f_н) = Y_н2 (30) = 0,97

Коэффициент частотных искажений:

что равно допустимому значению (Мнi=1,035).

7.3. Расчет АЧХ промежуточного каскада 1

Амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада 1 в области верхних частот:

Рис. 11 - АЧХ для для промежуточного каскада 1 на верхних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_в1(f_в) = Y_в1 (610⁶) = 0,998

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимого значения (Мвi=1,047).

Амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада 1 в области нижних частот:

Рис. 12 - АЧХ для промежуточного каскада 1 на нижних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_н1(f_н) = Y_н1 (30) = 0,966

Коэффициент частотных искажений:

что равно допустимому значению (Мнi=1,035).

7.4 Расчет АЧХ истокового повторителя

Амплитудно-частотная характеристика истокового повторителя в области верхних частот:

Рис. 13 - АЧХ истокового повторителя на верхних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_ввх(f_в) = Y_ввх (610⁶) = 0,995

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимого значения (Мвi=1,047)

Амплитудно-частотная характеристика истокового повторителя в области нижних частот:

Рис. 14 - АЧХ истокового повторителя на нижних частотах

Относительный коэффициент усиления:

Y_нвх(f_н) = Y_нвх (30) = 0,974

Коэффициент частотных искажений:

что не превышает допустимое значение (Мнi=1,035).

7.5 Расчет общей АЧХ спроектированного усилителя

Общая амплитудно-частотная характеристика спроектированного усилителя в области верхних частот:

Рис. 15 - АЧХ для спроектированного усилителя на верхних частотах

Относительный коэффициент усиления всего усилителя:

Y_воб(f_в) = Y_воб (610⁶) = 0,915

Коэффициент частотных искажений всего усилителя:

Общая амплитудно-частотная характеристика спроектированного усилителя в области нижних частот:

=

Рис.16 - АЧХ для спроектированного усилителя на нижних частотах

Относительный коэффициент усиления всего усилителя:

Y_ноб(f_н) = Y_ноб (30) = 0,983

Коэффициент частотных искажений всего усилителя:

В результате машинного анализа получились следующие значения коэффициентов частотных искажений на верхних и нижних частотах:

Оба значения удовлетворяют требованиям по уровню частотных искажений, указанным в техническом задании (M_н = 1,2 дБ, Mв =1,6 дБ).

Заключение о соответствии параметров спроектированного усилителя требованиям технического задания:

1. В результате машинного анализа были получены значения коэффициентов частотных искажений на верхних и нижних частотах, которые удовлетворяют требованиям по уровню частотных искажений, заданным в техническом задании, где Мв=1,6 дБ и Мн=1,2дБ.

2. Принципиальная схема усилителя приведена на чертеже (ПРИЛОЖЕНИЕ 1). В схеме использованы резисторы и конденсаторы со стандартными значениями сопротивлений и ёмкостей.

3. Рассчитанный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания - имеет коэффициенты частотных искажений не более допустимых в области верхних и нижних частот.

4. Значение термонестабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур находится в пределах нормы, согласно требованию технического задания осуществлено подключение высокоомной ( 200 кОм ) нагрузки.



Список используемой литературы:

1. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет каскадов и секций). Метод. указания по курсу "Усилительные устройства". - Красноярск: КГТУ, 1983 г.

2. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (расчет элементов коррекции и термостабилизации). Метод. указания по курсу "Усилительные устройства". - Красноярск: КГТУ, 1983 г.

3. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (пример

расчетов). Метод. указания по курсу "Усилительные устройства". - Красноярск: КГТУ, 1983 г.

4. Аналоговые устройства/ Сост. В.В. Волошенко, А. Г. Григорьев, В.И. Юзов.- Красноярск: КГТУ, 1996 г.



ПРИЛОЖЕНИЕ 1



ПРИЛОЖЕНИЕ 2

...