Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра приборостроения и наноэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Проектирование широкополосного усилителя

Вариант 44

Преподаватель

Григорьев А.Г.

Студенты

ВЦ17-01 РТВ

Бычкова Е.С.

Ондар А.Ю.

Ооржак А.А.

Красноярск 2020



СОДЕРЖАНИЕ

1. Техническое задание

2. Анализ технического задания

3. Разработка структурной схемы усилительного устройства

4. Расчет выходного каскада

5. Расчет промежуточного каскада

6. Расчет входного каскада.

7. Графики АЧХ

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение В



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 = 100 Ом

Нижняя граничная частота: f_Н = 50 Гц.

Верхняя граничная частота: f_В = 15 МГц.

Нелинейные искажения: K_Г = 6%

Амплитуда выходного сигнала: U_ВЫХ=2 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 = 2000 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. Разработка структурной схемы усилительного устройства

Определим коэффициент усиления всего усилителя, задавая коэффициент запаса :

= (1 ) = ) = 787,5 (1)

Необходимое число каскадов при :

= =; (2)

Определим требования к отдельным каскадам:

1) коэффициент усиления:

= ==9,23; (3)

2) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

== =1,071; (4)

3) Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

= = = 1,059; (5)

4) Нестабильность усиления в каждом каскаде:

= = = 3,33%; (6)

5) коэффициент нелинейных искажений:

= = 6%. (7)

Верхняя граничная частота при заданных выше частотных искажениях на верхних частотах равна:

= = = 43,03 МГц; (8)

Необходимая площадь усиления каждого каскада равна:

= = 9,23 43,03 = 397,16 МГц; (9)

Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления:

; (10)

Рисунок 1 - Потери площади усиления при эммитерной коррекции, по сравнению с простой параллельной коррекцией

Из графика рис.1 по заданной кривой (2) находим выигрыш в площади усиления при эмиттерной коррекции при
A = 4,33, = 0,7. Значит, глубина коррекции:

Рисунок 2 - Выигрыш в площади усиления при простой параллельной коррекции

По графику рис.2, найдем выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах. Значение К_к/K_opt задаем на уровне 0.9, так как допустимый подъем характеристик достаточно велик

= 2,22; (11)

Тогда реальный выигрыш в площади усиления при использовании эмиттерной коррекции:

1+( ) =1 + (2,22-1) 0,7 =1,85; (12)

Необходимая верхняя граничная частота корректированного каскада:

; (13)

Необходимая площадь усиления каждого каскада:

; (14)

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

Рисунок 3 - Структурная схема усилителя

Рисунок 4- Функциональная схема усилителя



4. Расчет выходного каскада с

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная выходного каскада

Определим максимально возможное сопротивление нагрузки, используя данные параметры:

;

.

Определим максимально допустимое сопротивление нагрузки:

; (15)

Интегральная схема К265УВ6 с током , для минимально допустимого значения нагрузки получим:

; (16)

Выберем коллекторное сопротивление в пределах 1141 ч 681 Ом:

.

Необходимо к выводу -10 микросхемы выходного каскада. Подключим добавочное сопротивление для обеспечения данного R_k: Ом; Ом:

. (17)

Определим минимальное значение питания

, (18)

где: ;

;

.

. (19)

Полученное значение округляем до большего типового значения
E_K = 6,3 В. Сопротивление нагрузки выходного каскада:

; (20)

Переменная составляющая коллекторного тока:

, (21)

Постоянная составляющая коллекторного тока:

, (22)

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

. (23)

Для выбора транзистора по энергетическим параметрам запишем систему неравенств:

, (24)

По справочнику выбираем транзистор, удовлетворяющий указанным условиям - КТ331Б, его параметры в рабочей точке:

Найдем сопротивление базового делителя:

; (25)

Суммарное сопротивление в эмиттере:

(26)

Напряжение на базе, учитывая :

, (27)

. (28)

Коэффициент усиления по току:

(29)

Необходимое смещение на базе для транзистора: . Тогда равен:

(30)

Напряжения коллектор-эмиттер транзисторов:

.

Параметры элементов схемы замещения транзистора:

; (31)

(32)

; (33)

; (34)

; (35)

; (36)

. (37)

Постоянная времени базовой цепи транзистора:

. (38)

Для расчета площади усиления найдем граничную частоту усиления транзистора:

. (39)

Рассчитаем сопротивление эквивалентного генератора:

. (40)

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

(41)

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

; (42)

Сопротивление шунта равно:

R₄+R₅ = 100+84 = 184 Ом

24656=50

Ом, так как мы берем ближайшее по ряду Е24, следовательно

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

Исходя из этого получим площадь усиления:

410,4 МГц

Так как достижимая площадь усиления больше требуемой, требования к частотным свойствам выполнены. Перейдем к расчету нестабильности режима.

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Оценим нестабильность усиления каскада:

Постоянная времени каскада:

; (43)

Постоянная времени корректирующего звена:

3,2 нс (44)

Оптимальный коэффициент коррекции:

,

Корректирующая емкость:

, по ряду Е24:

4.1. Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов:

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

; (47)

Весовые коэффициенты выберем следующим образом: ; ; .

;

;

.

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

; (45)

. (46)

Разделительная емкость каскада:

; (47)

. (48)

Емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

;

.



5. Расчет промежуточного каскада

Определим сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления следующего каскада, при :

; (49)

Величина переменной и постоянной составляющей коллекторного тока:

; (50)

. (51)

Определим сопротивление эквивалентного генератора:

. (52)

Коэффициент усиления по току:

. (53)

Параметры элементов схемы замещения транзистора:

; (54)

; (55)

; (56)

; (57)

; (58)

. (59)

Перейдем к проверке площади усиления. Для этого рассчитаем граничную частоту усиления транзистора:

. (60)

Рассчитаем сопротивление эквивалентного генератора:

. (61)

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

.

Исходя из этого получим площадь усиления:

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

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

; (62)

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

. (63)

5.1. Расчет нестабильности режима

Нестабильность коэффициента передачи транзистора:

Оценим нестабильность усиления каскада:

Постоянная времени каскада:

, (64)

Постоянная времени корректирующего звена:

.

Оптимальный коэффициент коррекции:

Корректирующая емкость:

. (65)

5.2 Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

. (66)

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

;

;

.

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот:

; (67)

. (68)

Разделительная емкость каскада:

; (69)

. (70)

Емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

=

.

. (71)

усилитель гармонический сигнал каскад график амплитудно частотный



6. Расчет входного каскада

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

Рассчитаем сопротивление генератора входного каскада:

; (72)

Рассчитаем сопротивление нагрузки входного каскада:

; (73)

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи:

(74)

Сопротивление эмиттерной обратной связи:

(75)

Найдем эквивалентную емкость нагрузки:

=10 Ф; (76)

Максимально достижимая площадь усиления входного каскада:

Оценим нестабильность усиления каскада:

6.1. Расчет коррекции на высоких частотах:

Постоянная времени каскада:

Постоянная времени корректирующего звена:

.

Оптимальный коэффициент коррекции:

; (77)

Корректирующая емкость:

. (78)

6.2. Расчет блокировочных и разделительных конденсаторов

Постоянная времени одиночного каскада усилителя:

Весовые коэффициенты выберем следующим образом:

;

;

Найдем эквивалентные сопротивления для низких частот для входной разделительной емкости:

; (79)

. (80)

Для блокировочной емкости:

Разделительная емкость каскада:

; (81)

Емкость блокировочного конденсатора оконечного каскада:

(82)



7. Построение амплитудно-частотных характеристик каскадов

7.1. Выходной каскад:

Расчет коэффициента передачи на нижних частотах:

Рисунок 3 - АЧХ выходного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для выходного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада: .

Расчет коэффициента передачи на верхних частотах, учитывая, что равно: .

.

Рисунок 4 - АЧХ выходного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для выходного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для выходного каскада: .

7.2 Промежуточный каскад:

Расчет коэффициента передачи на нижних частотах:

Рисунок 7 - АЧХ промежуточного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для промежуточного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для выходного каскада: .

Расчет коэффициента передачи на верхних частотах при

Рисунок 8 - АЧХ промежуточного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для промежуточного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для промежуточного каскада: .

7.3 Входной каскад:

Расчет коэффициента передач на нижних частотах:

Рисунок 9 - АЧХ входного каскада на нижних частотах

Коэффициент передачи на нижней граничной частоте для входного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для входного каскада: .

Расчет коэффициента передачи на верхних частотах при .

Рисунок 10 - АЧХ входного каскада на верхних частотах

Коэффициент передачи на верхней граничной частоте для входного каскада: .

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для входного каскада: .

7.4 Усилитель в целом:

Расчет коэффициента передач на нижних частотах:

Рисунок 11 - АЧХ усилителя в целом на нижних частотах

Коэффициент передачи усилителя на нижней граничной частоте: .

Коэффициент частотных искажений усилителя на нижней граничной частоте: .

Расчет коэффициента передач для верхних частот:

Рисунок 12 - АЧХ усилителя в целом на верхних частотах

Коэффициент передачи усилителя на верхней граничной частоте:

Коэффициент частотных искажений усилителя на верхней граничной частоте: .



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был произведен расчет широкополосного усилителя. Оценка термостабильности усилителя показывает, что нестабильность усиления всего усилителя равна 6,9 %, что не превышает 10%. Полученные АЧХ в области верхних и нижних частот, а также рассчитанные по ним коэффициенты частотных искажений удовлетворяют техническому заданию.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Схемотехника аналоговых электронных устройств. [Электронный ресурс]: метод. указания по курсовому проектированию / А.Г. Григорьев, ИПК СФУ. Красноярск, 2008;

2 Юзов В. И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов): Методические указания по курсу «Усилительные устройства» для студентов специальности 0701 «Радиотехника»/ В.И. Юзов; КГТУ. Красноярск, 1983. 36с.;

3 Юзов В.И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей «Расчет каскадов и секций»: Методические указания по курсу «Усилительные устройства» для студентов специальности 0701 «Радиотехника»/ В.И. Юзов; КГТУ. Красноярск, 1983, 44 с.;

4 Волошенко В.В. Аналоговые устройства: Программа курса, задание и методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта для студентов специальности 0701 «Радиотехника»/ Волошенко В.В., Григорьев А.Г, Юзов В.И. КГТУ. Красноярск, 1996. 40 с.;

5 В.В. Ефимов, В.Н. Павлов - Проектирование усилительных устройств, Москва, “Высшая школа”, 1982 г.;

6 ГОСТ 28884-90 (МЭК 63-63) - Межгосударственный стандарт - Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов, 1992 г.;

7 ГОСТ 2.001-2013 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Общие положения (с Поправкой).



ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок 6- Схема электрическая принципиальная усилителя



ПРИЛОЖЕНИЕ В

Формат	Зона	Поз.	Поз. обозначение	Наименование	Кол.	При-мечание
				ДЕТАЛИ
				МИКРОСХЕМЫ
			DA1,DA2,DA3,DА4	К286УВ3	4
				РЕЗИСТОРЫ
			R1	МЛТ-0.125 47 Ом±5% ГОСТ 28884-90	1
			R2	МЛТ-0.125 75 Ом±5% ГОСТ 28884-90	1
			R3	МЛТ-0.125 82 Ом±5% ГОСТ 28884-90	1
			R4	МЛТ-0.125 510 Ом±5% ГОСТ 28884-90	1
			R5	МЛТ-0.125 750 Ом±5% ГОСТ28884-90	1
				КОНДЕНСАТОРЫ
			С1	К53-56-П33 3,9 мкФ±5% ГОСТ28884-90	1
			С2	К53-56-П33 18 пФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С3	К53-56-П33 75 мкФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С4, С7, С10	К53-56-П33 4,3 мкФ±5% ГОСТ 28884-90	3
			С5	К53-56-П33 39 пФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С6	К53-56-П33 39 мкФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С8	К53-56-П33 36 пФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С9	К53-56-П33 39 мкФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С11	К53-56-П33 7,5 пФ±5% ГОСТ 28884-90	1
			С12	К53-56-П33 20 мкФ±5% ГОСТ 28884-90	1

Размещено на Allbest.ru

...