ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КАЛИБРОВКИ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ - реферат

Министерство образования

Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КАЛИБРОВКИ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

”Аналоговые электронные устройства (АЭУ)”

Студент гр.148-3

_________Д.В. Коновалов

7.05.2001

Руководитель

доцент каф. РЗИ

_________А.А. Титов

_________

Томск 2001

РЕФЕРАТ

Курсовая работа 43с., 15 рис., 1 табл., 7 источников, 1 приложение.

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД, ТРАНЗИСТОР, КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ДИАПАЗОН ЧАСТОТ, НАПРЯЖЕНИЕ, МОЩНОСТЬ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ МОДЕЛЬ.

Объектом исследования в данной курсовой работе являются методы расчета усилительнх каскадов на основе транзисторов.

Цель работы - преобрести практические навыки в расчете усилительных каскадов на примере решения конкретной задачи.

В процессе работы производился расчет различных элементов широкополосного усилителя.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0.

Техническое задание

Исходные данные для проектирования широкополосного усилителя калибровки радиовещательных станций:

1. Диапазон частот: 0.5¸ 50МГц.

2. Допустимые частотные искажения 2дБ.

3. Коэффициент усиления 30дБ.

4. Выходная мощность Р_вых. =20Вт.

5. Величина нагрузки R_н =50 Ом.

6. Сопротивление генератора R_Г = 50 Ом.

7. Диапазон рабочих температур: от 0 до +60 градусов Цельсия.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение……………………………………………………………………………5

2 Определение числа каскадов……………………………………………………..6

3 Распределение искажения на высокой частоте (ВЧ)……………………………6

4 Расчет оконечного каскада……………………………………………………….6

4.1 Расчет рабочей точки………………………………………………………6

4.2 Выбор транзистора………………………………………………………..10

4.3 Расчет эквивалентных схем транзистора………………………………..11

4.3.1 Схема Джиаколетто……………………………………………….11

4.3.2 Однонаправленная модель………………………………………..13

4.4 Расчет схем термостабилизации…………………………………………15

4.4.1 Эмиттерная термостабилизация………………………………….15

4.4.2 Коллекторная термостабилизация………………………………..17

4.4.3 Активная коллекторная термостабилизация…………………….18

4.5 Расчет корректируещих цепей…………………………………………...20

4.5.1 Выходная корректирующая цепь…………………………………20

4.5.2 Межкаскадная корректирующая цепь……………………………21

5 Расчет предоконечного каскада…………………………………………………26

5.1 Расчет рабочей точки …………………………………………………….26

5.2 Расчет эквивлентной схемы транзистора………………………………..26

5.3 Расчет схемы термостабилизации………………………………………..27

5.4 Расчет межкаскадной корректирующей цепи ………….……………….28

6 Расчет входного каскада…………………………………………………………30

6.1 Расчет рабочей точки……………………………………………………..30

6.2 Расчет эквивалентной схемы транзистора………………………………31

6.3 Расчет схемы термостабилизации………………………………………..31

6.4 Расчет входной корректирующей цепи …………………………………32

7 Расчет разделительных и блокировочных конденсаторов……………….……35

8 Заключение………………………………………………………………………..38

Список использованных источников……………………………………………...39

Приложение А Схема принципиальная…………………………………………...40

РТФ КП.468740.001 ПЗ. Перечень элементов……………………………………42

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время усилители получили очень широкое распространение практически во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности, в технике, в медицине, в музыке, на транспорте и во многих других. Усилители являются необходимым элементом любых систем связи, радиовещания, акустики, автоматики, измерений и управления.

При ремонте усилителей мощности, которые входят в состав радиовещательной станции, либо их поверке используется стандартная измерительная аппаратура с амплитудой выходного сигнала 1 вольт. Поэтому появляется необходимость усиления тестовых сигналов до амплитуды, обеспечивающей стандартный режим работы усилителя мощности радиовещательной станции. По-другому, такой усилитель называют усилителем раскачки, и к нему предъявляются следующие требования: обеспечение заданного уровня выходной мощности; широкополосность; повышенный коэффициент полезного действия; малый уровень нелинейных искажений. При проектировании такого усилителя необходимо использовать мощные биполярные транзисторы и межкаскадные корректирующие цепи, которые позволяют достичь требуемых параметров.

2 Определение числа каскадов

Число каскадов для любого усилителя выбирается исходя из того, какой коэффициент усиления должно обеспечивать заданное устройство. Для того чтобы обеспечить коэффициент усиления 30дБ необходимо соединить последовательно три усилительных каскада, так как одним каскадом невозможно достичь такого усиления, который может выдать примерно 10-12дБ.

3 Распределение искажения на ВЧ

Допустимые частотные искажения по заданию равны 2дБ. Исходя из числа усилительных каскадов найдем искажения приходящиеся на каждый каскад:

(3.1)

где М _общ. – частотные искажения усилителя;

М _кас. – частотные искажения одного усилительного каскада;

N – число усилительных каскадов.

4 Расчет оконечного каскада

4.1 Расчет рабочей точки

Для расчета рабочей точки найдем выходное напряжение, которое должен выдавать усилитель, воспользовавшись следующим соотношением:

(4.1)

Выразим из формулы (4.1) U _вых. :

Зная выходное напряжение, найдем выходной ток:

(4.2)

Так как значения выходного напряжения и тока высокие, то с целью максимального использования выходного транзистора усилителя по мощности, на выходе усилителя следует установить трансформатор импедансов 1/9 на длинных линиях [1]. Который уменьшает выходное напряжение в 3 раза и нагрузку в 9 раз.

Расчитаем рабочую точку двумя способами:

1.При использовании активного сопротивления R _k в цепи коллектора.

2.При использовании дросселя в цепи коллектора.

1.Расчет рабочей точки при использовании активного сопротивления R _k в цепи

коллектора.

Рис.4.1- Схема оконечного некорректированного каскада

Выберем R _к = R _н = 6 (Ом).

Найдем выходной ток I _вых. .

(4.3)

Ток в рабочей точке найдем по следующей формуле:

(4.4)

Напряжение в рабочей точке найдем по формуле:

(4.5)

Напряжение питания будет равно:

Построим нагрузочные прямые которые изображены на рисунке 4.2 для этого определим следующие параметры:

(4.6)

(4.7)

Рисунок 4.2 – Нагрузочные прямые по переменному и постоянному току

2. Расчет рабочей точки при использовании дросселя в цепи коллектора.

Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.3.- Схема каскада по переменному току

Определим потребляемую и рассеиваемую мощность транзистора:

(4.8)

(4.9)

Результаты выбора рабочей точки двумя способами приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Из таблицы 4.1 видно, что для данного курсового задания целесообразно использовать дроссель в цепи коллектора.

Построим нагрузочные прямые, которые изображены на рисунке 4.4

Рисунок 4.4 – Нагрузочные прямые по переменному и постоянному току

4.2 Выбор транзистора

Для выбора транзистора необходимо чтобы его параметры удовлетворяли следующим условиям:

(4.10)

где I _кдоп. – максимально - допустимый ток коллектора;

U _кэдоп. – максимально – допустимое напряжение на коллектор – эмиттере;

P _кдоп – максимально – допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе;

f _Т – максимальная граничная частота транзистора.

Из неравенства (4.10 ) определим значения допустимых параметров.

Транзистор имеет следующие допустимые параметры:

4.3 Расчет эквивалентных схем транзистора

4.3.1 Схема Джиаколетто

Многочисленные исследования показывают, что даже на умеренно высоких частотах транзистор не является безынерционным прибором. Свойства транзистора при малом сигнале в широком диапазоне частот удобно анализировать при помощи физических эквивалентных схем. Наиболее полные из них строятся на базе длинных линий и включают в себя ряд элементов с сосредоточенными параметрами. Наиболее распространенная эквивалентная схема- схема Джиаколетто, которая представлена на рисунке 4.5. Подробное

описание схемы можно найти [3].

Рисунок 4.5 – Схема Джиаколетто

Достоинство этой схемы заключается в следующем: схема Джиаколетто с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальные свойства транзисторов на частотах f £ 0.5f _т ; при последовательном применении этой схемы и найденных с ее помощью Y - параметров транзистора достигается наибольшее единство теории ламповых и транзисторных усилителей.

Расчитаем элементы схемы, воспользовавшись справочными данными и приведенными ниже формулами.

Справочные данные для транзистора КТ930Б:

при

при

C _к - емкость коллекторного перехода,

t _с - постоянная времени обратной связи,

b _о - статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ.

Найдем значение емкости коллектора при U _кэ =10В по следующей формуле:

(4.11)

где U ¢ _кэо – справочное или паспортное значение напряжения;

U _кэо – требуемое значение напряжения.

Сопротивление базы будет равно:

(4.12)

Найдем сопротивление эмиттера по формуле:

(4.13)

где I _ко – ток в рабочей точке, занесенный в формулу в мА.

Проводимость база-эмиттер расчитаем по формуле:

(4.14)

Определим диффузионную емкость по формуле:

(4.15)

Сопротивление внутреннего источника тока будет равно:

(4.16)

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОБ найдем по формуле:

(4.17)

Крутизну транзистора определим по формуле:

(4.18)

4.3.2 Однонаправленная модель

Однонаправленная модель, так же как и схема Джиаколетто, является эквивалентной схемой замещения транзистора. Схема представляет собой высокочастотную модель, которая изображена на рисунке 4.6. Полное

описание однонаправленной модели можно найти в [4].

Рисунок 4.6 – Однонаправленная модель

Расчитаем элементы схемы воспользовавшись справочными данными и приведенными ниже формулами.

Справочные данные для транзистора КТ930Б:

L _б – индуктивность базового вывода;

L _э – индуктивность эмиттерного вывода;

G _ном1,2 – коэффициент усиления по мощности в режиме двустороннего

согласования.

Определим входную индуктивность по следующей формуле:

(4.19)

Входное сопротивление равно сопротивлению базы в схеме Джиаколетто:

Выходное сопротивление найдем по формуле:

(4.20)

Определим частоту f _max из следующей формулы:

(4.21)

где f – частота на которой коэффициент усиления по мощности имеет значение 3.5.

4.4 Расчет схем термостабилизации

Выбор схемы обеспечения исходного режима транзисторного каскада тесным образом связан с температурной стабилизацией положения рабочей точки. Объясняется это следующим. Важной особенностью транзисторов является зависимость их вольт-амперных характеристик от температуры р-n переходов и, следовательно, от температуры внешней среды. Это явление нежелательно, так как температурные смещения статических характеристик обуславливают не только изменения усилительных параметров транзистора в рабочей точке, но и приводят к перемещению рабочей точки. Изменения в положении рабочей точки в свою очередь сопровождаются дальнейшим изменением усилительных параметров, так как последние зависят от режима. Таким образом, электрические показатели усилителя оказываются подверженными влиянию температуры и при неблагоприятных условиях могут существенным образом отклониться от нормы.

Для сохранения режима работы транзистора в условиях непостоянства температуры окружающей среды в схему каскада вводят специальные

элементы температурной стабилизации. Существует три вида температурной стабилизации: эмиттерная стабилизация, коллекторная стабилизация и активная коллекторная стабилизация.

4.4.1 Эмиттерная термостабилизация

Одной из распространенных схем с обратной связью, предназначенных для стабилизации режима, является схема с эмиттерной стабилизацией [5], которая изображена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Схема эмиттерной термостабилизации

Рассчитаем основные элементы схемы по следующим формулам:

(4.22)

(4.23)

(4.24)

(4.25)

(4.26)

(4.27)

(4.28)

где I _дел. – ток делителя;

P_{R э} – мощность рассеиваемая на резисторе R _э .

Выберем напряжение U _э =3В и по формуле (4.22) определим сопротивление R_э .

Базовый ток найдем из формулы (4.23).

Определим напряжение питания по формуле (4.27).

Значения сопротивлений базового делителя найдем из формул (4.25,4.26).

Мощность рассеиваемая на резисторе R_э рассчитаем по формуле (4.28).

4.4.2 Коллекторная термостабилизация

Коллекторная стабилизация является простейшей и наиболее экономичной из всех схем термостабилизации. Стабилизация положения точки покоя осуществляется параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, снимаемой с коллектора транзистора. Полное описание и работу схемы можно найти в книге [5]. Схема коллекторной стабилизации представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Схема коллекторной термостабилизации

Рассчитаем основные элементы схемы по следующим формулам:

(4.29)

(4.30)

(4.31)

Выберем напряжение U_{R к} =7.5В и расчитаем значение сопротивления R _к по формуле (4.29).

Базовый ток найдем из формулы (4.23).

Зная базовый ток расчитаем сопротивление R _б по формуле (4.30).

Определим рассеиваемую мощность на резисторе R _к по формуле (4.31).

4.4.3 Активная коллекторная термостабилизация

Рисунок 4.9 – Схема активной коллекторной термостабилизации

VT1 – транзистор КТ814: b _о = 40, U_кэдоп. =20В, I _к =2.5А ;

VT2 – транзистор КТ930Б.

Рассчитаем элементы схемы по следующим формулам:

(4.32)

(4.33)

(4.34)

(4.35)

(4.36)

(4.37)

(4.38)

Выберем напряжение U_R4 =1 В и рассчитаем значение резистора R₄ по формуле (4.32).

Базовый ток транзистора VT2 определим по формуле (4.33).

Напряжение в рабочей точке для транзистора VT1 найдем по формуле (4.34).

Значение сопротивления R₂ расчитаем по формуле (4.35).

Базовый ток транзистора VT2 равен значению тока в рабочей точке транзистора VT1 .

Базовый ток транзистора VT1 определим из формулы:

Ток делителя найдем по формуле (4.38).

Значение сопротивления R₃ расчитаем по формуле (4.36).

Напряжение питания будет равно:

Значение сопротивления R₁ расчитаем по формуле (4.37).

4.5 Расчет корректирующих цепей

4.5.1 Выходная корректирующая цепь

Для передачи без потерь сигнала от одного каскада многокаскадного усилителя к другому используется последовательное соединение корректирующих цепей (КЦ) и усилительных элементов [6]. На рисунке 4.10 изображен пример построения такой схемы усилителя по переменному току.

Рисунок 4.10 Схема усилителя с корректирующими цепями

Расчеты входных, выходных и межкаскадных КЦ ведутся с использованием эквивалентной схемы замещения транзистора приведенной на рисунке 4.11. Для получения максимальной выходной мощности в заданной полосе частот необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора, равное постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Это можно реализовать, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ. Схема включения выходной КЦ приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Схема выходной корректирующей цепи

Выходную корректирующую цепь можно рассчитать с использованием методики Фано, которая подробно описана в методическом пособии [6]. Зная С _вых и f _в можно рассчитать элементы L₁ и C₁ .

Рассчитаем нормированное значение С_выхн по следующей формуле: