1.1 Определение числа каскадов

Так как на одном каскаде трудно реализовать усиление 30 дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используем сложение двух каскадов.

Структурная схема усилителя, представленная на рисунке 1.1, содержит кроме усилительных каскадов источник сигнала и нагрузку.

Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя

1.2 Распределение искажений АЧХ

Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения в области верхних не более 2 дБ и в области нижних частот не более 2 дБ. Так как используется два каскада, то получаем, что каждый может вносить не более 1 дБ искажений в общую АЧХ. Так как наибольшие искажения в АЧХ усилителя обычно вносит входная цепь, то распределим их с запасом, т.е. для выходного каскада возьмем 0.5 дБ, для входного - 0,5дБ, а на входную цепь оставим 1 дБ.

2. РАСЧЕТ РЕЗИСТИВНОГО И ДРОССЕЛЬНОГО КАСКАДОВ

Выходной каскад работает в режиме большого сигнала, поэтому расчет его ведем так, чтобы обеспечить заданную амплитуду выходного напряжения при допустимых линейных (в области верхних частот или малых времен) и нелинейных искажениях.

Рассмотрим две схемы реализации выходного каскада: резистивную и дроссельную. Выбор той или иной схемы осуществим на основе полученных данных расчета. Критерием выбора будут являться оптимальные энергетические характеристики схемы.

2.1 Расчёт параметров резистивного каскада

Для расчета используем параметры из задания: , , сопротивление коллекторной цепи возьмем равной .

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 2.1(а), эквивалентная схема по переменному току на рис. 2.1(б).

а) б)

Рисунок 2.1 - Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы резистивного каскада

Основным характеристика для выбора транзистора для усилительного каскада являются - напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор - эмиттер и - постоянная составляющая тока коллектора.

1) Найдем напряжение в рабочей точке:

,(2.1)

где - напряжение на выходе усилителя;

- остаточное напряжение на транзисторе, .

2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:

,(2.2)

где - сопротивление нагрузки по сигналу;

- сопротивление нагрузки;

- коллекторное сопротивление.

3) Постоянный ток коллектора:

,(2.3)

где - ток на выходе усилителя;

- остаточный ток на транзисторе.

4) Выходная мощность усилителя равна:

(2.4)

5) Напряжение источника питания равно:

,

ближайший существующий номинал - 30В(2.5)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:

(2.6)

7) Мощность, потребляемая от источника питания:

(2.7)

8) КПД

(2.8)

2.2 Расчёт дроссельного каскада

В дроссельном каскаде в цепи коллектора вместо сопротивления используется индуктивность, которая не рассеивает мощность (Z_Lк>0) и требует меньшее напряжение питания, поэтому у этого каскада выше КПД.

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 2.2(а), эквивалентная схема по переменному току на рис. 2.1(б).

а) б)

Рисунок 2.2 - Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы дроссельного каскада

1) Найдем напряжение в рабочей точке по формуле (2.1):

2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу. Поскольку для сигнала дроссель является холостым ходом, то в данном случае сопротивление нагрузки по переменному току будет равно сопротивлению нагрузки:

(2.9)

3) Постоянный ток коллектора по формуле (2.3):

4) Выходная мощность усилителя равна по формуле (2.4):

5) Напряжение источника питания. Так как дроссель по постоянному току является короткозамкнутым проводником, то напряжение питания будет равным падению напряжения на транзисторе:

, (2.10)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора по формуле (2.6) равна:

7) Мощность, потребляемая от источника питания по формуле (2.7):

8) КПД по формуле (2.8):

На основе рассчитанных данных составим таблицу характеристик, чтобы выбрать подходящую схему каскада.

Таблица 2.1 - Характеристики схем коллекторной цепи.

Для дальнейших расчетов выбираем дроссельный каскад, так как он потребляет меньшее напряжение питания и, при этом, имеет большее КПД.

3. ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА ВЫХОДНОГО КАСКАДА

Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

1) Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:

,(3.1)

где из технического задания.

2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:

(3.2)

3) Предельно допустимого тока коллектора:

(3.3)

4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:

(3.4)

Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ920А. Это кремниевый эпитаксиально-планарный мощный сверхвысокочастотный транзистор.

Электрические параметры:

1) Граничная частота коэффициента передачи тока f_т=400МГц.

2) Статический коэффициент усиления тока в базы -в₀=30.

3) Постоянная времени цепи обратной связи - ф_с=20пс.

4) Ёмкость коллекторного перехода при U_кб=10В - С_к=15пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

1) Постоянный ток коллектора I_к0=0,25А.

2) Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_кэ0=36В.

3) Постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_рас= 5Вт.

4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО КАСКАДА

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования предъявляются к температурной стабильности каскада. В данном случае будем использовать активную коллекторную термостабилизацию.

Активная коллекторная термостабилизация

Схема активной коллекторной стабилизации используется, как правило, при разработке мощных широкополосных радиопередающих устройств. Принципиальная схема каскада с активной коллекторной стабилизацией приведена на рис. 4.1. Физика работы схемы активной коллекторной стабилизации заключается в следующем. Напряжение на базе транзистора зафиксировано базовым делителем на резисторах и . Поэтому при увеличении коллекторного тока транзистора , вызванного изменением температуры либо детекторным эффектом, и уменьшении, вследствие этого, напряжения на резисторе , увеличивается напряжение на переходе база-эмиттер транзистора . Это ведёт к уменьшению его коллекторного тока, который является базовым током транзистора , что, в свою очередь, препятствует дальнейшему росту коллекторного тока транзистора . И, наоборот, при уменьшении коллекторного тока транзистора транзистор закрывается, уменьшается базовый ток транзистора . Известно, что при условии:, где - напряжение на резисторе , изменение температуры окружающей среды от минус до плюс приводит к нестабильности тока покоя транзистора не превышающей 2%. Исходя из этого, можно рекомендовать выбор напряжения на резисторе .

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема активной коллекторной термостабилизации

Кроме того, так как напряжение на переходе база-эмиттер открытого кремниевого транзистора равно около 0,7 В, будем полагать известными напряжения база-эмиттер транзистора и транзистора .

Рассчитаем и .

1) Определим величину резистора :

(4.1)

2) Рассчитываются ток и напряжение в рабочей точке транзистора

(4.2)

,(4.3)

где - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером транзистора .

Выбор напряжения по (4.3) обусловлен тем, что при изменении температуры ток должен иметь возможность изменяться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения относительно своего номинального значения.

3) Определим величину резистора :

(4.4)

4) Ток базового делителя транзистора :

,(4.5)

где - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером транзистора .

5) По выбранному значению рассчитываются значения резисторов и :

(4.6)

(4.7)

Конденсатор служит для разрыва петли активной обратной связи на высоких частотах, где обратная связь начинает носить комплексный характер и возможно самовозбуждение схемы. Дроссель необходим для того, чтобы на частотах сигнала коллекторная цепь транзистора не шунтировала нагрузку.

Значения емкостей и можно принять в диапазоне 0.1…1мкФ. Возьмем ,

Выберем транзистор , используемый в схеме термостабилизации, зная его рабочую точку: и . Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора по формуле (2.6) равна:

Выбор транзистора для активна коллекторной термостабилизации предельных параметров:

1) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер по формуле (3.2):

2) Предельно допустимого тока коллектора по формуле (3.3):

3) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе по формуле (3.4):

Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ361Б.

Предельные эксплуатационные данные:

1) Постоянный ток коллектора I_к0=50мА.

2) Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_кэ0=20В.

3) Постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_рас= 150мВт.

5. РАСЧЕТ СХЕМЫ ДЖИАКОЛЕТТО ВЫХОДНОГО ТРАНЗИСТОРА

1) Найдем проводимость и сопротивление базы:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

2) Рассчитаем сопротивление и проводимость эмиттера:

(5.4)

(5.5)

а=3 - для планарных кремниевых транзисторов;

(5.6)

(5.7)

3) Найдем проводимость перехода база - эмиттер:

(5.8)

4) Рассчитаем крутизну

(5.9)

(5.10)

5) Рассчитаем емкость эмиттерного перехода:

(5.11)

6) Найдем выходное сопротивление и выходную проводимость транзистора:

(5.12)

(5.13)

Полученные параметры схемы Джиаколлето:

1)

2) ,

3) ,

4)

5)

6)

7) ,

5.2 Однонаправленная модель выходного транзистора

Для расчетов примем следующие данные: , так как искажения для выходного каскада приняли равными 0,5 дБ, то .

1) Глубина ООС:

(7.1)

2) Корректирующее сопротивление:

(7.2)

3) Найдем :

(7.3)

4) Найдем :

(7.4)

5) Оптимальная постоянная времени эмиттера:

(7.5)

6) Корректирующая емкость:

(7.6)

7) Верхняя граничная частота:

(7.7)

8) Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

(7.8)

(7.9)

(7.10)

(7.11)

(7.12)

8. РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ

Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 8.1(а), эквивалентная схема по переменному току - на рис. 8.1(б).

а) б)

Рисунок 8.1 - Принципиальная схема входной цепи каскада (а) и эквивалентная схема по переменному току (б)

1) (8.1)

2) (8.2)

3) (8.3)

4) По формулам (6.2-6.3):

Получается, что искажения, вносимые входной цепью больше, чем требуется, из этого следует, что каскад нуждается в коррекции и потребуется еще один каскад.

9. ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 9.1(а), эквивалентная схема по переменному току - на рис. 9.1(б).

а) б)

Рисунок 9.1 - Принципиальная схема каскада (а) и эквивалентная схема по переменному току (б)

1) Сопротивление нагрузки по переменному току будет равно сопротивлению нагрузки:

(9.1)

2) Найдем напряжение в рабочей точке:

(9.2)

(9.3)

Так как напряжение питания, рассчитанное по формуле (2.10) равно 10В, то возьмем напряжение в рабочей точке для второго транзистора, равное

3) Найдем ток в рабочей точке:

(9.4)

(9.5)

Так как измерить данный ток с заданной точностью практически невозможно, то возьмем значение тока в рабочей точке для второго транзистора

4) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора по формуле (2.6) равна:

Найдем в справочниках подходящий транзистор по известным току и напряжению в рабочей точке и мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Выбор транзистора для входного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

1) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер по формуле (3.2):

2) Предельно допустимого тока коллектора по формуле (3.3):

3) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе по формуле (3.4):

Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ610Б. Это кремниевый эпитаксиально-планарный мощный сверхвысокочастотный транзистор.

Электрические параметры:

1) Граничная частота коэффициента передачи тока f_т=1100МГц.

2) Статический коэффициент усиления тока в базы -в₀=60.

3) Постоянная времени цепи обратной связи - ф_с=20пс.

4) Ёмкость коллекторного перехода при U_кб=10В - С_к=4.1пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

1) Постоянный ток коллектора I_к0=0.3А.

2) Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_кэ0=26В.

3) Постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_рас= 1.5Вт.

10. РАСЧЕТ СХЕМЫ ДЖИАКОЛЕТТО ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

Расчёты проведен аналогично расчетам, выполненным в пункте 5.

1) Найдем проводимость и сопротивление базы по формулам (5.1-5.3):

2) Рассчитаем сопротивление и проводимость эмиттера по формулам (5.4-5.8):

а=3

3) Найдем проводимость перехода база - эмиттер по формуле (5.9):

4) Рассчитаем крутизну по формулам (5.10-5.11):

5) Рассчитаем емкость эмиттерного перехода по формуле (5.12):

6) Найдем выходное сопротивление и выходную проводимость транзистора по формулам (5.13-5.14):

Полученные параметры схемы Джиаколлето:

8)

9) ,

10) ,

11)

12)

13)

14) ,

11. РАСЧЕТ K₀ И f_В ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА И ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ

1) Крутизна по формуле (5.16):

2) Постоянная времени транзистора по формуле (5.17):

3) Коэффициент усиления по формуле (5.18):

(11.1)

4) Найдем :

(11.2)

(11.3)

5) По формулам (6.43-6.44):

Получается, что искажения в области верхних частот превышают заданный уровень искажений для выходного каскада, поэтому потребуется коррекция.

6) Входное сопротивление каскада может быть аппроксимировано параллельной RC цепью по формулам (5.14-5.15, 5.19):

12. РАСЧЕТ СХЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

Эмиттерная стабилизация рабочей точки транзистора применяется при разработке маломощный широкополосных радиопередающих устройств. Это обусловлено необходимостью рассеивания большой мощности на резисторе стоящем в цепи эмиттера при создании мощных передатчиков. Кроме того, по правилам эксплуатации мощных транзисторов их эмиттеры должны быть заземлены. Принципиальная схема каскада с эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 12.1.

Рис. 12.1 - Принципиальная схема промежуточного каскада с эмиттерной термостабилизацией

Используем ранее полученные , , , . Известно, что .

1) Рассчитаем ток базы в рабочей точке:

(12.1)

2) Найдем ток делителя, образованного резисторами и :

(12.2)

3) Найдем напряжение, рассеиваемое на резисторе :

(12.3)

4) Рассчитаем сопротивление резистора :

(12.4)

5) Рассчитаем сопротивление резистора :

(12.5)

6) Рассчитаем сопротивление резистора :

(12.6)

7) Рассчитаем :

(12.7)

13. РАСЧЕТ ЦЕПИ КОРРЕКЦИИ ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

Принципиальная схема промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 13.1 (а), эквивалентная схема по переменному току - на рис. 13.1 (б).

а) б)

Рис. 13.1 - Принципиальная схема промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией (а) и эквивалентная схема по переменному току (б)

Так как наибольшее искажение в АЧХ усилителя обычно вносит входная цепь, то распределим их с запасом, т.е. Yв для выходного каскада возьмем 0,5 дБ, для входного каскада 0,5 дБ, а на входную цепь оставим 1 дБ

Для расчетов примем следующие данные: , так как искажения для выходного каскада приняли равными 0.5 дБ, то .

1) Глубина ООС по формуле (7.1):

2) Корректирующее сопротивление по формуле (7.2):

(13.1)

(13.2)

3) По формуле (7.4):

4) Оптимальная постоянная времени эмиттера по формуле (7.5):

5) Корректирующая емкость по формуле (7.6):

6) Верхняя граничная частота по формуле (7.7):

7) Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью по формулам (7.8-7.11):

14. РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ

Расчет произведем аналогично расчетам из пункта 8. Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 14.1(а), а эквивалентная схема по переменному току - на рис. 14.1(б).

Рисунок 14.1 - Принципиальная схема входной цепи (а), эквивалентная схема по переменному току - (б).

1) По формуле (8.1):

2) По формуле (8.2):

3) По формуле (8.3):

4) По формулам (6.2-6.3):

Получается, что искажения, обусловленные наличием входной цепи, удовлетворяют условию задания.

15. РАСЧЕТ РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1. Красько А.С. Аналоговые электронные устройства: Методические указания по курсовому проекту - Томск: ТМЦДО, 2000. - 42с.

2. Титов А.А. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей. - Томск: ТУСУР, 2002. - 47 с.

3. Титов А.А. Методы повышения выходной мощности усилителей радиопередающих устройств: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей. - Томск: ТУСУР, 2003. - 57 с.

4. Бородин Б.А., Ломакин В.М., Мокряков В.В. и др.; Под ред. Голомедова А.В. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник - М.: Радио и связь, 1985. - 560с., ил.

5. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ - М.:СОЛОН-ПРЕСС, 2006. - 328с., ил.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Схема электрическая принципиальная. Усилитель широкополосный

Размещено на Allbest.ru