Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 55
Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Схемотехника и АЭУ Студент гр. 180 __________Курманов Б.А. ______________ Руководитель Доцент кафедры РЗИ _____________Титов А.А. _____________ 2003
29с., 12 рис., 3 табл., 2 источника. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД, ТРАНЗИСТОР, КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ, МОЩНОСТЬ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, СКВАЖНОСТЬ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, ОДНОНАПРАВЛЕННАЯ МОДЕЛЬ. Целью данной работы является приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным требованиям. В процессе работы производился расчёт параметров усилителя, анализ различных схем термостабилизации, были рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора. В результате работы получили принципиальную готовую схему усилителя с известной топологией и известными номиналами элементов. Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2002. СОДЕРЖАНИЕ Министерство образования Российской Федерации Томский Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР)
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) Утверждаю Зав. кафедрой РЗИ
_____В.И.Ильюшенко ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ № 2
на курсовое проектирование по дисциплине “Схемотехника АЭУ” студенту гр.180 Курманову Б.А. 1. Тема проекта Импульсный усилитель
2. Сопротивление генератора Rг = 75 Ом. 3. Коэффициент усиления K = 25 дБ. 4. Длительность импульса 0,5 мкс. 5. Полярность "положительная". 6. Скважность 2. 7. Время установления 25 нс. 8. Выброс 5%. 9. Искажения плоской вершины импульса 5%. 10.Амплитуда 4В. 11.Полярность "отрицательная". 12.Сопротивление нагрузки Rн = 75 Ом. 13.Условия эксплуатации и требования к стабильности показателей усилителя 20 - 45 °С. 14.Срок сдачи проекта на кафедру РЗИ 10.05.2003
. 15.Дата выдачи Задания 22.02.2003
. Руководитель проектирования _____________ Исполнитель ______________ 1.Введение
Импульсные усилители нашли широкое применение. Особенно широко они применяются в радиотехнических устройства, в системах автоматики, в приборах экспериментальной физики, в измерительных приборах. В зависимости от задач на импульсные усилители накладываются различные требования, которым они должны отвечать. Поэтому усилители могут различаться между собой как по элементной базе, особенностям схемы, так и по конструкции. Однако существует общая методика, которой следует придерживаться при проектировании усилителей. Задачей представленного проекта является отыскание наиболее простого и надежного решения. Для импульсного усилителя применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту. Такие транзисторы называются высокочастотными. Итогом курсового проекта стали параметры и характеристики готового импульсного усилителя. 2.Предварительный расчет усилителя
2.1 Расчет рабочей точки
Исходные данные для курсового проектирования находятся в техническом задании. Средне статистический транзистор даёт усиление в 20 дБ, по заданию у нас 25 дБ, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум Структурная схема многокаскадного усилителя представлена на рис.2.1 Рисунок 2.1 - Структурная схема усилителя По заданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор эмиттер и ток коллектора (рабочую точку). Iко= Uкэо= Рассмотрим два варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя: первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад. Дроссельный каскад: Схема дроссельного каскада по переменному току представлена на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - Схема дроссельного каскада Rн=75 (Ом). Расчетные формулы: Исходя из формул 2.1 - 2.4 вычислим напряжение Uкэо и ток Iко. Eп = Uкэо = 4В Pвых = Pпотр = η = Резистивный каскад: Схема резистивного каскада по переменному току представлена на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Схема резистивного каскада Rк=75(Ом), Rн=75 (Ом), Rн~=37,5 (Ом). Исходя из формул 2.1 - 2.4 вычислим напряжение Uкэо и ток Iко. Eп = Iко*Rк+Uкэо = 8,4В Pвых = Pпотр = η = Результаты выбора рабочей точки двумя способами приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1. 3. Выбор транзистора
Выбор транзистора осуществляется с учётом следующих предельных параметров: 1. PRк
≤ Pк доп
*0,8 2. Iко
≤ 0,8*Iк max
3. fв
(10-100) ≤ fт
4. Uкэо
≤ 0,8*Uкэ доп
Исходя из данных технического задания fТ>(10..100) fв
, fT=140МГц. Этим требованиям полностью соответствует транзистор 2Т602А. Параметры транзистора приведены в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Параметры используемого транзистора Далее рассчитаем выберем схему термостабилизации. 4. Расчет схемы термостабилизации
4.1 Эмиттерная термостабилизация
Эмиттерная стабилизация применяется в основном в маломощных каскадах, и получила наиболее широкое распространение. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 - Схема эмиттерной термостабилизации Расчёт произведем поэтапно: 1. Выберем напряжение эмиттера 2. Затем рассчитаем Напряжение эмиттера Ток делителя Тогда: Напряжение питания рассчитывается по формуле: Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам: Данная методика расчёта не учитывает напрямую заданный диапазон температур окружающей среды, однако, в диапазоне температур от 0 до 50 градусов для рассчитанной подобным образом схемы, результирующий уход тока покоя транзистора, как правило, не превышает (10-15)%, то есть схема имеет вполне приемлемую стабилизацию. 4.2 Пассивная коллекторная термостабилизация
Рисунок 4.2 - Схема пассивной коллекторной термостабилизации. Пусть URк
=10В Rк= Еп=Uкэо+URк
=10+10=20В (4.2.2) Rб= Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение на Uкэо падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение Uкэо должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только в маломощных каскадах. 4.3 Активная коллекторная термостабилизация
Рисунок 4.3 - Схема активной коллекторной термостабилизации Сделаем так чтобы Rб зависело от напряжения Ut. Получим что при незначительном изменении тока коллектора значительно изменится ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало небольшое (порядка 1В) напряжение. Статический коэффициент передачи по току первого транзистора bо1=30. UR4
=5В. R4= Iко1
= Iбо2
= Pрас1
= Uкэо1
*Iко1
= 5*1,68*10-3
= 8,4 мВт R2= R1= R3
= Еп = Uкэо2
+UR4
= 10+5 = 15В (4.3.6) Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. При повреждении емкости С1 каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать, т.е. данный вариант не желателен, поскольку параметры усилителя должны как можно меньше зависеть от изменения параметров его элементов. Наиболее приемлема эмиттерная термостабилизация. 5.
Расчёт параметров схемы Джиаколетто
Рисунок 5.1 - Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто) Ск(треб)=Ск(пасп)* Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0, Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп). rб= rб-сопротивление базы, rэ= Iк0 в мА, rэ-сопротивление эмиттера. gбэ= gбэ-проводимость база-эмиттер, Cэ= Cэ-ёмкость эмиттера, fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой Ri= Ri-выходное сопротивление транзистора, Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора. gi=0.75(мСм). где К0
- коэффициент усиления резисторного каскада где τв
- постоянная времени верхних частот резисторного каскада где τ - постоянная времени верхних частот где S0
- крутизна проходной характеристики где Свх
- входная динамическая емкость каскада где fв
- верхняя граничная частота Из формул 5.6 - 5.11 получим: Данное значение верхней граничной частоты не удовлетворяет требованиям технического задания, поэтому потребуется введение коррекции. 6. Расчет высокочастотной индуктивной коррекции
Схема высокочастотной индуктивной коррекции представлена на рисунке 6.1. Рисунок 6.1 - Схема индуктивной высокочастотной коррекции Высокочастотная индуктивная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором. Корректирующий эффект в схеме достигается за счет возрастания сопротивления коллекторной цепи с ростом частоты усиливаемого сигнала и компенсации, благодаря этому, шунтирующего действия выходной емкости транзистора. Коэффициент усиления каскада в области верхних частот, при оптимальном значении описывается выражением: где Очевидно что при неизменном Rк
коэффициент усиления К0
- не изменится. Lк
= 75*6.55*10-9
=4.9*10-9
(Гн) τк
= fв
каскада равна: 7. Промежуточный каскад
7.1 Расчет рабочей точки. Транзистор VT2
Рисунок 7.1 - Предварительная схема усилителя Возьмем Rк = 800 (Ом). Кроме того при выборе транзистора следует учесть: fв
=14 (МГц). Этим требованиям соответствует транзистор КТ339А. Однако данные о его параметрах при заданном токе и напряжении недостаточны, поэтому выберем следующую рабочую точку: Iко
= 5мА Uкэо
=10В Таблица 7.1 - Параметры используемого транзистора Рассчитаем параметры эквивалентной схемы для данного транзистора используя формулы 5.1 - 5.13. Ск(треб)=Ск(пасп)* Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0, Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп). rб= rб-сопротивление базы, rэ= Iк0 в мА, rэ-сопротивление эмитера. gбэ= gбэ-проводимость база-эмитер, Cэ= Cэ-ёмкость эмиттера, fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой Ri= Ri-выходное сопротивление транзистора, Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора. gi=1(мСм). 7.1.1 Расчет высокочастотной индуктивной коррекции
Схема высокочастотной индуктивной коррекции представлена на рисунке 7.2. Рисунок 7.2 - Схема высокочастотной индуктивной коррекции промежуточного каскада Высокочастотная индуктивная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором. Корректирующий эффект в схеме достигается за счет возрастания сопротивления коллекторной цепи с ростом частоты усиливаемого сигнала и компенсации, благодаря этому, шунтирующего действия выходной емкости транзистора. Расчетные формулы: где При неизменном Rк
коэффициент усиления не будет изменятся. τ ,τв
и S0
рассчитываются по 5.7, 5.8, 5.9. 7.1.2 Расчет схемы термостабилизации
Используем эмиттерную стабилизация поскольку был выбран маломощный транзистор, кроме того эмиттерная стабилизация уже применяется в рассчитываемом усилителе. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 4.1. Порядок расчета: 1. Выберем напряжение эмиттера 2. Затем рассчитаем Напряжение эмиттера Ток делителя Тогда: Напряжение питания рассчитывается по формуле: Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам: В диапазоне температур от 0 до 50 градусов для рассчитанной подобным образом схемы, результирующий уход тока покоя транзистора, как правило, не превышает (10-15)%, то есть схема имеет вполне приемлемую стабилизацию. 7.2 Транзистор VT1
В качестве транзистора VT1 используем транзистор КТ339А с той же рабочей точкой что и для транзистора VT2: Iко
= 5мА Uкэо
=10В Возьмем Rк = 100 (Ом). Рассчитаем параметры эквивалентной схемы для данного транзистора используя формулы 5.1 - 5.13 и 7.1 - 7.3. Ск(треб)=Ск(пасп)* Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0, Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп). rб= rб-сопротивление базы, rэ= Iк0 в мА, rэ-сопротивление эмитера. gбэ= gбэ-проводимость база-эмитер, Cэ= Cэ-ёмкость эмитера, fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой Ri= Ri-выходное сопротивление транзистора, Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора. gi=1(мСм). 7.2.1 Расчет схемы термостабилизации
Как было сказано в пункте 7.1.1 в данном усилителе наиболее приемлема эмиттерная термостабилизация поскольку транзистор КТ339А является маломощным, кроме того эмиттерная стабилизация проста в реализации. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 4.1. Порядок расчета: 1. Выберем напряжение эмиттера 2. Затем рассчитаем Выберем Ток делителя Тогда: Напряжение питания рассчитывается по формуле: Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам: 8. Искажения вносимые входной цепью Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 8.1. а) б) Рисунок 8.1 - Принципиальная схема входной цепи каскада При условии аппроксимации входного сопротивления каскада параллельной RC-цепью, коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается выражением: где Значение 9. Расчет Сф
, Rф
, Ср
В принципиальной схеме усилителя предусмотрено четыре разделительных конденсатора и три конденсатора стабилизации. В техническом задании сказано что искажения плоской вершины импульса должны составлять не более 5%. Следовательно каждый разделительный конденсатор должен искажать плоскую вершину импульса не более чем на 0.71%. Искажения плоской вершины вычисляются по формуле: где τ и
- длительность импульса. Вычислим τн
: Тогда: τн
и Ср
связаны соотношением: где Rл
, Rп
- сопротивление слева и справа от емкости. Вычислим Ср
. Сопротивление входа первого каскада равно сопротивлению параллельно соединенных сопротивлений: входного транзисторного, Rб1 и Rб2. Rп
=Rвх
||Rб1
||Rб2
=628(Ом) Сопротивление выхода первого каскада равно параллельному соединению Rк и выходного сопротивления транзистора Ri. Rл
=Rк||Ri=90,3(Ом) Rп
=Rвх
||Rб1
||Rб2
=620(Ом) Rл
=Rк||Ri=444(Ом) Rп
=Rвх
||Rб1
||Rб2
=48(Ом) Rл
=Rк||Ri=71(Ом) Rп
=Rн
=75(Ом) где Ср1
- разделительный конденсатор между Rг и первым каскадом, С12
- между первым и вторым каскадом, С23
- между вторым и третьим, С3
- между оконечным каскадом и нагрузкой. Поставив все остальные емкости по 479∙10-9
Ф, мы обеспечим спад, меньше требуемого. Вычислим Rф
и Сф
(URФ
=1В): 10. Заключение В данном курсовом проекте разработан импульсный усилитель с использованием транзисторов 2Т602А, КТ339А, имеет следующие технические характеристики: - верхняя граничная частота 14МГц; - коэффициент усиления 64 дБ; - сопротивление генератора и нагрузки 75 Ом; - напряжение питания 18 В. Схема усилителя представлена на рисунке 10.1. Рисунок 10.1 - Схема усилителя При вычислении характеристик усилителя использовалось следующее программное обеспечение: MathCad, Work Bench. Литература
1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под редакцией А.В. Голомедова.-М.: Радио и Связь, 1989.-640с. 2. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей / А.А. Титов, Томск: Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 45с. |