Большая Энциклопедия Рефератов - Усилитель многоканальной системы передачи - бесплатно рефераты, скачать рефераты, рефераты на тему

Усилитель многоканальной системы передачи

1.1 Введение.

Данное курсовое проектирование заключается в теоретической реализации многокаскадного усилителя по заданным параметрам. Проектирование следует начать с эскизного расчета усилителя.
1. Эскизный расчет усилителя (п.2).
Выбрать транзистор выходного каскада (п.2.2).
Рассчитать режим работы выходного каскада (п.2.2).
Рассчитать требуемую глубину ОС F (п.2.3).
Выбрать транзисторы предварительных каскадов и рассчитать коэффициент трансформации входного трансформатора n` (п.2.4).
Рассчитать число каскадов усилителя N (п.2.4).

Проверить выполнение условия стабильности коэффициента усиления и уточнить глубину ОС (п.2.5) .
2. Построение и расчет цепи усиления (К – цепи) по постоянному току (п.3).
Построить схему К – цепи усилителя (п.3.1, 3.2).
Выбрать режим работы транзисторов предварительных каскадов и нанести выбранные токи и напряжения в цифрах на схему К – цепи (п.3.2).
Рассчитать сопротивления резисторов схемы (п.3.2).
Выполнить расчет нестабильности режима работы схемы (п.3.3).
3. Расчет коэффициентов усиления и параметров АЧХ (п.4.).
Рассчитать коэффициенты усиления каскадов и общий коэффициент усиления.
Уточнить число каскадов.
Рассчитать частоты полюсов передаточной функции К – цепи. Уточнить типы транзисторов предварительных каскадов.
4. Расчет пассивных узлов структурной схемы усилителя (п.5).
Выбрать и рассчитать входную и выходную цепи.
Рассчитать элементы цепи ОС.
5. Расчет и построение характеристик передачи по петле ОС (п.6).
Рассчитать высокочастотного обхода и асимптотические потери Ат (п.6.2).
Построить ЛАХ Т(f) оптимального среза и сделать вывод о достаточной глубине ОС при выбранных запасах устойчивости (п.6.3).
6. Составление принципиальной схемы усилителя, выводы по результатам проектирования (п.7).

3 Задание параметров.

Вариант задания параметров берем из таблицы П.4.I. приложения 4 в методических указаниях по курсовому проектированию.
Т.о. вариант № 34, Р2 = 60 мВт. R2 = 150 Ом. R1 = 150 Ом. Rвх F = 150 Ом.
Rвых F = 150 Ом. KF = 60. SF = 0,5 дБ. fн = 6 кГц. fв = 0,28 МГц. kГF =
0,04%. E0 = -24В. tc maz = +40 0C.

Для более наглядоного вида приведем все выше заданные технические параметры в виде таблицы:

Таблица № П.1.2.
|№ |Величина |Вид |Значение |Единицы |
| | | | |измерения |
|1 |Выходная мощность |Р2 |60 |мВт |
|2 |Входное |R1 |150 |Ом |
| |сопротивление | | | |
|3 |Выходное |R2 |150 |Ом |
| |сопротивление | | | |
|4 |Входное |R1 F |150 |Ом |
| |сопротивление с ОС | | | |
|5 |Выходное |R2 F |150 |Ом |
| |сопротивление с ОС | | | |
|6 |Коэффициент усиления|КF |60 | |
| |с ОС | | | |
|7 |Результирующая |SF |0,5 |дБ |
| |нестабильность | | | |
| |коэффициента | | | |
| |усиления с ОС | | | |
|8 |Частота нижнего |fH |6 |КГц |
| |среза | | | |
|9 |Частота верхнего |fВ |0,28 |МГц |
| |среза | | | |
|10 |Коэффициент гармоник|kГF |0,04 |% |
|11 |Напряжение питания |Е0 |-24 |В |
|12 |Максимально |tc max |+40 |t0C |
| |допустимая | | | |
| |температура | | | |
| |переходов | | | |

Эскизный расчет.

1 Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью.

Коэффициент усиления усилителя с глубокой одноканальной обратной связью
(рис. 2.1) определяется параметрами пассивных цепей.

[pic]. (2.1)

Структурная схема усилителя без цепи ОС (цепь усиления) показана на рис 2.2
Цепь усиления должна коэффициент усиления, достаточный для получения заданного значения КF и необходимо значения глубины ОС F. Цепь усиления содержит 2 – 4 каскада и функционально разделяется на выходной каскад и предварительные каскады усиления.
Цепь ОС представляет собой пассивный 4-х полюсник с вносимым коэффициентом передачи В0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного шестиполюсника на зажимах 6-6 R`г. (рис. 2.1), а эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением R``г – выходной шестиполюсник. (на зажимах 5-
5).

2 Выбор транзисторов и расчет режима работы.

Расчет усилителя принято вести, начиная с выходного каскада. Он выполняется по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2.3), которой транзистор включается по схеме с общим эмиттером, имеющей наибольшей коэффициент усиления мощности, и работает в режиме «А».
Транзистор выходного каскада выбирается по двум основным условиям:

Рк max ( ан( Ркр max, [pic], где Ркр max = (4…5)P2, ан = 1,4…2, [pic] .
Здесь Ркр max – максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме «А» и потерь мощности сигнала в выходной цепи; Рк max – максимально допустимая рассеивая мощность на коллекторе (берется из справочных данных на транзистор); ан
-коэффициент запаса, введение которого предполагает использование транзисторов в облегченном режимах для повышения надежности; h21 min и h21 max – крайние значения коэффициента передачи тока из справочных данных; fT** – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ; fh21 – частота среза по параметру h21.

Произведем расчет и сделаем выбор транзистора. Однако надо учитывать, что транзистор будем питать отрицательным зажимом источника питания, не так как показано на рисунке 2.3, а положительный зажим будем подавать на “землю”.
Отсюда следует, что транзистор должен быть p-n-p, потому как если это будет n-p-n транзистор, то переходы будут смещены в обратном направлении, а значит ток по цепи коллектор – эмиттер течь не будет, в случае если это p-n- p транзистор переходы будут открыты и ток будет протекать.

Расчет: Р2 = 60 мВт; fв = 280 кГц; Ркр мах = 4(60 = 240 мВт; ан( Ркр мах
=300(1,8 = 430 мВт. Рк мах = 1 Вт.

Рк мах ( ан( Ркр мах. Из p-n-p транзисторов подходит КТ629А по мощности, проверяем частотные свойства. fh21 = 4,1 МГц > 3(0,28 = 0,84 МГц. (
Подходит по всем условиям.
Режим работы транзистора, определяемый током покоя коллектора Iк и постоянной составляющей напряжения на переходе Uкэ, должен быть таким, чтобы во внешней нагрузке обеспечивалось необходимая номинальная мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых. По мощности и заданному напряжению источника питания Е0 определяем режим работы выходного транзистора:

Uкэ = а(Е0 = 0,63(Е0 = 15 В. (2.4).

Iк = Ркр max/Uкэ = 240/15 = 16 мА. (2.5).

Где а = 0,6…0,8 – коэффициент, учитывающий, что часть напряжения источника питания упадет на резисторе цепи эмиттера по постоянному току. Должны выполняться следующие условия применительно к выбранному транзистору:

Uкэ max ( 2Uкэ, 50 > 15(2 = 30; (2.6); iк max ( ан(Iк, 1000 > 16(1,8 = 28,8; (2.7); tпр max ( (0,9…0,95)(tп max; (2.8).

Максимально допустимые значения Рк мах, iк max, Uкэ max от температуры перехода, определяемых величин тепловых сопротивлений: промежутков переход
– окружающая среда (Rпс), переход – корпус (Rпк), корпус – окружающая среда
(Rкс). При выборе транзистора желательно обойтись без внешнего теплосвода.
В этом случае:

tпр мах = tc мах + Rпс(Pkp max = 40 + 120(0,24 = 68,8 0С; (2.9).

Проверяем условие (2.8): 68,80С < 0,9(1350С = 121,50С. Все условия (2.6,
2.7, 2.8) были соблюдены, а так же в реальной схеме можно обойтись без теплосвода, так как условие (2.8) соблюдено.
Приведем параметры выбранного транзистора в виде таблице:

Таблица П.2.1.
|Транзис|Pk |fh21,|fT, |Uкэ|ik |tп,|Rпс|IКБ0|Ск, |rб`C|h21 |h21 |
|тор |max,| |МГц |max|max|0C |, |, |пФ |k, | |max/|
| |Вт |МГц | |, В|, A| |0С/|мкА | |пс | |min |
| | | | | | | |Вт | | | | | |
| | | | | | | | | | | |min| |max| |
|КТ629А |1,0 |4,1 |250 |50 |1,0|135|120|5 |25 |200 |25 |61 |150|6,0 |

По найденным значениям Uкэ и Iк находим оптимальное сопротивление нагрузки выходного транзистора для переменного тока.

Rн = ((Uкэ/(iIk = 15(0,8/0,8(16 = 937,5 Ом (2.13).

Где ( - коэффициент использования коллекторного напряжения (для транзистора средней и высокой мощности), ( = 0,7…0,8; (i – коэффициент использования коллекторного тока (i = 0,8…0,95.
Вычислим коэффициент трансформации выходного (КПД трансформатора равен 1):

[pic]; (2.14).
Проверим выполнение условие:

[pic]мВт > 1,2(P2 = 1,2(60 = 70 мВт. (2.15)
Условие выполнено, переходим к следующему пункту.

3 Расчет необходимого значения глубины обратной связи.

Основное назначение ОС заключается в уменьшении нелинейных искажений и повышении стабильности коэффициента усилителя. Требования по линейности оказываются, как правило, более жесткими и определяют необходимое значение глубины ОС.

[pic] (2.16).

где kГF = 0,04 - коэффициент гармоник усилителя с ОС, приведенный в задании параметров. kГ = коэффициент гармоник усилителя без ОС, который следует принять равным ориентировочно (2…3)%.
Нелинейные искажения усилителя определяются выходным каскадом, к входу которого приложено наибольшее напряжение сигнала.
4 Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов.

Для расчета общего числа каскадов N усилителя (рис 2.2) следует выбирать транзисторы предварительных каскадов из серии маломощных транзисторов, проверив их только по одному условию – частоте. Подходят все транзисторы p- n-p типа fh21 ( (1,5…3)fВ. В каскадах предварительного усиления целесообразно использовать одинаковые транзисторы.
При проектировании входного каскада следует выбирать условия работы, соответствующие малому значению коэффициента шума и, в частности обеспечивать оптимальное для транзистора входного каскада значение сопротивления источника сигнала. Поэтому связь цепи усиления с источником сигнала целесообразно делать трансформаторной (рис. 2.2). коэффициент трансформации входного трансформатора n` выбирается из условия получения оптимального по шумам сопротивления источника сигнала RГ1 опт для транзистора входного каскада.

[pic]; (2.17).

Величина RГ1 опт зависит от частотных свойств транзистора (RГ1 опт =
200…500, при fТ ( 0,1 ГГц; RГ1 опт = 100…300, при 0,1( fТ ( 1 ГГц; RГ1 опт
= 50…150, при fТ ( 1 ГГц;).

Число предварительных каскадов усиления и типов транзисторов для них определяется следующими двумя критериями:

1) коэффициент усиления без ОС К должен быть достаточным для обеспечения заданного значения КF при требуемой величине F;
2) транзисторы этих каскадов должны быть достаточно высокочастотными, чтобы выполнялись условия устойчивости (п.6).
Условие (1) выполняется, если

N ( 1 + lgM/lg(b(h21); (2.18).

Где M = n`Rвх(1+R1/ Rвх)KFF/[n``R2(1-R1/ Rвх F)h21 N]; (2.19).

b – коэффициент, учитывающий потери в межкаскадных цепях, b = 0,5…0,75; h21 – параметр транзисторов предварительных каскадов, а h21 N – параметр выходного транзистора. Входного сопротивление усилителя без ОС Rвх ( h11,1/(n`)2, где h11,1 = 300…3000 Ом. При согласовании входного сопротивления усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала
(R1 = Rвх F).

M = (h11,1 + RГ1 опт)KFF/(2n`n``R2h21N); (2.20).

Для выполнения условия (20) достаточно, чтобы:

[pic]; (2.21).

Производим выше приведенные расчеты:

M = (300 + 125)(60(50/(2( 2,5( 0,91(150(61) = 30,53; (2.20).

N ( 1+lg30,53/lg[0,75(37] = 1 + 1 ( 2; ( N = 2; (2.18).

[pic]; (2.21).
Все условия (2.18 … 2.21) были соблюдены.
Из выражения (2.18) определяем число каскадов, равное двум.

5 Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления.

Нестабильность коэффициента усиления связана с разбросом параметров элементов и отклонением режима работы активных элементов схемы из–за изменения температуры окружающей среды и напряжения источника питания.
Поскольку режимы работы стабилизируются, а разброс номинальных значений пассивных элементов невелик, то основная нестабильность SF вызывается значительным разбросом коэффициента усиления по току транзисторов в схеме с общим эмиттером h21.

[pic].

Относительная нестабильность коэффициента усиления усилителя с ОС в F раз меньше, чем относительная нестабильность коэффициента усиления усилителя без ОС. Стабильность коэффициента усиления будет л удовлетворять требованиям технического задания, если

[pic]; (2.22).

Здесь SF – результирующая относительная нестабильность коэффициента усиления, выраженная в дБ и соответствующая его изменениям от минимального до максимального значений; FMS – местной ОС, а если ее нет, то FMS = 1.

Проверим условие (2.22): F = 50 > 0,75(20(2(lg(70/20) + lg(150/25))/0,5 =
39,67.
Приведем в виде таблицы параметры выбранного транзистора:

Таблица П.2.2.
|Транзис|Pk |fh21,|fT, |Uкэ|ik |tп,|Rпс|IКБ0|Ск, |Rб`C|h21 |h21 |
|тор |max,| |МГц |max|max|0C |, |, |пФ |k, | |max/|
| |мВт |МГц | |, В|, | |0С/|мкА | |Пс | |min |
| | | | | |мA | |Вт | | | | | |
| | | | | | | | | | | |min| |max| |
|КТ363А |150 |32,4 |1200|15 |30 |150|0,7|0,5 |2 |50 |20 |37 |70 |3,5 |

Выбранный транзистор используется в предварительном каскаде усиления.

Выбор схемы цепи усиления и расчет по постоянному току.

1 Варианты схем включения каскадов.

Каскады между собой могут быть включены различными способами. Первый из этих способов – это гальваническая связь между каскадами, такой способ имеет ряд достоинств и недостатков. Достоинства заключаются в следующих факторах: экономия тока питания, улучшенная АЧХ, особенно в области нижних частот, и малые габариты, но такому методу включения каскадов присущ один недостаток – напряжения источника питания может не хватить. Выход из такой ситуации может быть следующим – использование разделительных конденсаторов, это в свою очередь приводит к ухудшению АЧХ в области низких частот, соответственно габариты схемы тоже вырастут, не только из-за разделительных конденсаторов, но из-за базового делителя напряжений.
В нашем случае, при трех каскадах усиления и источнике питания Е0 = -24 В, целесообразно использовать гальваническую связь между каскадами, т.к. источник питания достаточно.
В этой схеме делителем напряжения для последующего каскада служит предыдущий каскад. Все изменения режима предыдущего транзистора вызывают изменения в режимах последующих транзисторов. Поэтому в схеме рис. 3.1 особенна важна стабилизация первого транзистора. Для подачи напряжения на базу первого транзистора использован резистор Rб2.

2 Расчет каскадов усилителя по постоянному току.

При выборе режимов транзисторов каскадов предварительного усиления следует иметь в виду, что предыдущий (S –1) каскад должен обеспечивать требуемый уровень сигнала на входе последующего (S) каскада. Учитывая потери сигнала в межкаскадных цепях, постоянный ток коллектора транзистора (S-1) каскада можно принять:

IK(S-1) ( 0,1IKS; (3.1).

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер рекомендуется выбирать, соблюдая неравенство:

Uкэ(S-1) ( UкэS; (3.2).

Рекомендуемые границы выбора режима работы транзисторов предварительных каскадов:

1 мА ( Ik ( 15 мА; 2 В ( Uкэ ( 5 В.

В расчетах полагаем эмиттерный ток равным Iк, пренебрегая током базы ввиду его малости.
При использовании в усилителе кремниевых транзисторов значения напряжений база эмиттер можно принять равными:

Uбэ = (0,5…0,7)В; (3.4)

Таким образом, зададимся величинами токов и напряжений: Ik3 = 16 мА, Uкэ2 =
-15 В, Uбэ1…3 = -0,7 В.
Ik1 ( 0,1Ik2; 0,1(Ik1 = 0,1(16 = 1,6 мА; Ik1 = 14 мА; из условия 3.1; Uкэ1
= -3 В;

Составим контурные уравнения по закону напряжений Кирхгофа:
E0 = Uкэ2 + Uэ2; Uэ2 = -24 + 15 = -9в.
Uэ2 + Uбэ2 = Uэ1 + Uкэ1; Uэ1 = -9 – 0,7 + 3 = -6,70 в.
Uк1 = E0 – Uкэ1 – Uэ1 = -24 + 9,7 = -14,3 в.
Uб1 = -Uбэ1 - Uэ1 + Е0 = 0,7 + 6,7 – 24 = -16,6 в.

Зная все токи и напряжения, найдем значения сопротивлений резисторов:
Rк1 = Uk1/Ik1 = 14,3/14 = 1021,25 Ом.
Rэ1 = Uэ1/Iэ1 = 6,7/14 =478,6 Ом.
Rэ2 = Uэ2/Iэ2 = 9/14 = 562,5 Ом.

Изобразим схему, показав все напряжения и токи:

Зная все номинальные значения резисторов, приведем их к паспортным данным по ГОСТу, и изобразим их в виде таблицы вместе с токами и напряжениями. И далее по расчетной части будем использовать только резисторы по ГОСТу.
Данные по ГОСТу следует брать по следующим критериям:

RЭ ГОСТ = RЭ ( 5%(RЭ;
RГОСТ = R ( 10%(R;

Номинальные значения сопротивлений резисторов и сопротивлений конденсаторов, выпускаемых в РФ и за рубежом, стандартизированы в соответствии с МЭК и СЭВ.
Они выбираются из определенных рядов чисел. В РФ из установленных согласно стандарту СЭВ 1076-78 и ГОСТ 10318-74 чаще всего используются ряды Е 6, Е
12, Е 24. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале. Приведенные в рядах числа могут быть продолжены путем умножения или деления этих чисел на 10n, где n – целое число.

Таблица №П.3.2.
|Резистор |Единицы |Номинальное |ГОСТ |Номинальная |По ГОСТу |
| |измерения |значение | |мощность, Вт | |
|Rk1 |Ом |1021,429 |10318-74 |0,125 |1000 |
|RЭ1 |Ом |478,5714 |10318-74 |0,125 |470 |
|RЭ2 |Ом |562,5 |10318-74 |0,125 |540 |

Максимальная мощность, которая может выделится на резисторе, выбирается исходя из условий технического задания и мощности сигнала в коллекторной цепи выходного транзистора, так как мощность выделяемая и рассеваемая в виде тепловой энергии на транзисторе никак не может быть больше мощности сигнала в коллекторной цепи. Целесообразно выбрать максимально возможную мощность, выделяемую на резисторе, как можно меньше, потому как, чем больше она, тем больше габариты.

Расчет коэффициента усиления и параметров АЧХ.

Целью расчета является определение коэффициента усиления усилителя без ОС
(рис. 2.2) для области средних частот К, а так же частот полюсов передаточной функции К – цепи.
Для расчетов необходимо К – цепь разбить на каскады, каждый на которых включает один усилительный элемент и межкаскадные цепи. В рабочем диапазоне частот удобно каскадом усиления (S) считать цепь по рис. 4.1. Для такой цепи коэффициент усиления по напряжению на средних частотах:

[pic] (4.1).

Здесь для каскада предварительного усиления:

[pic] (4.2) .

Для выходного каскада RHS ( RHN ( RH (2.13).

Производим расчеты:

h11 = 95,57143 Ом. для первого транзистора. Рассчитывается по формуле:
[pic] ;
[pic] для второго транзистора.

[pic]ОМ;

Определим коэффициент усиления каждого каскада по формуле (4.1):

[pic] таким образом, получаем оставшийся коэффициент:
[pic].
Теперь необходимо найти общий коэффициент усиления К – цепи, который определяется произведением всех коэффициентов усиления каскадов по следующей формуле:

[pic]; (4.3).

Зная общий коэффициент усиления К – цепи, найдем запас по усилению по следующей формуле:

aн =K(1+R1/Rвх F)/[KFF(1 + R1/Rвх)]; (4.4).

Где Rвх = h11,1/n`2 = 95,57143/( 0,91)2 = 114,6857. Таким образом, получаем запас по усилению: ан = 7291,4((1 + 150/150)/[60(50(1+150/114,7)] ( 2,1.

Страницы: 1, 2

В соцсетях