Расчет широкополосного усилителя

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА 

 

По дисциплине «Аналого-дискретная схематехника»

 

Тема: «Расчет широкополосного усилителя»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 3 курса

Руководитель:

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013г.

 

 

 

 

 

 

СОДЕЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………	3
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ……………………………	4
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ШУ……………..	5
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАСКАДОВ………...	8
ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………	15
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………	16

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Усилители электрических сигналов применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры. Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания.

Таким образом, усилительные элементы обладают управляющими свойствами. Устройство, рассматриваемое в этой курсовой работе, может широко применяться на практике. Оно имеет немалое научное и техническое значение благодаря своей универсальности и широкой области применения.

Широкополосными усилителями называют усилители, полоса пропускания которых близка к предельно возможной, обычно от нуля или нескольких герц до нескольких мегагерц (десятков, сотен мегагерц). Такие усилители применяются для усиления синусоидальных сигналов и для усиления импульсов.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Широкополосный усилитель

Uвыхмакс=4 В 

Rн=50Ом; 

Кг=0,8%;

fв=4МГц; fн=70 Гц;

К.Ч.И:  Мн=2;Мв=2,5;

Ес макс=35 мВ; 

Rс=1 кОм; 

Т= -10…+400С

 

Кг- коэффициент гармоник

Мн, Мв- коэффициенты частотных искажений на нижних и верхних частотах

Е- сопротивление источника сигнала

Т- диапазон рабочей температуры

 

 

Исполнение: биполярные транзисторы.

 

 

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ШУ

ШУ являются устройствами, усиливающие сигнал в широком диапазоне частот от 100 Гц до 3,5 МГц (согласно заданию). Основным требованием, предъявляемым к ШУ является равномерность усиления сигнала в заданном частотном диапазоне.

Для начала определим состав структурной схемы ШУ. Обязательными элементами схемы является: входной каскад, выходной каскад и промежуточный каскад, число промежуточных каскадов зависит от требуемого усиления всего ШУ.

Для расчета ШУ необходимо разделить усиление между каскадами, определить количество каскадов, а также схему включения усилительных приборов и их тип.

Общий коэффициент усиления:

необходимо отметить, что входным напряжением является максимальное значение напряжения источника сигнала Ec. Тогда коэффициент усиления ШУ, согласно заданию на проектирование:

;  дБ.

 

Первый (входной) каскад усилителя в первую очередь предназначен для согласования источника сигнала и усилителя с целью максимальной передачи мощности усилителю, поэтому входное сопротивление первого каскада должно быть согласовано с выходным сопротивлением источника сигнала. Коэффициент передачи (усиления) отвечает соотношению:

,    дБ. 

где Rc – сопротивление источника сигнала (по условию Rc=1 кОм). Схемы включения усилительных приборов с общим эмиттером имеют Rвх=(300…500) Ом, а схемы с общим коллектором Rвх=(5…10) кОм. Предпочтительнее выглядит схема с общим коллектором в связи с большим значением входного сопротивления, т. к. повышение входного сопротивления приводит к уменьшению потерь при передаче энергии между каскадами.

 

Для осуществления предварительных расчетов выберем значение входного сопротивления Rвх=10 кОм. Тогда коэффициент передачи входного каскада построенного по схеме с общим коллектором:

;   дБ.

 

Выходной каскад усилителя предназначен для передачи усиленного сигнала в ШУ нагрузке с минимальными потерями, поэтому для него справедливы утверждения применяемые к входному каскаду. А каскады с общим коллектором имеют коэффициент передачи:

Тогда общий коэффициент усиления ШУ складывается из коэффициентов усиления: входного, выходного и промежуточного каскадов:

дБ.

 

Тогда общий коэффициент усиления УНЧ складывается из коэффициентов усиления: входного, выходного и промежуточного каскадов:

;

;     дБ.

Обеспечить такой коэффициент усиления, используя один каскад усиления невозможно, поэтому необходимо использовать несколько промежуточных каскадов. Наибольший коэффициент усиления по напряжению имеет предварительный трансформаторный каскад с общим эмиттером (30…40) дБ, однако при применении в составе схемы индуктивностей возникают сложности при их изготовлении (малый частотный диапазон, большие размеры и высокая стоимость). Следующий по усилительным свойствам является предварительный резисторный каскад с общим эмиттером (20…30) дБ. Выбираем в качестве промежуточного каскада резисторный каскад с общим эмиттером. В качестве усилительных приборов во всех каскадах используем биполярные транзисторы (указаны а задании на проектирование, обладают более высокими усилительными способностями и т.д.).

 

Число каскадов промежуточного усиления исходя из полученного общего коэффициента усиления:

.

Для обеспечения требуемого коэффициента усиления необходимо использовать три промежуточных каскадов.

Структурная схема ШУ включает: источник сигнала, обладающий внутренним сопротивлением Rc; входной и выходной каскады; три промежуточных каскада рис.1.

 

Рис.1. Структурная схема ШУ.

 

 

 

 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ КАСКАДОВ

Расчет выходного каскада

 

Выходной каскад является усилителем мощности и потребляет основную часть энергии источника питания. Схема представляет собой соединение двух эмиттерных повторителей (рис.2.), работающих на общую нагрузку. Положение рабочей точки обеспечивается делителем R1VD1 R2. Сопротивление диода создает необходимое напряжение по постоянному току между базами транзисторов, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. При построении таких каскадов используют два транзистора с близкими по величине параметрами. Расчет удобно производить графоаналитическим методом для одного плеча усиления.

Рис.2. Схема выходного каскада.

 

Транзисторы выбираются по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока :

Вт. 

Вт.

Вт.

 

 А.

Из транзисторов, удовлетворяющих условию, необходимо выбрать комплементарную пару с близкими по значению параметрами и идентичными характеристиками.

Выбираем транзисторы КТ502А и КТ503А, причем первый проводимости n-p-n, а второй p-n-p.

Выбираем напряжение источника питания , оно должно удовлетворять условию :

 

Расчет промежуточных каскадов

 

Промежуточные каскады выполним одинаковыми, поэтому потребуется расчет лишь одного из двух промежуточных каскадов. Ввиду того, что в этом каскаде ожидается основное усиление, то схему включения усилительного элемента выберем с общим эмиттером.

Рис.3. Схема промежуточного каскада.

 

Транзистор выбираем также как и в предыдущем каскаде. Нагрузкой для этого каскада является выходной каскад.

Расчет транзистора промежуточного каскада аналогичен расчету транзистора выходного каскада. Выбираем транзистор КТ502А (p-n-p), так как Рвых.пр. и Iвых.пр. попадают в рабочий диапазон транзистора. Такой выбор позволяет сократить номенклатуру деталей.

Eп=1,5 Uвых пр=1,5 5,714=8,571

Из ряда стандартных значений питающего напряжения выбираем

Eп=12

 

Определим  номиналы резисторов.

Для этого требуются данные из справочника:

Определим спад АЧХ:

- характеризует  искривлённость АЧХ.

  -  частота транзистора;

 

Снизить величину g можно путем включения в эмиттерную цепь незашунтированного емкостью резистора Rf. Этот резистор создает в каскаде дополнительную обратную связь в результате чего частотные свойства улучшаются. Выберем gf =0,08 (значение, к которому необходимо стремиться), тогда глубина обратной связи:

   -коэффициент глубины ОС;

Чем выше коэффициент глубины, тем выше сопротивление:

- сопротивление  в коллекторной цепи;

Найдем сопротивление в коллекторной цепи схемы:

- выходная  емкость транзистора;

- емкость  следующего каскада;

- емкость  монтажа;

 

По выходной характеристике строим нагрузочную прямую, и определяем по ней значения тока базы, тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер:

Для этого понадобится две точки

Находим значение тока и напряжения исходной рабочей точки (Т):

Найдем ток эмиттера:

По входной характеристике определяем  значение напряжения база-эмиттер:

Из формулы выразим :

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Входные и выходные характеристики

транзистора промежуточного каскада.

 

Расчет источника питания

 

Рис.5. Источник питания.

 

В состав схемы источника питания входит: трансформатор, диодный мост, конденсатор, стабилитрон.

Трансформатор предназначен для получения переменного напряжения заданной амплитуды и частоты из постоянного. Диодный выпрямитель из переменного напряжения формирует пульсирующее, а сглаживающий фильтр получает напряжение близкое к постоянному, пульсации которого определяются величиной С2. Стабилитрон необходим для того, чтобы при скачках тока он стабилизировал и формировал постоянное напряжение.

Напряжение стабилизации выберем больше на 20%, чтобы был запас на потери.

n- число всех каскадов, включая входной и выходной

Выбираем диод, который обеспечит заданный ток и напряжение- ГД113А.

Стабилитрон выбираем исходя из напряжения :

КС215Ж

 

 

Приложение 1

 

Поз. обозна- чение	Наименование	Кол.	Примечание
R1,R2,R5 R3 ,R4 R6, R7	Резисторы 300 Ом 180 Ом 480 Ом	4 4 4
С1	Конденсаторы 0,01 мФ	1
VD	Диоды ГД113А КС215Ж	1 1
VT1 VT2	Транзисторы КТ502А КТ503А	4 1