Усилитель кабельных систем связи

Министерство образования Российской Федерации

 

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

 

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

 

 

 

 

 

 

 

УСИЛИТЕЛЬ КАБЕЛЬНЫХ 

СИСТЕМ СВЯЗИ

 

 

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

Схемотехника и АЭУ

 

 

 

 

 

                                                                                   Студент гр. 148-3         

__________Булдыгин А.Н.

                                                                        24.04.2001

                                                                             Руководитель

                                                                                         Доцент кафедры РЗИ

_____________Титов А.А.

                                                                                  _____________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2001

Реферат

 

Курсовой проект 19 с., 11 рис., 1 табл.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.

Объектом проектирования является усилитель кабельных систем связи.

Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта  усилителя по заданным к нему требованиям.

В процессе работы производился аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.

В результате расчета был разработан магистральный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилитель может быть использован для компенсации потерь мощности, устанавливаемый между многокилометровыми отрезками кабелей.

Курсовая работа выполнена в  текстовом редакторе Microsoft Word 7.0.

Рисунки выполнены в графическом редакторе Actrix Technical.

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства”

студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н.

Тема проекта: Усилитель кабельных систем связи.

Исходные данные для проектирования аналогового устройства.

1. Диапазон частот от 40 МГц до 230 МГц.

2. Допустимые частотные искажения  Мн 3 dB, МВ 3 dB.

3. Коэффициент усиления 30 dB.

4. Сопротивление источника сигнала  50 Ом.

5. Амплитуда напряжения на выходе 2 В.

6. Характер и величина нагрузки 50 Ом.

7. Условия эксплуатации (+10  +60)ºС.

8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу.

 

Содержание

 

1 Введение  ------------------------------------------ -----------------------------  5

2 Основная часть  ----------------------------------------------------------------  6

2.1 Анализ исходных  данных -------------------------------------------------- 6

2.2 Расчёт оконечного  каскада  -----------------------------------------------  6

2.2.1 Расчёт рабочей  точки ----------------------------------------------------  6

2.2.2 Выбор транзистора и расчёт  эквивалентных схем замещения---- 8

2.2.2.1 Расчёт параметров схемы  Джиаколетто    -------------------------- 8

2.2.2.2 Расчёт однонаправленной  модели транзистора  ------------------  9

2.2.3 Расчёт и выбор  схемы термостабилизации  -------------------------- 9

2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация  --------------------------------------  9

2.2.3.2 Пассивная коллекторная  ---------------------------------------------- 11

2.2.3.3 Активная коллекторная  ----------------------------------------------- 11

2.3 Расчёт усилителя  -----------------------------------------------------------  12

2.4 Расчёт ёмкостей  и дросселей  --------------------------------------------- 15

Схема электрическая принципиальная  -------------------------------------  16

Спецификация  -------------------------------------------------------------------  17

3 Заключение   --------------------------------------------------------------------  18

4 Список используемой литературы -----------------------------------------  19

 

 

1 Введение

 

Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта  магистрального усилителя по заданным к нему требованиям.

Кабельные системы связи являются одной из важных составляющих глобальных и локальных мировых систем телекоммуникаций. Для компенсации потерь мощности сигнала, в таких системах, используются широкополосные усилители, устанавливаемые между многокилометровыми отрезками кабелей.

Указанные усилители  относятся к необслуживаемым устройствам и должны обладать следующими достоинствами: хорошее согласование по входу и выходу, исключающее возможность переотражения сигналов в кабельных сетях; неизменность параметров усилителя во времени, в диапазоне температур, и при старении активных элементов схемы; хорошая повторяемость характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки;

Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители с  отрицательными перекрестными обратными связями [1], что достигается благодаря совместному использованию последовательной местной и общей параллельной обратной связи по току в промежуточных каскадах и параллельной обратной связи по напряжению в выходном каскаде.

 

 

2 Основная часть

 

2.1 Анализ исходных  данных

 

Средне статистический транзистор даёт усиление в 20 dB, по заданию у нас 30 dB, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум 2 каскада. Реализуем усилитель на 2-х активных элементах. Уровень допустимых искажений АЧХ, по заданию, 3 dB, тогда на каждый каскад приходится по 1,5 dB.

Вследствие того, что у нас  будут перекрёстные обратные связи  рис.(2.3.1), которые нам дадут хорошее  согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/3 выходного напряжения, то возьмём Uвых в 1,5 раза больше заданного, т.е. 3В.

 

2.2 Расчёт оконечного каскада

 

2.2.1 Расчёт рабочей точки

 

По заданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор  эмитер и ток коллектора (рабочую  точку) [2].

Uвых=1,5Uвых(заданного)=3 (В)

Iвых= = =0,06 (А)

Рассмотрим два варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя [2]: первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад.

Реостатный каскад:

Rк=50 (Ом), Rн=50 (Ом), Rн~=25 (Ом) рис(2.2.1.1).

 

Рисунок 2.2.1.1-Схема реостатного             Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные прямые.

каскада по переменному току.

 

Iвых= = =0,12 (А)

Uкэ0=Uвых+Uост, где                                                                                                                                     (2.2.1)

Uкэ0-напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмитер. Uвых-напряжение на выходе усилителя.

Uост-остаточное напряжение на транзисторе.

Iк0=Iвых+0,1Iвых, где                                                                                                         (2.2.2)

Iк0-постоянная составляющая тока коллектора.

Iвых-ток на выходе усилителя.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,132 (А)

Выходная мощность усилителя  равна:

Pвых= = =0,09 (Вт)

Напряжение источника  питания равно:

Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0×Rк=11,6 (В)

Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Pрасс=Uкэ0×Iк0=0,66 (Вт)

Мощность потребляемая от источника  питания:

Рпотр= Eп×Iк0=1,5312 (Вт)

Iвых= = =0,06 (А)

Дроссельный каскад рис(2.2.1.3).

Рисунок 2.2.1.3-Схема дроссельного             Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые.

каскада по переменному  току.

 

По формулам (2.2.1) и (2.2.2) рассчитаем рабочую точку.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,066 (А)

Pвых= = =0,09 (Вт)

Eп=Uкэ0=5 (В)

Рк расс=Uкэ0×Iк0=0,33 (Вт)

Рпотр= Eп×Iк0=0,33 (Вт)

 

Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.

	Еп,(В)	Ррасс,(Вт)	Рпотр,(Вт)	Iк0,(А)
С Rк	11,6	0,66	1,5312	0,132
С Lк	5	0,33	0,33	0,066

 

Из рассмотренных вариантов  схем питания усилителя видно, что  целесообразнее использовать дроссельный каскад.

 

2.2.2 Выбор транзистора и расчёт  эквивалентных схем замещения.

 

На основании следующих  неравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2; Рк расс> Рк расс(доп)*1,2; fт>(3¸10)*fв>2300 МГц выберем транзистор, которым будет являться 2Т996А [5]. Его параметры необходимые при расчете приведены ниже:

tс=4,6 пс- постоянная цепи обратной связи,

Ск=1,6 пФ- ёмкость коллектора при Uкэ=10 В,

b0=55- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером,

Uкэ0(доп)=20 В, Iк0(доп)=200 мА- соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора,

Рк расс(доп)=2,5 Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт=5000 МГц- значение граничной частоты транзистора при которой =1,

Lб=1 нГн, Lэ=0,183 нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно.

.

 

2.2.2.1Расчёт параметров схемы  Джиаколетто.

 Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная  схема биполярного 

                                 транзистора (схема Джиаколетто).

 

Расчёт основан на [2].

Ск(треб)=Ск(пасп)* =1,6× =2,26 (пФ), где

Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0,

Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп).

rб= =2,875 (Ом); gб= =0,347 (Cм), где

rб-сопротивление базы,

-справочное значение постоянной  цепи обратной связи.

rэ= = =0,763 (Ом), где

Iк0 в мА,

rэ-сопротивление эмитера.

gбэ= = =0,023, где

gбэ-проводимость база-эмитер,

-справочное значение статического  коэффициента передачи тока в  схеме с общим эмитером.

Cэ= = =41,7 (пФ), где

Cэ-ёмкость эмитера,

fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1

Ri= =100 (Ом), где

Ri-выходное сопротивление транзистора,

Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.

gi=0.01(См).

 

2.2.2.2Расчёт однонаправленной модели  транзистора.

 

Данная модель применяется в области  высоких частот [4].

 

Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора.

 

Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183 (нГн), где

Lб,Lэ-справочные значения индуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно,

Lвх-индуктивность входа транзистора.

Rвх=rб=2,875 (Ом), где

Rвх-входное сопротивление транзистора.

Rвых=Ri=100 (Ом), где

Rвых-выходное сопротивление транзистора.

Свых=Ск(треб)=2,26 (пФ), где

Свых-выходная ёмкость транзистора.

fmax=fт=5 (ГГц), где

fmax-граничная частота транзистора.

 

2.2.3 Расчёт и выбор  схемы термостабилизации.

 

2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация.

 

Эмитерная термостабилизация  широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 3В [3

Рисунок 2.2.3.1.1-Схема каскада  с эмитерной термостабилизацией.

 

Рассчитаем параметры  элементов данной схемы.

Возьмём напряжение на эмиттере равным Uэ=4 (В);

Eп=Uкэ0+Uэ=9 (В);

Сопротивление в цепи эмитера будет равно:

Rэ= = =66 (Ом);

Rб1= , Iд=10×Iб, Iб= , Iд=10× =10× =0,012 (А), где

Rб1-сопротивление базового делителя,

Iд-ток базового делителя,

Iб-ток базы.

Rб1= =416,7 (Ом);

Rб2= =391,6 (Ом).

Наряду с эмитерной  термостабилизацией используются пассивная  и активная коллекторная термостабилизации. 

 2.2.3.2 Пассивная коллекторная:

 

Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной  коллекторной термостабилизации.

 

С использованием [3].

Rк=50 (Ом);

URк=Iк0×Rк=3,3 (В), где

URк-падение напряжения на Rк.

Eп=Uкэ0+URк=8,3 (В);

Iд=0,012 (А);

Rб= =360 (Ом).

Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только в маломощных каскадах. Но в силу того, что мы будем применять перекрёстные обратные связи, данная схема нам не подходит.

 

2.2.3.3 Активная коллекторная термостабилизация.

 

Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что при незначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В [3] см. рис.(2.2.3.3.1).

Статический коэффициент  передачи по току второго транзистора b2=50;

Rк= = =15,15 (Ом);

Eп=Uкэ0+URк=5+1=6 (В);

Напряжение на базе второго транзистора  будет равно:

UБ2=Uкэ0-0,7=5-0,7=4,3 (В);

Ток коллектора второго транзистора будет равен:

Iк2=Iд1=0,012 (А);

Iд2=10×Iб2=10× = =0.0024 (A), где

Iд2,Iб2-токи базового делителя и базы второго транзистора соответственно.

R3= = =708,3 (Ом);

R1= = =1,792 (кОм);

Напряжение в рабочей точке  второго транзистора будет равно  ;

R2= = =1500 (Ом).

Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторная термостабилизация.