Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО БЛОКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛОКАТОРА Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Схемотехника и АЭУ Студент гр. 148-3 __________Воронцов С. А. 24. 04. 2001 Руководитель Доцент кафедры РЗИ _____________Титов А. А. _____________ 2001 Реферат Курсовой проект 18 с. , 11 рис. , 1 табл.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, КОМБИНИРОВАННЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. Объектом проектирования является проектирование усилителя приёмного блока широкополосного локатора. 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 широкополосный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилитель может быть использован как усилитель высокой частоты в приёмных устройствах.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7. 0. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства” студент гр. 148-3 Воронцов С. А.
Тема проекта: Усилитель приёмного блока широкополосного локатора. Исходные данные для проектирования аналогового устройства. 1. Диапазон частот от 100 МГц до 400 МГц. 2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB. 3. Коэффициент усиления 15 dB. 4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом. 5. Амплитуда напряжения на выходе 1 В. 6. Характер и величина нагрузки 50 Ом. 7. Условия эксплуатации (+10 +50)єС.
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 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора ------------- 9 2. 2. 2. 1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто -------------------------- 9 2. 2. 2. 2 Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9 2. 2. 3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации --------------------------10 2. 2. 3. 1 Эмитерная термостабилизация -------------------------------------- 10 2. 2. 3. 2 Пассивная коллекторная ---------------------------------------------- 11 2. 2. 3. 3 Активная коллекторная ----------------------------------------------- 12 3 Расчёт входного каскада по постоянному току ------------------------ 13 3. 1 Выбор рабочей точки ------------------------------------------------------ 13 3. 2 Выбор транзистора --------------------------------------------------------- 13 3. 3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора------------------------------- 14 3. 3. 1 Расчёт цепи термостабилизации-----------------------------------------14 4. 1 Расчёт полосы пропускания выходного каскада-----------------------15 4. 2. Расчёт полосы пропускания входного каскада------------------------ 17 5 Расчёт ёмкостей и дросселей ---------------------------------------------18 6 Заключение --------------------------------------------------------------------20 7 Список использованных источников---------------------------------------- 21 1 Введение
Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта широкополосного усилителя по заданным к нему требованиям. Всё более широкие сферы деятельности человека не могут обойтись без радиолокации. Следовательно, к устройствам радиолокации предъявляются всё более жёсткие требования. В первую очередь это хорошее согласование по входу и выходу, хорошая повторяемость характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки, миниатюризация. Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители с отрицательными комбинированными обратными связями [1], что достигается благодаря совместному использованию последовательной местной и параллельной обратной связи по напряжению 2 Основная часть 2. 1 Анализ исходных данных
Исходя из условий технического задания, наиболее оптимальным вариантом решения моей задачи будет применение комбинированной обратной связи. [2] Вследствие того, что у нас будут комбинированные обратные связи, которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/2 выходного напряжения, то возьмём Uвых в 2 раза больше заданного, т. е. 2В. 2. 2 Расчёт оконечного каскада 2. 2. 1 Расчёт рабочей точки
Возьмём Uвых в 2 раза больше чем заданное, так как часть выходной мощности теряется на ООС. [2] Uвых=2Uвых(заданного)=2 (В) Расчитаем выходной ток: Iвых===0, 04 (А)
Расчитаем каскады с резистором и индуктивностью в цепи коллектора: Расчёт резистивного каскада при условии Rн=Rк=50 (Ом) рис(2. 2. 1. 1).
Рисунок 2. 2. 1. 1- Резистивный каскад Рисунок 2. 2. 1. 2- Нагрузочные прямые. по переменному току.
Расчитаем выходной ток для каскада с резистором в цепи коллектора: Iвых~===0, 08 (А) Расчитаем ток и напряжение в рабочей точке:
Uкэ0=Uвых+Uост, Uост примем равным 2В. (2. 2. 1) Iк0=Iвых~+0, 1Iвых~ (2. 2. 2) Uкэ0=3 (В) Iк0=0, 088 (А) Расчитаем выходную мощность: Pвых===0, 04 (Вт) Напряжение питания тогда будет: Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0ЧRк=7, 4 (В) Найдём потребляемую и рассеиваемую мощность: Pрасс=Uкэ0ЧIк0=0, 264 (Вт) Рпотр= EпЧIк0=0, 651(Вт)
Для того чтобы больше мощности шло в нагрузку, в цепь коллектора включаем дроссель. [2] Расчёт каскада при условии что в цепь коллектора включен Lк рис(2. 2. 1. 3). Рисунок 2. 2. 1. 3- Индуктивный каскад Рисунок 2. 2. 1. 4- Нагрузочные прямые. по переменному току.
Расчитаем выходной ток для каскада с индуктивностью в цепи коллектора: Iвых= ==0, 04 (А) По формулам (2. 2. 1) и (2. 2. 2) расчитаем рабочую точку. Uкэ0=3 (В) Iк0=0, 044 (А)
Найдём напряжение питания, выходную, потребляемую и рассеиваемую мощность: Pвых===0, 04 (Вт) Eп=Uкэ0=3 (В) Рк расс=Uкэ0ЧIк0=0, 132 (Вт) Рпотр= EпЧIк0=0, 132 (Вт) Еп, (В) Ррасс, (Вт) Рпотр, (Вт) Iк0, (А) С Rк 7, 4 0, 264 0, 651 0, 088 С Lк 3 0, 132 0, 132 0, 044
Таблица 2. 2. 1. 1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи Из энергетического расчёта усилителя видно, что целесообразнее использовать каскад с индуктивностью в цепи коллектора. Выбор транзистора осуществляется с учётом следующих предельных параметров: граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ; предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер ; предельно допустимого тока коллектора ; предельной мощности, рассеиваемой на коллекторе .
Этим требованиям полностью соответствует транзистор КТ996А. Его основные технические характеристики приведены ниже. Электрические параметры:
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц; Постоянная времени цепи обратной связи пс; Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ; Ёмкость коллекторного перехода при В пФ; Индуктивность вывода базы нГн; Индуктивность вывода эмиттера нГн. Предельные эксплуатационные данные: Постоянное напряжение коллектор-эмиттер В; Постоянный ток коллектора мА; 3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт; 2. 2. 2 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора. 2. 2. 2. 1Расчёт параметров схемы Джиаколетто. Рисунок 2. 2. 2. 1. 1- Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто). Найдём параметры всех элементов схемы: [2]
Пересчитаем ёмкость коллектора из паспортной: Ск(треб)=Ск(пасп)*=1, 6Ч=2, 92 (пФ) Найдём gб=, причём rб= : rб= =2, 875 (Ом); gб==0, 347 (Cм);
Для нахождения rэ воспользуемся формулой rэ=, где Iк0 в мА: rэ= =1, 043 (Ом); Найдём оставшиеся элементы схемы gбэ==0, 017, где Я0=55 по справочнику; Cэ==30, 5 (пФ), где fТ=5000Мгц по справочнику;
Ri= =100 (Ом), gi=0. 01(См), где Uкэ(доп)=20В Iко(доп)=200мА. 2. 2. 2. 2Расчёт однонаправленной модели транзистора. Данная модель применяется в области высоких частот. Рисунок 2. 2. 2. 2. 1- Однонаправленная модель транзистора.
Параметры эквивалентной схемы расчитываются по приведённым ниже формулам. [2] Входная индуктивность: , (2. 2. 2. 1) где –индуктивности выводов базы и эмиттера. Входное сопротивление: , (2. 2. 2. 2) где , причём , и – справочные данные. Выходное сопротивление: . (2. 2. 2. 3) Выходная ёмкость:
. (2. 2. 2. 4) В соответствие с этими формулами получаем следующие значения элементов эквивалентной схемы: Lвх= Lб+Lэ=1+0, 183=1, 183 (нГн); Rвх=rб=2, 875 (Ом); Rвых=Ri=100 (Ом); Свых=Ск(треб)=2, 92 (пФ); fmax=fт=5 (ГГц) 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. [1] Рисунок 2. 2. 3. 1. 1- Каскад с эмитерной термостабилизацией. Рассчитаем параметры элементов данной схемы. Uэ=4 (В); Eп=Uкэ0+Uэ=7 (В); Rэ= ==90, 91 (Ом); Rб1=, Iд=10ЧIб, Iб=, Iд=10Ч =10Ч=0, 008 (А); Rб1==264, 1 (Ом); Rб2= =534, 1 (Ом).
Наряду с эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторная термостабилизации. [1] 2. 2. 3. 2Пассивная коллекторная термостабилизация:
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[1].
Рисунок 2. 2. 3. 2. 1- Схема пассивной коллекторной термостабилизации Rк==159. 1(Ом); URк=7 (В); Eп=Uкэ0+URк=10 (В); Iб==0. 0008(А); Rб= =2875 (Ом). 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 см. рис. (2. 2. 3. 3. 1). [1] b2=100; Rк===22, 73 (Ом); Eп=Uкэ0+UR=4 (В); Iд2=10ЧIб2=10Ч=0. 00008 (A); R3==28, 75 (кОм); R1==21, 25 (кОм); R2==4. 75 (кОм).
Рисунок 2. 2. 3. 3. 1- Активная коллекторная термостабилизация.
Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную. 3 Расчёт входного каскада по постоянному току 3. 1 Выбор рабочей точки
При расчёте требуемого режима транзистора промежуточных и входного каскадов по постоянному току следует ориентироваться на соотношения, приведённые в пункте 2. 2. 1 с учётом того, что заменяется на входное сопротивление последующего каскада. Но, при малосигнальном режиме, за основу можно брать типовой режим транзистора (обычно для маломощных ВЧ и СВЧ транзисторов мА и В). Поэтому координаты рабочей точки выберем следующие мА, В. Мощность, рассеиваемая на коллекторе мВт. 3. 2 Выбор транзистора
Выбор транзистора осуществляется в соответствии с требованиями, приведенными в пункте 2. 2. 1. Этим требованиям отвечает транзистор КТ3115А-2. Его основные технические характеристики приведены ниже. Электрические параметры:
граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ГГц; Постоянная времени цепи обратной связи пс; Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ; Ёмкость коллекторного перехода при В пФ; Индуктивность вывода базы нГн; Индуктивность вывода эмиттера нГн. Ёмкость эмиттерного перехода пФ; Предельные эксплуатационные данные: Постоянное напряжение коллектор-эмиттер В; Постоянный ток коллектора мА; Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт; 3. 3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора
Эквивалентная схема имеет тот же вид, что и схема представленная на рисунке 2. 2. 2. 2. 1 Расчёт её элементов производится по формулам, приведённым в пункте 2. 2. 2. 1 нГн; пФ; Ом Ом; Ом; пФ. 3. 3 Расчёт цепи термостабилизации
Для входного каскада также выбрана эмиттерная термостабилизация, схема которой приведена на рисунке 3. 3. 1. Рисунок 3. 3. 1
Метод расчёта схемы идентичен приведённому в пункте 2. 2. 3. 1 с той лишь особенностью что присутствует, как видно из рисунка, сопротивление в цепи коллектора . Эта схема термостабильна при В и мА. Напряжение питания рассчитывается по формуле В. Расчитывая элементы получим: Ом; кОм; кОм; 4. 1 Расчет полосы пропускания выходного каскада
Поскольку мы будем использовать комбинированные обратные [1], то все соответствующие элементы схемы будут одинаковы, т. е. по сути дела расчёт всего усилителя сводится к расчёту одного каскада. Рисунок 2. 3. 1 - Схема каскада с комбинированной ООС Достоинством схемы является то, что при условиях и (4. 1. 1)
схема оказывается согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1, 3 в диапазоне частот, где выполняется условие і0, 7. Поэтому практически отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании [6]. При выполнении условия (1. 53), коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением: , (4. 1. 2) где ; (4. 1. 3) ; .
Из (2. 3. 1), (2. 3. 3) не трудно получить, что при заданном значении . (4. 1. 4) При заданном значении , каскада равна: , (4. 1. 5) где .
Нагружающие ООС уменьшают максимальную амплитуду выходного сигнала каскада, в котором они используются на величину .
При выборе и из (4. 1. 3), ощущаемое сопротивление нагрузки транзистора каскада с комбинированной ООС равно . Расчёт Kо:
Для реализации усилителя используем четыре каскада. В этом случае коэффициент усиления на один каскад будет составлять: Ко==4. 5дБ или 1. 6 раза (Ом); Rэ= (Ом); ; ;
Общий уровень частотных искажений равен 3 дБ, то Yв для одного каскада примем равным: ; ; Подставляя все данные в (4. 1. 5) находим fв:
Рисунок 4. 1. 1- Усилитель приёмного блока широкополосного локатора на четырёх каскадах. 4. 2. Расчёт полосы пропускания входного каскада
Все расчёты ведутся таким же образом, как и в пункте 4. 1 с той лишь разницей что берутся данные для транзистора КТ3115А-2. Этот транзистор является маломощным, тем самым, применив его в первых трёх каскадах, где уровень выходного сигнала небольшой, мы добьемся меньших потерь мощности. (Ом); Rэ= (Ом); ; ;
Так каr в усилителе 4 каскада и общий уровень частотных искажений равен 3 дБ, то Yв для одного каскада примем равным: ; ; Подставляя все данные в (4. 1. 5) находим fв: , Все требования к усилителю выполнены 5 Расчёт ёмкостей и дросселей. Проводимый ниже расчёт основан на [2]. (нФ); (мкГн);
На нижних частотах неравномерность АЧХ обусловлена ёмкостями Ср и Сэ, поэтому пусть 1, 5 dB вносят Ср и столько же Сэ. , где (5. 1) R1 и R2 сопротивления соответственно слева и справа от Ср Yн допустимые искажения вносимые одной ёмкостью. (dB), (раз), для Ср1 и (раз), для Сэ.
R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср1 (межкаскадной), R1=Rг=Rвых(3-го каскада)=50 (Ом), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср2, , , , , (Ом), По формуле (2. 4. 1) рассчитаем Ср. (пФ), (пФ), , , (нс), (нФ). РТФ КП 468730. 001. ПЗ усилитель приёмного Лит Масса Масштаб Изм Лист Nдокум. Подп. Дата блока широкополосного Выполнил Воронцов локатора Проверил Титов Лист Листов ТУСУР РТФ Принципиальная Кафедра РЗИ схема гр. 148-3 С1, С13 КД-2-60 пФ±10% 2 Позиция Обозн. Наименование Кол Примечание Конденсаторы ОЖ0. 460. 203 ТУ С2, С5, С8, С11 КД-2-1200 пФ±10% 4 С3, С6 С9, С12 КД-2-0. 3 нФ±10 4 С4, С7, С10 КД-2-33 пФ±10% 3 Катушки индуктивности L1 Индуктивность 8 мкГн±10% 1 Резисторы ГОСТ 7113-77 R19 МЛТ–0, 125-264 Ом±10% 1 R20 МЛТ–0, 125-535 Ом±10% 1 R4, R10 R16, R21 МЛТ–0, 5-18 Ом±10% 4 R22 МЛТ–0, 5-73 Ом±10% 1 R6, R12, R18, R23 МЛТ–0, 25-142 Ом±10% 4 R1, R7, R13 МЛТ–0, 125-2200 Ом±10% 3 R2, R8, R14 МЛТ–0, 125-1700 Ом±10% 3 R5, R11, R17 МЛТ–0, 125-880 Ом±10% 3 Транзисторы VT3 КТ996А 1 VT1, VT2 VT3 КТ3115А-2 3 РТФ КП 468730. 001 ПЗ Лит Масса Масштаб Из Лист Nдокум. Подп. Дата УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО БЛОКА Выполнил Воронцов Проверил Титов ШИРОКОПОЛОСТНОГО ЛОКАТОРА Лист Листов ТУСУР РТФ Перечень элементов Кафедра РЗИ гр. 148-3 3 Заключение
В данном курсовом проекте разработан усилитель приёмного блока широкополосного локатора с использованием транзисторов КТ996А и комбинированных обратных связей, имеет следующие технические характеристики: полоса рабочих частот (100-1000) МГц; коэффициент усиления 15 дБ; неравномерность амплитудно-частотной характеристики + 1, 5 дБ; максимальное значение выходного напряжения 2 В; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом; напряжение питания 7 В. Список использованных источников
1 Мамонкин И. Г. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. – М. : Связь, 1977. 2 Титов А. А. Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на биполярных транзисторах – http: //referat. ru/download/ref-2764. zip 3 Горбань Б. Г. Широкополосные усилители на транзисторах. – М. : Энергия, 1975. -248с.
4 Проектирование радиопередающих устройств. / Под ред. О. В. Алексеева. – М. : Радио и связь, 1987. - 392с. 5 Зайцев А. А. ,Миркин А. И. , Мокряков В. В. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большей мощности: Cправочник-3-е изд. –М. : КубК-а, 1995. -640с. : ил.