КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГОУСИЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА»
Екатеринбург2008
Введение
Широкополосныеусилители предназначены для усиления электрических сигналов, спектры которыхпростираются от нуля или нескольких герц до многих мегагерц. Они используются всовременной импульсной радиосвязи, многоканальной электрической связи,телевидения, измерительной технике и т.д.
Широкополосныеусилители применяются как для усиления гармонических сигналов с широкой полосойчастот, так и для усиления импульсных сигналов с крутым фронтом и диапазономдлительностей импульсов.
Однако методыисследования, расчета и проектирования широкополосных усилителей гармоническихсигналов и импульсных сигналов различны. Расчет широкополосных усилителейгармонических сигналов производится на основе спектральных, а импульсныхусилителей на основе временных представлений.
/>/>Доработка ТЗ
Согласно ТЗ рассчитываемкоэффициент усиления:
/>
Регулировка СП-40 дБ./>/>/> Выборструктурной схемы/>
Рис. 1. Структурная схемаширокополосного усилительного устройства
· Фазовращательныйкаскад представляет собой усилительный каскад в схеме включения с общимэмиттером и с общим коллектором c единичнымкоэффициентом усиления.
· Усилитель напряженияпредставляет собой усилительный каскад в схеме включения с общим эмиттером, он обеспечивает основное усиление входногосигнала по напряжению.
· Выходное устройствопредставляет собой два параллельно включенных усилительных каскада в схемевключения с общим коллектором (эмиттерный повторитель), на входе одного изкаскадов стоит инвертор. Повторитель служит для небольшого усиления сигнала потоку с выхода усилителя напряжения, а также для согласования усилителя снагрузкой.
/>/>Расчетнаячасть
Расчет элементов схемыпроизводился с помощью математического пакета Mathcad 2000 Professional.
В нашем случае, при выходномнапряжении Uвых эфф=8 В и сопротивлении нагрузки Rн = 106 Ом мощность рассеяния транзистора VT должна быть больше />. Для данной схемы выбираемтранзистор КТ325А (используется для усиления сигналов высокой частоты, Fт=800 МГц, Рдоп=225мВт).
Электрические параметры КТ325А:
1. Граничнаячастота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ:
2. />;
3. Статическийкоэффициент передачи тока в схеме с ОЭ: />;
4. Ёмкостьколлекторного перехода при Uкб=5 В, не более: />;
Предельные эксплуатационные данные:
1. Постоянноенапряжение коллектор-эмиттер: />;
2. Постояннаярассеиваемая мощность коллектора: /> мВт;
3. Температураp-n перехода:/>.
4. Максимальнаятемпература окружающей среды: />.
/>
Рис. 2. Физическая малосигнальная высокочастотнаяэквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)
широкополосныйусилитель импульсный гармонический
/> – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходедля переменной составляющей тока;
/> – коэффициент передачи по току прикоротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;
/> – выходная проводимость транзистора приразомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи);
/> – коэффициент обратной связи понапряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока.
Вычисление параметров схемы Джиаколетто:
• />= /> – барьерная емкостьколлекторного перехода;
• />=/> – выходное сопротивлениетранзистора;
• />=/> – сопротивлениеколлекторного перехода;
• /> – сопротивлениеэмиттерного перехода эмиттерному току;
• />=/> – сопротивлениеэмиттерного перехода базовому току;
• />=/> – распределенноесопротивление базы;
tОС – постоянная времени обратной связи транзистора;
ориентировочное значение rБ можно определить по формуле:
rБ @ Н12Б/ Н22Б;
• />=/> – диффузионная емкостьэмиттерного перехода;
• />=/> –собственная постоянная времени транзистора;
• />/> – крутизна транзистора;
Фазовращательный каскадпредставляет собой усилительный каскад с схеме включения как с общимколлектором так и с общим эмиттером, он обеспечивает расщепление фазы с единичным коэффициентом усиления.
Фазовращательный каскадпредставляет собой два каскада в схеме включения с общим эмиттером и в схемевключения с общим коллектором:
Смысл данной схемы заключаетсячто на выходе мы получаем два одинаковых сигнала, которые по фазе различаютсяна 180є.
/>
Рис. 3. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентомусиления
Для схемы включения с общимэмиттером коэффициент усиления равен:
/>, R0= Ri ||Rк||Rн=/>
Для схемы включения с общимколлектором коэффициент усиления равен:
/>, />
Найдем значение R0: →/>
/>
Подберем значения /> /> возьмем их равными />
Произведем расчет граничныхчастот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений иемкостей, входящих в каскад:
• Граничная частотаусилительного каскада в области нижних частот:
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 4,7 нФ
• Граничная частота входной цепи каскада вобласти нижних частот:
/>
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 8.2 мкФ
Граничная частота выходной цепи усилительногокаскада в области верхних частот:
/>
/>
/>
/> постоянная времени усилительного каскадав области верхних частот;
/>=/>
/>
/>
Постоянная времени входной цепи в области верхнихчастот:
/>
/>
/>
/>
/>=/>
/>
/>
Произведем расчетсопротивлений резисторов R1 и R2:
/>,
IД= (10 – 20) IБ0 = 1,95 мА,
/>, используем номинал 6,8 кОм
/>, используем номинал 330 Ом.
Усилитель напряженияпредставляет собой усилительный каскад с ООС по напряжению параллельного вида,он обеспечивает основноеусиление входного сигнала по напряжению.
Расчет каскада ОЭ с ООС понапряжению параллельного вида:
Для нашего случая, чтобыудовлетворить ТЗ, выбираем Еп = 24 В.
Чтобы удовлетворить параметрамтранзистора должно выполняться следующее условие: />выбираем Rk=2,7 кОм;
Тогда />;
/>
Рис. 3. Схема усилительного каскада с ООС понапряжению параллельного вида
/>
/>
/>/>Произведемрасчет граничных частот усилительного каскада, а также определим номиналысопротивлений и емкостей, входящих в каскад:
Граничная частотаусилительного каскада в области нижних частот:
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 4,7 нФ
Граничная частота входной цепи каскада в областинижних частот:
/>
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 8,2 мкФ
Граничная частота выходной цепи усилительногокаскада в области верхних частот:
/>
/>
/>
/> постоянная времени усилительного каскадав области верхних частот;
/>=/>
/>
/>
Постоянная времени входной цепи в области верхнихчастот:
/>
/>
/>
/>
/>=/>
/>
/>
Произведем расчетсопротивлений резисторов R1 и R2:
• />,
IД= (10 – 20) IБ0 = 1,95 мА,
/>, используем номинал 6,8 кОм
• />, используем номинал 330Ом.
Для согласования с нагрузкойна выход широкополосного усилителя необходимо поставить усилитель, который недолжен вносить изменения в амплитуду сигнала, должен обладать высоким входным инизким выходным сопротивлением. Всем этим требованиям удовлетворяетусилительный каскад на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общимколлектором (эмиттерный повторитель).
/>
Рис. 4.Эмиттерный повторитель
Произведем расчет граничныхчастот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений иемкостей, входящих в каскад:
Граничная частота выходнойцепи усилительного каскада в области нижних частот
/>
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 4,7 нФ
Граничная частота входной цепикаскада в области нижних частот:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>, используем номинал 0,56 мкФ
Постоянная времени входнойцепи в области верхних частот:
/>
/>
/>
Постоянная времени выходнойцепи в области верхних частот:
/>
/>
/>
/>
• />
/>
Коэффициент усиления каскадапо напряжению:
/>,
/>;
Произведем расчетсопротивлений резисторов R1 и R2:
/>
/>
/>≈/>
/> используем номинал 5,6 кОм (всеноминальные значения сопротивлений из ряда Е12).
/>
/>
/> используем номинал 12,0 кОм.
В усилителе заданием предусмотрена ступенчатаярегулировка усиления Dp = 40 dB.
/>
Рис. 5. Схема регулировки усиления
Задавшись величиной одного из резисторовделителя, можно определить величину другого, в соответствии с формулой:
/>
Пусть R2 = 1 кОм,
/>
/>
/>, используем номинал 100.0 кОм./>/>/>/>
Заключение
В данном курсовом проекте был произведен расчетэлектрической принципиальной схемы широкополосного усилительного устройства.После расчета элементов схемы было произведено моделирование устройства впрограммном пакете «Electronics Workbench V5.12».
На основании результатов моделирования(амплитудно-частотная характеристика устройства) можно сделать вывод, чтоданная электрическая схема полностью удовлетворяет требованиям ТЗ: Ku = 80, fН = 20 Гц, fВ = 4 МГц.
/>/>Список источников
1. Джонсон Д., Джонсон Дж.,Мур Г. Справочник по активным фильтрам: Пер. с англ. М.Н. Микшиса. М.:Энергоатомиздат, 1982. 220 с.
2. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехникааналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 1997. 320 с.
3. Калмыков А.А., Матюнина А.В. Оформлениеучебных студенческих работ: Методические указания. Свердловск: УПИ, 1984. 36 с.
4. Томас Р.К. Справочник.Коммутационные устройства. М.: Радиосвязь, 1989, 144 с.