Широкополосный усилитель мощности

Министерство образования Российской Федерации.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине “Схемотехника аналоговых электронных устройств”

Выполнил

студент гр.148-3

__________Свалов С.С.

Проверил

преподаватель каф. РЗИ

___________Титов А.А.

2001

Реферат

УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, КАСКАД, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, КОРРЕКТИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

В данной курсовой работе производится расчет широкополосный усилителя мощности амплитудно и частотно модулированных сигналов, а также различных стабилизирующих и корректирующих цепи.

Цель работы - приобретение навыков расчета номиналов элементов усилительного каскада, подробное изучение существующих корректирующих и стабилизирующих цепей, умения выбрать необходимые схемные решения на основе требований технического задания.

В процессе работы были осуществлены инженерные решения (выбор транзисторов, схем стабилизации и коррекции) и расчет номиналов схем.

В результате работы получили готовую схему усилительного устройства с известной топологией и номиналами элементов, которую можно использовать для практического применения.

Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительных устройств.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 97 и представлена на дискете 3,5” (в конверте на обороте обложки).

Введение.

Основная цель работы - получение необходимых навыков практического расчета радиотехнического устройства (усилителя мощности), обобществление полученных теоретических навыков и формализация методов расчета отдельных компонентов электрических схем.

Усилители электрических сигналов применяются в широкой области современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звукового вещания, радиолокации, ЭВМ. 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.

Усилитель, рассматриваемый в данной работе, используется в радиотехнических системах различного назначения, в том числе и в системах нелинейной радиолокации, обеспечивая заданный уровень облучения нелинейного элемента.

Это необходимо для получения требуемого минимального уровня изучаемых нелинейным элементом составляющих обогащенного спектра сигнала.

2. Техническое задание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

Рабочая полоса частот: 300-800 МГц

Линейные искажения

в области нижних частот не более 3 дБ

в области верхних частот не более 3 дБ

Коэффициент усиления 20 дБ

Выходная мощность Pвых=1 Вт

Диапазон рабочих температур: от +10 до +60 градусов Цельсия

Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом

3. Расчетная часть

3.1. Определение числа каскадов.

Число каскадов определяется исходя из технического задания. Данное устройство должно обеспечивать коэффициент усиления 20 дБ, поэтому целесообразно использовать три каскада, отведя на каждый по 7дБ, оставив запас по усилению мощности примерно вполовину.

3.2. Распределение искажений амлитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения не более 3дБ. Так как используется три каскада, то каждый может вносить не более 1дБ искажений в общую АЧХ. Эти требования накладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.

3.3. Расчет оконечного каскада.

3.3.1. Расчет рабочей точки.

В данной схеме может использоваться как резистивный, так и дроссельный каскад. Произведем их расчет и выберем наиболее подходящий.

а) В цепи коллектора используется сопротивление

Схема каскада приведена на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Схема оконечного каскада по переменному току.

Обычно сопротивление в цепи коллектора и сопротивление нагрузки принимают одинаковыми. Рассчитаем энергетические параметры схемы:

Напряжение на выходе усилителя:

, (3.1)

где P- мощность на выходе усилителя, Вт;

Rн – сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда .

Выходной ток на сопротивлении нагрузки:

, (3.2)

В данной схеме появится эквивалентное нагрузочное сопротивление, представляющее собой параллельное включение сопротивлений и :

Тогда выходной ток будет таким:

где Rэквив – сопротивление цепи коллектора по переменному току, Ом.

Теперь можно определить рабочую точку [1]:

, где (3.3)

Напряжение источника питания будет следующим:

. (3.4)

Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рис.3.2.

Расчет прямой по постоянному току производится по формуле:

(3.5)

Iк0=0: Uкэ0=Еп=35 В,

Uкэ0=0: Iк0= Еп/ Rк=35/50А=0.7А.

Расчет прямой по переменному току производится по формулам:

, ,

, .

Найдем так же мощность, рассеиваемую на транзисторе и мощность потребления цепи:

(3.6)

(3.7)

б) В цепи коллектора используется дроссель

Схема каскада приведена на рис.3.3.

Рассчитаем энергетические параметры:

Значения не изменятся.

Эквивалентное нагрузочное сопротивление, возникшее в предыдущем пункте, здесь будет равно сопротивлению нагрузки, т.к. заменил дроссель. Тогда выходной ток будет следующим:

ток в рабочей точке изменится:

Рисунок 3.3 – Схема оконечного каскада по постоянному току.

Запишем значения тока и напряжения в рабочей точке:

Uкэ0=13В

Iк0 =0.22А.

Напряжение источника питания:

Еп=Uкэ0 =13В.

Видно, что напряжение питания значительно уменьшилось. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току приведены на рис. 3.4.

Расчет прямой по постоянному току:

Расчет прямой по переменному току:

, ,

, .

Найдем так же мощность, рассеиваемую на транзисторе и мощность потребления цепи:

Сведем результаты расчетов в отдельную таблицу и проведем сравнительный анализ двух схем.

Таблица 3.1 - Сравнительный анализ схем

:Параметр
схема с	35	5.72	15.4	0.44	13
схема без	13	2.86	2.86	0.22	13

Из таблицы видно, что мощность, рассеиваемая на транзисторе и мощность потребления цепи у дроссельного каскада в несколько раз меньше, чем у коллекторного, напряжение источника питания для него нужно небольшое, что выгодно отличает данную схему. В дальнейших расчетах она и будет использоваться.

Выбор транзистора осуществляется исходя из технического задания, по которому можно определить предельные электрические и частотные параметры требуемого транзистора. В данном случае они составляют (с учетом запаса 20%):

Iк доп > 1.2*Iк0=0.264 А

Uк доп > 1.2*Uкэ0=15.6 В (3.8)

Рк доп > 1.2*Pрасс=3.43 Вт

fт= (3-10)*fв=(3-10)*800 МГц.

Этим требованиям с достаточным запасом отвечает широко распространенный транзистор КТ 939А, основные технические характеристики которого приведены ниже [5]:

Электрические параметры:

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ: ГГц;

Постоянная времени цепи обратной связи при : пс;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;

Ёмкость коллекторного перехода при В пФ;

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт;

Температура перехода К.

3.3.2. Расчет эквивалентных схем транзистора КТ939А.

а) Модель Джиаколетто.

Модель Джиаколетто представлена на рис. 3.5 [1].

Рисунок 3.5 - Эквивалентная схема Джиаколетто.

Необходимые для расчета справочные данные:

, постоянная цепи обратной связи.

, статический коэффициент передачи тока базы.

, емкость коллекторного перехода.

Найдем при помощи постоянной времени цепи обратной связи сопротивление базового перехода нашего транзистора:

(3.9)

Из справочных данных мы знаем, что при , а на 12В. Для того, чтобы свести параметры к одной системе воспользуемся формулой перехода:

(3.10)

в нашем случае:

Теперь, зная все параметры, можно найти сопротивление:

, тогда

Найдем значение коллекторной емкости в рабочей точке по той же формуле перехода:

Найдем значения оставшихся элементов схемы:

, (3.11)

где – паспортное значение статического коэффициента передачи,

– сопротивление эмиттерного перехода транзистора. Тогда

Емкость эмиттерного перехода: , где – типовое значение граничной частоты коэффициента передачи тока, взятое из паспортных данных транзистора.

Найдем оставшиеся параметры схемы:

(3.12)

(3.13)

(3.14)

б) Однонаправленная модель.

Однонаправленная модель представлена на рис. 3.6 [1].

При определении значений элементов высокочастотной модели воспользуемся паспортными данными транзистора:

(3.15)

где – входное сопротивление, – выходная емкость, – выходное сопротивление.

Рисунок 3.6 - Однонаправленная модель.

В паспортных данных значение индуктивности не указано, воспользуемся параметрами ближайшего аналога - транзистора КТ913, поделив их на 3:

где – индуктивности выводов базы и эмиттера.

В результате получим:

3.3.3. Расчет схем термостабилизации рабочей точки транзистора выходного каскада.

Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рис.3.7.

Рисунок 3.7 – Схема эмиттерной термостабилизации.

Расчет номиналов элементов осуществляется исходя из заданной рабочей точки.

Напряжение на резисторе должно быть не менее 3-5 В (в расчетах возьмем 3В), чтобы стабилизация была эффективной.

Рабочая точка:

Uкэ0= 13В,

Iк0=0.22А.

Учтя это, получим:

, где , а коллекторный ток – , что было получено ранее, тогда:

и Вт (3.16)

Базовый ток будет в раз меньше коллекторного тока:

, (3.17)

а ток базового делителя на порядок больше базового:

(3.18)

Учтя то, что напряжение питания будет следующим:

, (3.19)

найдем значения сопротивлений, составляющих базовый делитель:

(3.20)

(3.21)

Схема активной коллекторной термостабилизации усилительного каскада приведена на рис. 3.8 [1].

Рисунок 3.8 – Схема активной коллекторной термостабилизации.

В качестве управляемого активного сопротивления выбран маломощный транзистор КТ 361А со средним коэффициентом передачи тока базы 50. Напряжение на сопротивлении цепи коллектора по постоянному току должно быть больше 1 В или равным ему, что и применяется в данной схеме.

Энергетический расчет схемы:

. (3.22)