Реферат: Усилитель многоканальной системы передачи
Реферат: Усилитель многоканальной системы передачи
Санкт-Петербургский
Государственный Университет Телекоммуникаций
им.проф.
М.А.Бонч-Бруевича
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
“Усилитель многоканальной системы передачи”
Студент: Зайцев П.Ю.
Группа: МВ-75
Проверил:
Друзина Н.Р.
Санкт-Петербург 1999
|
1.1 Введение.
Данное курсовое проектирование заключается в
теоретической реализации многокаскадного усилителя по заданным параметрам.
Проектирование следует начать с эскизного расчета усилителя.
1.
Эскизный расчет усилителя (п.2).
Выбрать транзистор выходного каскада (п.2.2).
Рассчитать режим работы выходного каскада (п.2.2).
Рассчитать требуемую глубину ОС F
(п.2.3).
Выбрать
транзисторы предварительных каскадов и рассчитать коэффициент трансформации
входного трансформатора n` (п.2.4).
Рассчитать
число каскадов усилителя N (п.2.4).
Проверить выполнение
условия стабильности коэффициента усиления и уточнить глубину ОС (п.2.5) .
2. Построение
и расчет цепи усиления (К – цепи) по постоянному току (п.3).
Построить схему К – цепи усилителя (п.3.1, 3.2).
Выбрать режим работы
транзисторов предварительных каскадов и нанести выбранные токи и напряжения в
цифрах на схему К – цепи (п.3.2).
Рассчитать сопротивления
резисторов схемы (п.3.2).
Выполнить расчет
нестабильности режима работы схемы (п.3.3).
3. Расчет
коэффициентов усиления и параметров АЧХ (п.4.).
Рассчитать коэффициенты
усиления каскадов и общий коэффициент усиления. Уточнить число каскадов.
Рассчитать частоты
полюсов передаточной функции К – цепи. Уточнить типы транзисторов предварительных
каскадов.
4. Расчет
пассивных узлов структурной схемы усилителя (п.5).
Выбрать и рассчитать входную и выходную цепи.
Рассчитать элементы цепи ОС.
5. Расчет
и построение характеристик передачи по петле ОС (п.6).
Рассчитать высокочастотного обхода и асимптотические
потери Ат (п.6.2).
Построить ЛАХ Т(f) оптимального среза и сделать вывод о достаточной глубине
ОС при выбранных запасах устойчивости (п.6.3).
6. Составление
принципиальной схемы усилителя, выводы по результатам проектирования (п.7).
1.2
Задание параметров.
Вариант задания
параметров берем из таблицы П.4.I. приложения 4 в
методических указаниях по курсовому проектированию.
Т.о. вариант № 34, Р2 = 60 мВт. R2
= 150 Ом. R1 = 150 Ом. Rвх F = 150 Ом.
Rвых F =
150 Ом. KF = 60. SF = 0,5 дБ. fн = 6 кГц. fв
= 0,28 МГц. kГF = 0,04%. E0 = -24В. tc maz = +40 0C.
Для более наглядоного вида приведем все выше
заданные технические параметры в виде таблицы:
Таблица
№ П.1.2.
№
|
Величина
|
Вид
|
Значение
|
Единицы измерения
|
1
|
Выходная мощность |
Р2
|
60 |
мВт |
2
|
Входное сопротивление |
R1
|
150 |
Ом |
3
|
Выходное сопротивление |
R2
|
150 |
Ом |
4
|
Входное сопротивление с ОС |
R1
F
|
150 |
Ом |
5
|
Выходное сопротивление с ОС |
R2 F
|
150 |
Ом |
6
|
Коэффициент усиления с ОС |
КF
|
60 |
|
7
|
Результирующая нестабильность коэффициента усиления
с ОС |
SF
|
0,5 |
дБ |
8
|
Частота нижнего среза |
fH
|
6 |
КГц |
9
|
Частота верхнего среза |
fВ
|
0,28 |
МГц |
10
|
Коэффициент гармоник |
kГF
|
0,04 |
% |
11
|
Напряжение питания |
Е0
|
-24 |
В |
12
|
Максимально допустимая температура переходов |
tc max
|
+40 |
t0C
|
Эскизный расчет.
2.1
Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью.
Коэффициент усиления усилителя с глубокой
одноканальной обратной связью (рис. 2.1) определяется параметрами пассивных
цепей.
. (2.1)
Структурная схема усилителя без цепи ОС (цепь
усиления) показана на рис 2.2
Цепь усиления должна коэффициент усиления,
достаточный для получения заданного значения КF и необходимо значения глубины ОС F.
Цепь усиления содержит 2 – 4 каскада и функционально разделяется на выходной
каскад и предварительные каскады усиления.
Цепь ОС
представляет собой пассивный 4-х полюсник с вносимым коэффициентом передачи
В0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного шестиполюсника
на зажимах 6-6 R`г. (рис. 2.1), а
эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением R``г
– выходной шестиполюсник. (на зажимах 5-5).
2.2
Выбор транзисторов и расчет режима работы.
Расчет усилителя принято вести, начиная с выходного
каскада. Он выполняется по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2.3),
которой транзистор включается по схеме с общим эмиттером, имеющей наибольшей
коэффициент усиления мощности, и работает в режиме «А».
Транзистор выходного каскада выбирается по двум
основным условиям:
Рк max ³ ан· Ркр max, ,
где Ркр max = (4…5)P2, ан
= 1,4…2, .
Здесь Ркр max – максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на
коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме «А» и потерь мощности сигнала
в выходной цепи; Рк max – максимально допустимая рассеивая мощность на коллекторе
(берется из справочных данных на транзистор); ан -коэффициент
запаса, введение которого предполагает использование транзисторов в облегченном
режимах для повышения надежности; h21 min и h21 max – крайние значения коэффициента передачи
тока из справочных данных; fT** – граничная
частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ; fh21
– частота среза по параметру h21.
Произведем расчет и сделаем выбор транзистора.
Однако надо учитывать, что транзистор будем питать отрицательным зажимом
источника питания, не так как показано на рисунке 2.3, а положительный зажим
будем подавать на “землю”. Отсюда следует, что транзистор должен быть p-n-p, потому как если это будет n-p-n
транзистор, то переходы будут смещены в обратном направлении, а значит ток по
цепи коллектор – эмиттер течь не будет, в случае если это p-n-p
транзистор переходы будут открыты и ток будет протекать.
Расчет: Р2 = 60 мВт; fв = 280 кГц; Ркр мах = 4·60 = 240 мВт; ан· Ркр мах =300·1,8 = 430 мВт. Рк мах = 1 Вт.
Рк мах ³
ан·
Ркр мах. Из p-n-p транзисторов подходит
КТ629А по мощности, проверяем частотные свойства. fh21
= 4,1 МГц > 3·0,28
= 0,84 МГц. Þ Подходит по всем
условиям.
Режим работы транзистора, определяемый током покоя коллектора
Iк и постоянной составляющей напряжения на
переходе Uкэ, должен быть таким, чтобы во
внешней нагрузке обеспечивалось необходимая номинальная мощность сигнала и
параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально
допустимых. По мощности и заданному напряжению источника питания Е0
определяем режим работы выходного транзистора:
Uкэ = а·Е0
= 0,63·Е0 = 15 В. (2.4).
Iк = Ркр max/Uкэ = 240/15 = 16 мА. (2.5).
Где а = 0,6…0,8 – коэффициент, учитывающий, что
часть напряжения источника питания упадет на резисторе цепи эмиттера по
постоянному току. Должны выполняться следующие условия применительно к выбранному
транзистору:
Uкэ max ³ 2Uкэ, 50 > 15·2 = 30; (2.6);
iк max ³ ан·Iк, 1000 > 16·1,8 = 28,8;
(2.7);
tпр max £ (0,9…0,95)·tп max; (2.8).
Максимально допустимые значения Рк мах, iк max, Uкэ max от
температуры перехода, определяемых величин тепловых сопротивлений: промежутков
переход – окружающая среда (Rпс), переход –
корпус (Rпк), корпус – окружающая среда (Rкс). При выборе транзистора желательно обойтись
без внешнего теплосвода. В этом случае:
tпр мах = tc
мах + Rпс·Pkp max
= 40 + 120·0,24 = 68,8
0С; (2.9).
Проверяем условие (2.8): 68,80С < 0,9·1350С
= 121,50С. Все условия (2.6, 2.7, 2.8) были соблюдены, а так же в
реальной схеме можно обойтись без теплосвода, так как условие (2.8) соблюдено.
Приведем параметры выбранного транзистора в виде
таблице:
Таблица П.2.1.
Транзистор
|
Pk max, Вт
|
fh21,
МГц
|
fT, МГц
|
Uкэ max,
В
|
ik max, A
|
tп, 0C
|
Rпс,
0С/Вт
|
IКБ0,
мкА
|
Ск, пФ
|
rб`Ck,
пс
|
h21
|
h21 max/ min
|
min
|
|
max
|
КТ629А |
1,0 |
4,1 |
250 |
50 |
1,0 |
135 |
120 |
5 |
25 |
200 |
25 |
61 |
150 |
6,0 |
По найденным значениям Uкэ и Iк
находим оптимальное сопротивление нагрузки выходного транзистора для
переменного тока.
Rн = x·Uкэ/xiIk = 15·0,8/0,8·16 = 937,5 Ом (2.13).
Где x -
коэффициент использования коллекторного напряжения (для транзистора средней и
высокой мощности), x = 0,7…0,8; xi – коэффициент использования коллекторного тока xi = 0,8…0,95.
Вычислим коэффициент трансформации выходного (КПД
трансформатора равен 1):
; (2.14).
Проверим выполнение условие:
мВт >
1,2·P2
= 1,2·60 = 70 мВт. (2.15)
Условие выполнено, переходим к следующему пункту.
2.3
Расчет необходимого значения глубины обратной связи.
Основное назначение ОС заключается в уменьшении
нелинейных искажений и повышении стабильности коэффициента усилителя.
Требования по линейности оказываются, как правило, более жесткими и определяют
необходимое значение глубины ОС.
(2.16).
где kГF = 0,04 - коэффициент гармоник
усилителя с ОС, приведенный в задании параметров.
kГ = коэффициент
гармоник усилителя без ОС, который следует принять равным ориентировочно
(2…3)%.
Нелинейные искажения усилителя определяются выходным
каскадом, к входу которого приложено наибольшее напряжение сигнала.
2.4 Определение
числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов.
Для расчета общего числа каскадов N
усилителя (рис 2.2) следует выбирать транзисторы предварительных
каскадов из серии маломощных транзисторов, проверив их только по одному условию
– частоте. Подходят все транзисторы p-n-p типа fh21 ³ (1,5…3)fВ. В каскадах
предварительного усиления целесообразно использовать одинаковые транзисторы.
При проектировании входного каскада следует
выбирать условия работы, соответствующие малому значению коэффициента шума и, в
частности обеспечивать оптимальное для транзистора входного каскада значение
сопротивления источника сигнала. Поэтому связь цепи усиления с источником
сигнала целесообразно делать трансформаторной (рис. 2.2). коэффициент
трансформации входного трансформатора n` выбирается из
условия получения оптимального по шумам сопротивления источника сигнала RГ1 опт для транзистора входного каскада.
; (2.17).
Величина RГ1 опт
зависит от частотных свойств транзистора (RГ1 опт
= 200…500, при fТ £ 0,1 ГГц; RГ1 опт =
100…300, при 0,1£ fТ £
1 ГГц; RГ1 опт = 50…150, при fТ ³
1 ГГц;).
Число предварительных каскадов усиления и типов
транзисторов для них определяется следующими двумя критериями:
1) коэффициент
усиления без ОС К должен быть достаточным для обеспечения заданного значения КF при требуемой величине F;
2) транзисторы этих
каскадов должны быть достаточно высокочастотными, чтобы выполнялись условия
устойчивости (п.6).
Условие (1) выполняется,
если
N ³ 1 + lgM/lg(b·h21); (2.18).
Где M = n`Rвх(1+R1/
Rвх)KFF/[n``R2(1-R1/
Rвх F)h21
N]; (2.19).
b – коэффициент,
учитывающий потери в межкаскадных цепях, b = 0,5…0,75; h21
– параметр транзисторов предварительных каскадов, а h21
N – параметр выходного транзистора. Входного сопротивление
усилителя без ОС Rвх » h11,1/(n`)2, где h11,1 =
300…3000 Ом. При согласовании входного сопротивления усилителя с
внутренним сопротивлением источника сигнала (R1
= Rвх F).
M = (h11,1 + RГ1 опт)KFF/(2n`n``R2h21N); (2.20).
Для выполнения условия
(20) достаточно, чтобы:
; (2.21).
Производим выше
приведенные расчеты:
M = (300 + 125)·60·50/(2· 2,5· 0,91·150·61) = 30,53;
(2.20).
N ³ 1+lg30,53/lg[0,75·37] = 1 + 1 @ 2; Þ N = 2; (2.18).
; (2.21).
Все условия (2.18 … 2.21)
были соблюдены.
Из выражения (2.18)
определяем число каскадов, равное двум.
2.5
Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления.
Нестабильность коэффициента усиления связана с
разбросом параметров элементов и отклонением режима работы активных элементов
схемы из–за изменения температуры окружающей среды и напряжения источника
питания. Поскольку режимы работы стабилизируются, а разброс номинальных
значений пассивных элементов невелик, то основная нестабильность SF вызывается значительным разбросом коэффициента
усиления по току транзисторов в схеме с общим эмиттером h21.
.
Относительная нестабильность коэффициента усиления
усилителя с ОС в F раз меньше, чем относительная
нестабильность коэффициента усиления усилителя без ОС. Стабильность
коэффициента усиления будет л удовлетворять требованиям технического задания,
если
; (2.22).
Здесь SF –
результирующая относительная нестабильность коэффициента усиления, выраженная в
дБ и соответствующая его изменениям от минимального до максимального значений; FMS – местной ОС, а если ее нет, то FMS = 1.
Проверим условие (2.22): F = 50
> 0,75·20·2(lg(70/20) + lg(150/25))/0,5 = 39,67.
Приведем
в виде таблицы параметры выбранного транзистора:
Таблица П.2.2.
Транзистор
|
Pk max, мВт
|
fh21,
МГц
|
fT, МГц
|
Uкэ max,
В
|
ik max, мA
|
tп, 0C
|
Rпс,
0С/Вт
|
IКБ0,
мкА
|
Ск, пФ
|
Rб`Ck,
Пс
|
h21
|
h21 max/ min
|
min
|
|
max
|
КТ363А |
150 |
32,4 |
1200 |
15 |
30 |
150 |
0,7 |
0,5 |
2 |
50 |
20 |
37 |
70 |
3,5 |
Страницы: 1, 2, 3
|