Проектирование усилителя

  

1. Техническое задание

 

  Рассчитать  усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

• ЭДС входного сигнала: E=3 мВ
• Активная нагрузка: Rнд=0,075 кОм
• Частотные искажения: MН=0,75; МВ=0,794
• Минимальная рабочая температура: tmin=5°С
• Максимальная рабочая температура: tmax=40°С
• Внутреннее сопротивление источника: Rист=400 Ом
• Нижняя граничная частота: fН=20 Гц
• Верхняя граничная частота: fВ=12 МГц
• Коэффициент гармоник: KГ=3 %
• Входное сопротивление: Rвх=2 кОм
• Амплитуда выходного сигнала: Uвых=2,5 В
• Предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки, подключаемой через коаксиальный кабель.
• Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Анализ технического задания

Рассчитываемый усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций типа общий эмиттер (ОЭ) с использованием коррекции эмиттерной противосвязью, которая дополнительно стабилизирует коэффициент усиления каскада.

Умеренные требования по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы, как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной стабилизации.

В проекте необходимо предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки, подключаемой через коаксиальный кабель. Т.к сопротивление нагрузки мало и необходимо обеспечить максимальный КПД выходного каскада, то следует брать схему каскада ОЭ на достаточно мощном транзисторе, и предоконечный каскад по схеме с ОЭ, имеющей малое выходное сопротивление.

Входное сопротивление усилителя не оговорено (по умолчанию Rвх=1÷3 кОм), а сопротивление генератора мало (Rист=400 Ом), что позволяет не выделять входной каскад, полагая вносимые им искажения такими же, как и у промежуточных каскадов. Т.о. вся схема широкополосного усилителя будет реализована на усилителях с ОЭ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сравнительный анализ вариантов построения усилителя, выбор числа каскадов или усилительных секций, выбор типов транзисторов

 

При проектировании широкополосного усилителя (ШУ) основное внимание должно быть уделено мерам по обеспечению требуемого постоянства коэффициентов усиления в заданном частотном диапазоне. Расчет ШУ должен производиться с учетом частотной зависимости параметров усилительного прибора (УП).

Определяем выходные характеристики: .

                                           

                              ,                                     

Далее выберем схемы выходных, входных каскадов и КПУ:

Выходной каскад и каскады предварительного усиления (КПУ) выбираем по схеме с ОЭ (большое выходное и малое входное сопротивление). Схемная реализация которого представлена на Рис.1. Это схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Рис. 1 Принципиальная схема усилителя с ОЭ.

 

Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:

- обеспечивают выбранное положение  рабочей точки (РТ) и температурную  стабилизацию транзистора.

- разделяет усилительные каскады  по постоянному току.

- является коллекторной нагрузкой  транзистора.

- устраняет отрицательную обратную  связь по переменному току.

В качестве входного каскада также выбираем схему с ОЭ. Если сопротивление источника сигнала составляет сотни Ом, то входной каскад выбирается по схеме с общим эмиттером. В нашем случае в качестве входного каскада выбираем схему с ОЭ.

 

Найдём количество КПУ:

КПУ - каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения, тока и мощности до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности.

При  проектировании  усилителя  необходимо  решить  ряд  задач,  связанных  с  составлением  схемы,  наилучшим  образом  удовлетворяющей  поставленным  требованиям,  с  расчетом  этой  схемы  на  основании выбранных  параметров  и  режимов  работы  ее  элементов.

Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением.

  , где 

- коэффициент усиления требуемый  от КПУ.

- коэффициенты усиления входного и выходного каскадов ( )

- коэффициент усиления внутренних  цепей усилителя.( )

- заданный коэффициент усиления  УНЧ ( )

Для каскадов с ОЭ коэффициент усиления i-го каскада . Выбираем .

Тогда количество КПУ находится по формуле:

                                                

Структурная  схема  данного  усилителя  будет  состоять  из  трех  блоков:  входной  каскад,  промежуточный каскад  и  выходной  или  оконечный  каскад. 

Усиление  по  каскадам  распределим  равномерно. Структурная  схема  усилителя  представлена  на рис.2. , 

Частотные  искажения  на  верхней частоте целесообразнее  всего  распределить по  каскадам неравномерно, т.е.  усилим  требования  к  одному  из  них – к   первому,  т.к.   в нем происходит незначительное увеличение входного напряжения.

Распределение  частотных  искажений  на  верхней  частоте  fв=12 МГц:

МвВЦ=0,86    Мв1=0,97     Мв2=1,55    Мв3=1,55   

Распределим  частотные  искажения  на  нижней  частоте  fн=20 Гц одинаково по каскадам, для упрощения расчетов: МнВЦ=Мн1=Мн2=Мн3=Мн4=0,93

              

Частотные  искажения  на  нижней  частоте для блокирующей емкости резистора подстройки усиления возьмем МБЛ=0,86

Рис.2.  Структурная  схема  усилителя.

Таким  образом:

                             

 

     При расчете  схемы  усилителя  на  транзисторах, основными  звеньями,  свойства  которых  необходимо  учитывать  при  эскизном  проектировании  усилительного  прибора  и  составлении  принципиальной  схемы,  являются  его  одиночные  каскады.  Важно  учитывать  взаимное  влияние  соседних  каскадов  и  звеньев  усилителя  друг  на  друга.  Учет  этого  влияния  осуществляем  на  основании  вычисления  и  сопоставления  входных  и  выходных  сопротивлений  соседних  звеньев  и  каскадов.  С  учетом  этого  необходимо  начинать  расчет  усилителя  с  оконечного  каскада.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет каскадов, высокочастотной коррекции

и цепей межкаскадной связи

 

4.1. Расчет  выходного  каскада.

В качестве выходного каскада возьмем каскад с ОЭ, так как сопротивление нагрузки сравнительно мало RH = 75 Ом.  Емкость нагрузки СН не дана. Т.е. нагрузка чисто активная.

 

 

 Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

- граничной  частоты усиления транзистора  по току          ,

- предельно  допустимого напряжения коллектор-эмиттер

- предельно  допустимого тока коллектора

- рассеиваемая им мощностью

Мощность, выделяемая в нагрузке:

мВт

Т.к. транзистор работает в режиме А, то рассеваемая им мощность приблизительно равна: мВт

Подходящим является транзистор КТ3102Г (аналоги BC238C, BC547C, BC548C, MPS3711, MPS6571). Т.к. рассчитываемая схема должна работать в TINA-IT v9, тогда все последующие расчеты будут проводиться для импортного транзистора BC238C. Параметры такого транзистора приведены в табл.1.

 

Таблица 1. Параметры биполярных транзисторов.

 

Входные и выходные ВАХ транзистора представлены на рис.3.

                      

     Рис. 3. ВАХ транзистора BC238C, с нагрузочной прямой и рабочей точкой.

 

Для определения нагрузочной прямой по постоянному и переменному току (нагрузка чисто активная, то ) найдем:

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Рассчитаем g-параметры в рабочей точке ( В, мА, В, мА):

мСм

См

мСм

 

Произведем расчет термостабилизации каскада:

, где

- статический коэффициент  передачи тока базы.

мкА – изменение обратного тока коллектора при изменении температуры (а = 0.06 для Si).

В – внутреннее изменение смещения на эмиттерном переходе ( В для Si).

мА – приращение тока коллектора вызванное температурным изменением B ( ).

мА – допустимое изменение тока в рабочей точке.

Сопротивление в цепи коллектора равно: Ом

Рассмотрим каскад на различных частотах.

 

 

3-й каскад на  СЧ

Емкость - эквивалентная емкость. пФ, Ом.

В эквивалентной схеме каскада на СЧ можно пренебречь емкостями и .

Коэффициент усиления каскада равен:

,

Ом.

Для получения требуемого коэффициента усиления введем ООС с фактором равным:

, где  - сопротивление, вводимое в цепь эмиттера для получения необходимого фактора ООС.

 Ом по ряду номиналов  возьмем  Ом.

Введение такого сопротивления в цепь эмиттера только улучшит термостабильность каскада.

Коэффициент усиления каскада при Ом будет равен:

 

 

 

3-й  каскад на ВЧ

Коэффициент частотных искажений на ВЧ для третьего каскада будет равен:

, где  .

- эквивалентная емкость.

- выходная емкость транзистора

Ом, нс.

пФ.

пФ.

Ом

нс.

Таким образом, коэффициент частотных искажений больше заданного , следовательно, нет необходимости ВЧ – коррекции.

 

3-ый каскад на  НЧ   На НЧ начинает проявлять влияние разделительная емкость . Допустимые частотные искажения , тогда:

мкФ

(С  запасом 20…30% возьмем  мкФ).

 

 

 

 

 

 

 

Расчет делителя, входного сопротивления и входной емкости каскада

 

- приращение коллекторного тока, вызванное температурным изменением  .

,

мА

- изменение тока коллектора  в рабочей точке.

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечивать схема температурной стабилизации:

 

Проведем расчет делителя напряжения в цепи базы:

Входное сопротивление каскада:

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ, при введении фактора ОС, в F раз больше входного сопротивления схемы с ОЭ без ООС.