Проектирование широкополосного усилительного устройства

Широкополосные усилители предназначены для усиления электрических сигналов, спектры которых простираются от нуля или нескольких герц до многих мегагерц. Они используются в современной импульсной радиосвязи, многоканальной электрической связи, телевидения, измерительной технике и т.д.

Широкополосные усилители применяются как для усиления гармонических сигналов с широкой полосой частот, так и для усиления импульсных сигналов с крутым фронтом и диапазоном длительностей импульсов.

Однако методы исследования, расчета и проектирования широкополосных усилителей гармонических сигналов и импульсных сигналов различны. Расчет широкополосных усилителей гармонических сигналов производится на основе спектральных, а импульсных усилителей на основе временных представлений.

Доработка ТЗ

Согласно ТЗ рассчитываем коэффициент усиления:

Регулировка СП-40 дБ.

Выбор структурной схемы

Рис. 1. Структурная схема широкополосного усилительного устройства

· Фазовращательный каскад представляет собой усилительный каскад в схеме включения с общим эмиттером и с общим коллектором c единичным коэффициентом усиления.

· Усилитель напряжения представляет собой усилительный каскад в схеме включения с общим эмиттером, он обеспечивает основное усиление входного сигнала по напряжению.

· Выходное устройство представляет собой два параллельно включенных усилительных каскада в схеме включения с общим коллектором (эмиттерный повторитель), на входе одного из каскадов стоит инвертор. Повторитель служит для небольшого усиления сигнала по току с выхода усилителя напряжения, а также для согласования усилителя с нагрузкой.

Расчетная часть

Расчет элементов схемы производился с помощью математического пакета Mathcad 2000 Professional.

В нашем случае, при выходном напряжении U_{вых эфф}=8 В и сопротивлении нагрузки R_н= 10⁶ Ом мощность рассеяния транзистора VT должна быть больше . Для данной схемы выбираем транзистор КТ325А (используется для усиления сигналов высокой частоты, F_т=800 МГц, Р_доп=225 мВт).

Электрические параметры КТ325А:

1. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ:

2. ;

3. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ: ;

4. Ёмкость коллекторного перехода при Uкб=5 В, не более: ;

Предельные эксплуатационные данные:

1. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер: ;

2. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: мВт;

3. Температура p-n перехода:.

4. Максимальная температура окружающей среды: .

Рис. 2. Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

широкополосный усилитель импульсный гармонический

– входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

– коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

– выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи);

– коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока.

Вычисление параметров схемы Джиаколетто:

• = – барьерная емкость коллекторного перехода;

• = – выходное сопротивление транзистора;

• = – сопротивление коллекторного перехода;

• – сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току;

• = – сопротивление эмиттерного перехода базовому току;

• = – распределенное сопротивление базы;

t_ОС – постоянная времени обратной связи транзистора;

ориентировочное значение r_Б можно определить по формуле:

r_Б@ Н_12Б/ Н_22Б;

• = – диффузионная емкость эмиттерного перехода;

• = – собственная постоянная времени транзистора;

• – крутизна транзистора;

Фазовращательный каскад представляет собой усилительный каскад с схеме включения как с общим коллектором так и с общим эмиттером, он обеспечивает расщепление фазы с единичным коэффициентом усиления.

Фазовращательный каскад представляет собой два каскада в схеме включения с общим эмиттером и в схеме включения с общим коллектором:

Смысл данной схемы заключается что на выходе мы получаем два одинаковых сигнала, которые по фазе различаются на 180є.

Рис. 3. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления

Для схемы включения с общим эмиттером коэффициент усиления равен:

, R₀ = R_i ||R_к||R_н=

Для схемы включения с общим коллектором коэффициент усиления равен:

Найдем значение R₀: →

Подберем значения возьмем их равными

Произведем расчет граничных частот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений и емкостей, входящих в каскад:

• Граничная частота усилительного каскада в области нижних частот:

, используем номинал 4,7 нФ

• Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 8.2 мкФ

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области верхних частот:

постоянная времени усилительного каскада в области верхних частот;

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

I_Д= (10 – 20) I_Б0 = 1,95 мА,

, используем номинал 6,8 кОм

, используем номинал 330 Ом.

Усилитель напряжения представляет собой усилительный каскад с ООС по напряжению параллельного вида, он обеспечивает основное усиление входного сигнала по напряжению.

Расчет каскада ОЭ с ООС по напряжению параллельного вида:

Для нашего случая, чтобы удовлетворить ТЗ, выбираем Еп = 24 В.

Чтобы удовлетворить параметрам транзистора должно выполняться следующее условие: выбираем Rk=2,7 кОм;

Тогда ;

Рис. 3. Схема усилительного каскада с ООС по напряжению параллельного вида

Граничная частота усилительного каскада в области нижних частот:

, используем номинал 4,7 нФ

Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 8,2 мкФ

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области верхних частот:

постоянная времени усилительного каскада в области верхних частот;

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

• ,

I_Д= (10 – 20) I_Б0 = 1,95 мА,

, используем номинал 6,8 кОм

• , используем номинал 330 Ом.

Для согласования с нагрузкой на выход широкополосного усилителя необходимо поставить усилитель, который не должен вносить изменения в амплитуду сигнала, должен обладать высоким входным и низким выходным сопротивлением. Всем этим требованиям удовлетворяет усилительный каскад на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Рис. 4. Эмиттерный повторитель

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области нижних частот

, используем номинал 4,7 нФ

Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 0,56 мкФ

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

Постоянная времени выходной цепи в области верхних частот:

•

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

;

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

≈

используем номинал 5,6 кОм (все номинальные значения сопротивлений из ряда Е12).

используем номинал 12,0 кОм.

В усилителе заданием предусмотрена ступенчатая регулировка усиления Dp = 40 dB.

Рис. 5. Схема регулировки усиления

Задавшись величиной одного из резисторов делителя, можно определить величину другого, в соответствии с формулой:

Пусть R2 = 1 кОм,

, используем номинал 100.0 кОм.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен расчет электрической принципиальной схемы широкополосного усилительного устройства. После расчета элементов схемы было произведено моделирование устройства в программном пакете «Electronics Workbench V5.12».

На основании результатов моделирования (амплитудно-частотная характеристика устройства) можно сделать вывод, что данная электрическая схема полностью удовлетворяет требованиям ТЗ: Ku = 80, f_Н = 20 Гц, f_В = 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. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 1997. 320 с.

3. Калмыков А.А., Матюнина А.В. Оформление учебных студенческих работ: Методические указания. Свердловск: УПИ, 1984. 36 с.

4. Томас Р.К. Справочник. Коммутационные устройства. М.: Радиосвязь, 1989, 144 с.