Содержание:
1. Технические условия: 2
2. Эскизный расчет усилителя 3
2. 1. Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью 3
2. 2. Выбор транзистора и расчет режима работы выходного каскада 4
2. 3. Расчет необходимого значения глубины обратной связи 8
2. 4. Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов 9
2.5 Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления 12
3. Выбор схемы цепи усиления и расчет по постоянному току 13
3.1 Варианты построения К-цепи 13
3.2Расчет каскадов усилителя по постоянному току 13
4.Расчёт коэффициента усиления и параметров АЧХ 17
5.Расчет пассивных узлов структурной схемы усилителя 25
5.1 Выбор и расчет входной и выходной цепи 25
5.2 Расчёт элементов цепи обратной связи. 28
6. Расчет и построение характеристик передачи по петле ОС 31
6.1Факторы, влияющие на максимально допустимую глубину ОС 31
6.2 Построение ЛАХ Т (f) 33
7.Составление принципиальной схемы усилителя 35
8. Составление спецификации усилителя мощности 37
Заключение 39
1. Технические условия:
номинальная выходная мощность P2 = 55 мВт
номинальное выходное сопротивление RвыхF = 300 Ом
сопротивление нагрузки R2=300Ом
допустимый коэффициент гармоник kГF=0,038% рабочий диапазон частот fН = 95 кГц fВ = 0.7 МГц
модуль коэффициента усиления с ОС на средних частотах KF = 60
относительная нестабильность коэффициента усиления SF =0.41 дБ
номинальное входное сопротивление RвхF = 300 Ом
внутреннее сопротивление источника сигнала R1 = 300 Ом
рабочий диапазон значений температуры tc max= +500c
напряжение источника питания E0 = - 15 В
2. Эскизный расчет усилителя
Цель эскизного расчета - выбор типов транзисторов и предварительный расчета числа каскадов усилителя.
2. 1. Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью
Коэффициент усиления усилителя с глубокой одноканальной ОС определяется параметрами пассивных цепей:
Цепь усиления должна иметь коэффициент усиления, достаточный для получения заданного значения KF и необходимого значения глубины обратной связи F. Цепь усиления содержит 2-4 каскада и функционально разделяется на выходной каскад и предварительные каскады усиления.
Основное назначение выходного каскада заключается в обеспечении в нагрузке R2 заданной мощности сигнала P2 при допустимом уровне нелинейных искажений.
Основное усиление по напряжению создают предварительные резисторные каскады, среди которых особое место занимает входной каскад, определяющий коэффициент шума цепи усиления.
Цепь ОС представляет собой пассивный четырехполюсник с вносимым коэффициентом передачи B0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного шестиполюсника на зажимах 6-6 (рис. 1), а эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением – выходной шестиполюсник (на зажимах 5-5).
2. 2. Выбор транзистора и расчет режима работы выходного каскада
Выходной каскад выполняется по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2), в которой транзистор включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ), имеющий наибольший коэффициент усиления мощности, и работает в режиме А. Связь с внешней нагрузкой осуществляется через выходной трансформатор, что позволяет создать для выходного транзистора оптимальное (в смысле получения заданной мощности) сопротивление нагрузки и делает этот каскад более экономичным.
Транзистор выходного каскада выбирается по двум основным условиям:
1)
2) ,
где ; ; =(4…5)P2 – максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме А и потерь мощности сигнала в выходной цепи; – максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе (берется из справочных данных на транзистор);
– коэффициент запаса, введение которого предполагает использование транзисторов в облегченных режимах для повышения надежности; и – крайние значения коэффициентов усиления (передачи) тока из справочных данных; – граничная частота коэффициентов передачи тока в схеме ОЭ; – частота полюса (среза) по параметру .
мВт
мВт
Из условия, что выбираем транзистор, проверяя его на соблюдение условия(2).
КТ602А
(Pkmax=850 мВт, fh21=5МГц)
Pkmax=850 мВт> ан∙Pкрmax=440мВт
fh21=5МГц>3fв=2,1 МГц
Условия (1) ,(2) выполняются, следовательно, данный транзистор можно использовать в выходном каскаде.
Режим работы транзистора, определяемый значениями тока покоя коллектора и постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером , должен быть таким, чтобы во внешней нагрузке обеспечивалась заданная (номинальная) мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых значений. По мощности и заданному напряжению источника питания E0 определим режим работы выходного транзистора:
где а =0,6…0,8 – коэффициент, учитывающий, что часть напряжения источника питания выделяется на резисторе цепи эмиттера, используемого для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току.
В
мА
Применительно к выбираемому транзистору выходного каскада должны выполнятся следующие неравенства:
;
Ukэmax- максимально допустимое значение напряжения на переходе Кэ по переменному току.
ikmax-максимально допустимый ток коллектора в рабочем режиме(по переменному току)
Ukэmax=100В
ikmax=0,75А
вернёмся к неравенствам:
а) 100В>2•10.5=21 В
б) 0,75А>1.6•41.9•10-3=67.04•10-3А
неравенства а) и б) выполняются
Ukэ ,(В) ik, мА Pкрmax, мВт
10.5 41.9 440
Максимально допустимые значения Pкmax, Ukэmax, ikmax зависят от температуры перехода и условий охлаждения, определяемых величинами тепловых сопротивлений: промежутков переход - окружающая среда (Rпс ), переход-корпус ( Rпк), корпус - окружающая среда (Rкс).
, где - температура перехода, =
Параметры транзистора КТ602А:
Pkmax
Вт fh21
МГц fт
МГц Uкэmах
В iкmах
А tп
0С Rпс
0С/Вт Iкбо
мкА Cк
пФ r`бСк
пс h21
min max
0.85 5 200 100 0.75 120 150 70 4 300 20 40 80
Найдём оптимальное сопротивление нагрузки выходного транзистора для переменного тока:
Rн=
ξ=0,7…0,8- коэффициент использования коллекторного напряжения
ξi=0,8…0,95- коэффициент использования коллекторного тока
Ом
Вычислим коэффициент трансформации выходного трансформатора (КПД трансформатора равен 1)
Проверим выполнение условия:
Pн=1/2•ξ•ξi•Ukэ• Ik≥(1,2…1,6)P2, где Pн- мощность сигнала в коллекторной цепи транзистора
Pн=1/2•0,8•0,9•10,5•0,0419=1.578>1,6•0,055=0.088
1.578Вт>0.088Вт
Rн, Ом n˝ Pн, мВт
222.75 0.86 88
2. 3. Расчет необходимого значения глубины обратной связи
Основное назначение ОС заключается в уменьшении нелинейных искажений и повышении стабильности коэффициента усиления усилителя. Требования по линейности оказываются, как правило, более жесткими и определяют необходимое значение глубины ОС
где kГF – коэффициент гармоник усилителя с ОС, приведенный в техническом задании; (kГF =0,038)
kГ – коэффициент гармоник усилителя без ОС, который следует принять равным ориентировочно (2…3) %
kГ=3
2. 4. Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов
Для расчета общего числа каскадов усилителя N (рис. 3) следует выбрать транзисторы предварительных каскадов из серии маломощных, проверив их пригодность только по одному условию – по частоте. В каскадах предварительного усиления (в том числе и входном) целесообразно использовать одинаковые транзисторы.
, где 3·fв=2,1 МГц
выбираю транзистор КТ312Б – кремниевый транзистор n-p-n структуры, маломощный, высокочастотный.
Pkmax
Вт fh21
МГц fт
МГц Uкэmах
В iкmах
А tп
0С Cк
пкФ r`бСк
пс h21
min max
0,225 5,5 150 35 0,03 150 5 500 25 27,3 30
fh21=5,5МГц 5,5МГц >2,1МГц
Связь цепи усиления с источником сигнала целесообразно делать трансформаторной. Коэффициент трансформации входного трансформатора n` выбирается из условия получения оптимального по шумам сопротивления источника сигнала Rг1опт для транзистора входного каскада:
Rг1опт зависит от частотных свойств транзистора (Rг1опт =200…500 Ом при fт≤0,1ГГц; Rг1опт =100…300 Ом при 0,1≤fт≤1ГГц; Rг1опт =50…150 Ом при fт>0,1ГГц ).
Т.к. fт=150МГц, то Rг1опт =200 Ом
отсюда коэффициент трансформации входного трансформатора равен:
Число предварительных каскадов усиления N-1 определяются следующими двумя критериями:
1)коэффициент усиления усилителя без ОС К должен быть достаточным для обеспечения заданного значения КF при требуемой величине F;
2)транзисторы этих каскадов должны быть достаточно высокочастотными, чтобы при необходимом значении F выполнялись условия устойчивости.
Условие 1 выполняется, если
, где
b-коэффициент, учитывающий потери тока межкаскадных цепях, b=0,5…0,75; h21- параметр транзисторов предварительных каскадов, h21N-выходного каскада. Rвх – входное сопротивление усилителя без ОС:
, где h11=300…3000 Ом
При согласовании входного сопротивления усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала R1=7RвхF иВведение2.5 Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления
Стабильность коэффициента усиления будет удовлетворять требованиям технического задания, если:
Проверяем выполнение условий стабильности для выбранных транзисторов и числа каскадов N=3:
Сравниваем полученное значение F со значением, полученным в пункте 2.3, и выбираем большее.
78.9>22.25 значит выбираем F=78.9
Выбор транзисторов и числа каскадов по условиям эскизного расчета в дальнейшей корректировки не нуждается.
3. Выбор схемы цепи усиления и расчет по постоянному току
3.1 Варианты построения К-цепи
Выбираем схему с непосредственной связью между каскадами, т.к. в усилителях с глубокой ОС удобно использовать непосредственную связь между каскадами. Отсутствие разделительных конденсаторов и базовых делителей напряжения упрощает усилитель, уменьшает габариты, дает экономию тока питания и улучшает АЧХ, особенно в области нижних частот. Но такие схемы по сравнению с теми, в которых используют разделительные конденсаторы, требует гораздо большего напряжения питания.
3.2Расчет каскадов усилителя по постоянному току
Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность.
Для транзистора выходного каскада режим выбран в пункте 2.2, исходя из требуемой выходной мощности.
При выборе режимов транзисторов каскадов предварительного усиления следует иметь ввиду, что предыдущий каскад должен обеспечивать требуемый уровень сигнала на входе последующего каскада. Учитывая потери сигнала в межкаскадных цепях, постоянный ток коллектора рассматриваемого каскада можно принять:
Iк(s-1)≥0,1∙Iks
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер рекомендуется выбирать, соблюдая неравенство Uкэ(s-1)≤Uкэs :
Рекомендуемые границы выбора режима работы транзисторов предварительных каскадов:
(1мА≤Iк≤15мА), 2В≤Uкэ≤5В
Ik3=21мА, значит Ik2≥0,1∙21; Ik2≥2,1, примем Ik2=3мА, а Ik1=1мА
Напряжения Uкэ1 и Uкэ2 выберем 3В и 4В соответственно.
Ik3=21 мА Uкэ3=10,5 В
Ik2=3 мА Uкэ2=4 В
Ik1=1 Ма Uкэ1=3 В
В расчётах полагаем эмиттерный ток равным Iк, пренебрегая током базы ввиду его малости.
Uбэ≈(0,5…0,7)В (используем кремниевые транзисторы)
Rк1=2800 Ом Rэ1=1400 Ом R”э2=667 Ом Rб1=4000 Ом
Rк2=5400 Ом R’э2=600 Ом Rэ3=360 Ом
Составим для данной схемы контурное уравнение, включающее падение напряжения на всех транзисторах
E0=(Uкэ3-Uбэ3 )+(Uкэ2-Uбэ2 )+ Uкэ1 + Uэ1
Uэ1=Е0-Uкэ3+Uбэ3-Uкэ2 + Uбэ2 - Uкэ1 =-15-10.5+0.6-4+0.6-3=-31.3 В
|Uэ1|=31.3В>0,5В, следовательно первый каскад надёжно стабилизирован и можно продолжать расчёт неизвестных напряжений контурных уравнений
Uэ3= E0 -Uкэ3=-15-10.5=-25.5 В
Uэ2+Uкэ2= Uэ3+ Uбэ3
Uэ2= Uэ3+ Uбэ3-Uкэ2=-25.5+0.6-4=-28.9В
Uк2= Е0-Uэ2-Uкэ2=-15-(-28.9)-4=9.9 В
Uк1= Uэ3-Uкэ1-Uэ1 =-25.5-3-(-31.3)=2,8В
U``э2= Uэ1 +Uбэ1 = -31.3+0.6=-30.7 В
Рассчитаем сопротивления резисторов схемы через напряжения на них и протекающие через них токи.
Из условия малого шунтирования входного сопротивления первого каскада выбираем Rб=4…6кОм. Возьмём Rб=5 кОм
4.Расчёт коэффициента усиления и параметров АЧХ
Целью расчёта является определение коэффициента усиления усилителя без ОС для области средних частот К, а также частот полюсов передаточной функции К-цепи.
Для расчетов необходимо К-цепь на каскады, каждый из которых включает один усилительный элемент и межкаскадные цепи. В рабочем диапазоне частот удобно каскадом усиления (S) считать цепь по рисунку, приведенному ниже.
Для такой цепи коэффициент усиления по напряжению на средних частотах:
RHS=RH-для выходного каскада
При непосредственной связи каскадов, ввиду отсутствия базового делителя, RБ1, RБ2=
h11-входное сопротивление, равное:
h11(1)=835,8 Ом; h11(2)=346,2 Ом; h11(3)=125,4 Ом
Ом
Ом
RH3=RH=711 Ом
Общий коэффициент усиления К-цепи определяется произведением коэффициентов всех каскадов усилителя с учётом коэффициентов трансформации.
Запас по усилению равен:
Если составляет 1,2…3, то проведенные расчёты не требуют корректировки. При следует в один из каскадов ввести местную обратную связь с глубиной FFS=2…3Литературанет
|
|
