Электротехника \ Аналоговые электронные устройства

Расчёт усилителя гармонических сигналов до 5,5 В при амплитуде входного сигнала Е = 8 мВ

Страницы работы

9 страниц (Word-файл)

Посмотреть все страницы

Скачать файл

Содержание работы

РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Исходные данные к проекту

ЭДС входного сигнала: Е = 8 мВ; Сопротивление источника Rист. — 0,15 кОм;

Нагрузка: активная R_H— О, 075 кОм; Граничные частоты: нижняя f_н = 150 Гц;
Частотные искажения: М„ = 1 дБ; верхняя f_в — 5 МГц;

М₆ = 2, 8 дБ; Входное сопротивление: Rвх = 0,15 кОлг;

Температура: минимальная Г_Н = -15°С; Нелинейные искажения: Кг = 8%;

максимальная Тв = 40°С; Амплитуда вых. сигнала: Е_ВЪ1Х — 5, 5 В;

1. Выбор и обоснование структурной схемы и параметров каскадов.

Задаваясь коэффициентом запаса К₃ = 1,5, определяем расчётный коэффициент усиления:

Необходимое число каскадов при К_т = 40:

Требования к отдельным каскадам:

а) коэффициент усиления каскада:

б) коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

г) нестабильность усиления:

д) нелинейные искажения целиком относятся к выходному каскаду:

Определяем необходимую площадь усиления каждого каскада.

Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления:

Так как граничная частота невысока, используем усилительные секции с общим эмиттером и с коррекцией эмиттерной противосвязью. По графику (рис.2) находим находим проигрыш в площади усиления по сравнению с простой параллельной коррецией: К' = 0,79

Определяем выигрыш от простой параллельной коррекции по графмку рис.1. Значение Kk/K_optпринимаем равным 0,9

γ'_k= 2, 07

Выигрыш при эмиттерной коррекции:

γ_k=1+( γ'_k– 1) · К' =1 + (2,07 –1) ·0,79 = 1,85

Необходимая верхняя граничная частота и площадь усиления каждого каскада:

Такая площадь усиления может быть обеспечена каскадом с общим эмиттером на микросхеме К256УВ1. Так как сопротивление источника сигнала невелико, то входной подаётся непосредственно на первый каскад усиления на микросхеме

Так как нагрузка усилителя низкоомная, выходной каскад выполняется по схеме с общим эмиттером на достаточно мощном транзисторе.

2. Расчёт промежуточных каскадов усиления.

Уточняем сопротивление эквивалентного генератора

где R₆- сопротивление в цепи базы, R_K- коллекторное сопротивление предыдущего каскада. Эквивалентная ёмкость нагрузки:

Входное сопротивление каскада:

Так как сопротивление нагрузки каскада зависит от входного сопротивления следующего каскада, которое неизвестно, то первоначально задаём /?_ш равным коллекторному сопротивлению R_K, рассчитываем р, а затем уточняем R_Hi и Д^тр

Площадь усиления каскада:

Площадь усиления больше требуемой П_тр,- = 70,2 МГц, требования к частотным свойствам выполнены. Величина сопротивления эмиттерной обратной связи:

Оценка температурной нестабильности каскада. Максимальное относительное приращение коэффициента передачи по току:

Нестабильность усиления каскада:

i= 2,57% - нестабильность усиления меньше требуемой.

Постоянная времени корректируемого звена:

Коэффициент коррекции

Корректирующая ёмкость:

Расчёт корректирующей ёмкости в цепи эмиттера. Постоянная времени каскада:

Расчёт разделительных и блокирующей ёмкостей.

Каждая секция предварительного усиления на микросхеме нагружена на такой же однотипный каскад (за исключением последней), поэтому разделительная входная ёмкость является одновременно выходной ёмкостью предыдущего каскада. Разделительную выходную ёмкость не рассчитываем.

Постоянные времени для каждой из ёмкостей:

Эквивалентные сопротивления:

Ёмкости разделительного и блокирующего конденсаторов:

Постоянная времени каскада на низких частотах:

3. Расчёт каскада, работающего на согласованную нагрузку.

Так как по условию нагрузка усилителя низкоомная, то в качестве выходного выбираем каскад по схеме с общим эмиттером, собранном на достаточно мощном транзисторе

Сопротивление в коллекторной цепи транзистора согласовано с сопротивлением внешней нагрузки: R_K— R_H = 75 Ом.

Сопротивление нагрузки транзистора:

Амплитуда переменной и постоянная составляющие коллекторного тока:

При расчёте напряжения питания оконечного каскада принимаем:

где (Уне - постоянная составляющая напряжения на выходе микросхемы. Напряжение питания оконечного каскада:

Округляем до типового значения: Е_к = 30 В; Сопротивление постоянному току в цепи эмиттера:

Напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе:

С/ад = Е_к - и_э - /_к= • Я_к = 30 - 3 - 0, 2205 • 75 = 10, 5 В;

Для выбора транзистора записываем неравенства для предельно допустимых параметров:

Указанным параметрам удовлетворяет транзистор КТ904А, имеющий

UxBmax= 60 В; 1_Ктах = 0, 8 А; Рк_тах = 5 Вт; Входное сопротивление каскада и сопротивление обратной связи в цепи эмиттера:

Так как входное сопротивление каскада получилось маленьким, то для предотвращения снижения усиления предшествующей каскаду секции микросхемы используем дополнительный эмиттерный повторитель на транзисторе КТ373

Постоянное напряжение на эмиттере выходного каскада уменьшится при этом на 0, 6 В. Пересчитываем сопротивление постоянному току в цепи эмиттера:

Источником сигнала для оконечного транзистора служит эмиттерный повторитель с низким выходным сопротивлением. Принимаем сопротивления источника сигнала для оконечного транзистора равным R_r= 50 Ом.

Расчёт корректирующей ёмкости

Площадь усиления каскада:

Коэффициент коррекции

Корректирующая ёмкость:

Нестабильность усиления каскада:

Рассчитываем блокировочную ёмкость в цепи эмиттера и разделительную ёмкость на выходе. Постоянная времени каскада на низких частотах:

Постоянные времени для каждой из ёмкостей:

Эквивалентные сопротивления:

Разделительная и блокировочная ёмкости:

4. Расчёт амплитудно-частотных характеристик усилителя.

Амплитудно-частотные характеристики каждого каскада в области верхних частот рассчитываем по формуле:

где г_е; - постоянные времени каскадов.

Для каждой из 2 секций промежуточных усилителей т_в = 6,4- 10~⁹ с, для оконечного каскада т_в =

14,65- КГ⁹ с.

Амплитудно-частотную характеристику всего усилителя получаем перемножением У^,-.

Рассчитанные значения ув усилителя сведены в таблицу, график приведён на рис.2.

f, МГц	1	2	4	6	8	10
vb	0,999	0,997	0,987	0,969	0,94	0,899

Амплитудно- частотную характеристику усилителя в области низких частот рассчитываем по формуле

где постоянные времени τвхiиτэоiсоответствуют разделительному и эмиттерному блокировочному конденсаторам каждого из 2-х каскадов промежуточного усиления, τр и τэо –разделительному выходному и эмиттерному блокировочному конденсаторам выходного каскада

Рассчитанные значения Yн усилителя сведены в таблицу, график приведен на рисунке.

f, МГц	100	125	150	200	500	1000
Yн	0,777	0,848	0,89	0,936	0,989	0,997

5.Расчет нелинейных искажений

Нелинейные искажения рассчитываем методом трех ординат.

На семействе выходных характеристик выходного транзистора строим нагрузочную характеристику по постоянному току, проходящую через рабочую точку А с Iк= =0,2205 А. Строим нагрузочную характеристику по переменному току учитывая, что при согласованной нагрузке сопротивление для переменного тока в цепи коллектора в 2 раза меньше.

Определяем минимальное и максимальное значения тока базы, и ток базы в рабочей точке: Iбmin = 0.85 mА Iбo = 2.3 mА Iбmax = 4mА

Определяем амплитуды гармоник

Коэффициент гармоник:

С учётом поправки на высшие гармоники А> = 1,3-0,1427 = 0,1855; Коэффициент гармоник с учётом отрицательной обратной связи:

6. Заключение.

Разработанный усилитель обеспечивает усиление гармонического сигнала до 5,5 В при амплитуде входного сигнала Е = 8 мВ в полосе частот от 150 Гц до частоты 9 МГц.

При этом верхняя частота полосы пропускания выше заданной так как использована частотная коррекция в цепи эмиттеров транзисторов.

Нестабильность усиления в заданном диапазоне температур равна SK= 2 • 2, 57 + 2, 3 = 7, 44% < 10%

Коэффициент нелинейных искажений: Л'р = 1,51% < 8%

Коэффициент нелинейных искажений получился лучше заданного благодаря применению в выходном каскаде отрицательной обратной сязи в цепи эмиттера.

Принципиальная схема усилителя приведена на чертеже. В схеме использованы резисторы и конденсаторы со стандартными значениями сопротивлений и ёмкостей.

Для получения заданного входного сопротивления усилителя параллельно входу усилителя подключен резистор ri= 180 Ом.

Литература

1. Аналоговые устройства: Программа курса, задание и методические указания ... /
Сост. В.В.Волошенко, А.Г.Григорьев, В.И.Юзов; КГТУ, Красноярск, 1996.

2. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1983.

3. Проектирование широкополосных и импульсных усилитлей. Методические указания (ч. 1,2,3) /
Сост. В.И.Юзов; КрПИ, Красноярск, 1983.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / Под ред. Б.Л.Перельмана. - М.:
Радио и связь, 1981.