Широкополосный усилитель. Разработка и расчёт принципиальной схемы. Расчёт оконечного каскада. Расчёт предоконечного каскада

1. Введение.

Усилители электрических сигналов применяются в широкой области современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звукового вещания, радиолокации, ЭВМ. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Таким образом, усилительные элементы обладают управляющими свойствами.

Усилитель, рассматриваемый в данной работе, можно использовать в приёмопередающей аппаратуре связи.

2. Выбор и обоснование структурной схемы

Структурные схемы применяются для упрощенного изображения схем электронных устройств, в том числе и схем усилителей. Структурная схема состоит из прямоугольников, обозначающих основные узлы устройства.

Произведём предварительный расчёт каскадов:

В данной работе необходимо реализовать усиление по напряжению К = 1300. Реализовать это усиление в одном каскаде невозможно, приходится прибегать к многокаскадной схеме. Отведём на каждый каскад усиление примерно в 40 раз, тогда количество каскадов можно рассчитать по формуле: lgKⁿ

N = N_a + N_б =  + N_б , где N_a - предполагаемое количество “активных” каскадов lgK

(К>1), N_б -  предполагаемое количество  каскадов с К≤1, K_n - коэффициент усиления усилителя в целом, K - коэффициент усиления одного “активного” каскада.

lg1300

        N = +1= 2.94 .

lg40

Рассчитанную величину N округляют до ближайшего целого числа. В нашем случае количество каскадов N = 3.

Распределим искажения между каскадами:

На предварительный усилитель отведём 2.2 дБ, на входной каскад – 0.6 дБ искажений в верхней области АЧХ. Все искажения в нижней области АЧХ приходятся на конденсатор.

Рассмотрим назначение основных узлов разрабатываемого усилителя, структурная схема которого изображена на  рис.1.

рис 1.

Оконечный каскад предназначен для согласования выхода предварительного усилителя с низкоомной нагрузкой. Оконечным каскадом может служить эммитерный повторитель.

Предварительный усилитель усиливает сигнал с выхода входного каскада до уровня напряжения заданного в Т.З. (при условии, что коэффициент передачи по напряжению оконечного каскада равен единице). В качестве промежуточного каскада можно использовать дифференциальный каскад с корректированной ВЧ коррекцией. В частотных пределах 0 - 1000 МГц схема ДУ способна выполнять самые разнообразные и сложные радиотехнические и другие аналоговые функции. Ее хорошие высокочастотные свойства, высокая стабильность режима, что позволяет соединять каскады последовательно без переходных конденсаторов.

Входной каскад служит для предварительного усиления входного сигнала до  необходимого уровня. Так как, источник с умеренным выходным сопротивлением, то в качестве входного каскада можно использовать усилительный каскад такого же типа как и в промежуточном.

Регулировка усиления осуществлена в цепи обратной связи входного каскада.

Конденсатор на входе включён для предотвращения попадания постоянной составляющей во входной каскад.

Блок питания используется для питания усилителя. С помощью его энергии усиливается сигнал.

3. Разработка и расчёт принципиальной схемы

Расчёт оконечного каскада.

            Низкоомная нагрузка представляет собой сравнительно малое активное сопротивление (порядка десятков – сотен Ом). Такая нагрузка требует сравнительно большого сигнального тока, для обеспечения в ней необходимой амплитуды напряжения. В этом случае в качестве оконечного каскада может быть использован эммитерный повторитель (рис.2). 

 

рис.2

Найдём максимальный ток коллектора

U^вых

I_km =    = 2.667 (мА) ρ

Постоянный ток

         I_0эп =1.2⋅ I_km = 3.2 (мА)

Выбираем транзистор из условия f_T>(20-50)f_B  -  КТ363Б.

           h21э = h21эmin ⋅h21эmax = 69.282

Сопротивление базы на ВЧ r_б′^=τk _Ck = 50 (Ом) 

Сопротивление эммитерного перехода 

ϕ^Т

        r_э = = 8.125 (Ом)

I₀эп

Рассчитаем крутизну транзистора

                    1                              ⁻³        1

S =                   =14.666⋅10    ( ), 

          R_Г + r_б′                             Ом

+ r_э

h21э где R_Г  выходное сопротивление предыдущего каскада( R_Г = 4.111(кОм) ).

Коэффициент передачи каскада

S^E ⋅ρ

        K = = 0.815

1+ S_E ⋅ρ

Входное сопротивление

        R_вх = r_б′ + (r_э + ρ)⋅(1+ h_21э) = 21.706 (кОм)

0.16

Входная ёмкость  C_вх =  + C_k = 2.346 (пФ)

f_T (r_э + ρ)

Расчёт предоконечного каскада.

В качестве предоконечного каскада выберем несимметричный дифференциальный усилитель с комплиментарной каскодной схемой (рис.3).

На высоких частотах схема несимметричного дифференциального усилителя