СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт инженерной физики и радиоэлектроники Кафедра радиотехники

Курсовой проект

Расчет широкополосного усилителя

Преподаватель___________ Григорьев А.Г.

подпись, дата

Студент РФ 10-11 051014920 ____________ Ларичкин А. В.

подпись, дата

Красноярск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения……………………………………………………………..3

1.1. Техническое задание…………………………………………………….3

1.2. Анализ технического задания…………………………………………..3

2. Расчет усилителя……………………………………………………………4

2.1. Расчет и выбор структурной схемы усилителя………………………..4

2.2. Расчет выходного каскада………………………………………………6

2.3. Расчет промежуточного каскада………………………………………..8

2.4. Расчет входного каскада……………………………………………….10

3. Расчет элементов высокочастотной коррекции…………………………12

3.1. Расчет элементов высокочастотной коррекции……………………...12

3.2. Расчет элементов, определяющих характеристику в области нижних частот……………………………………………………………………13

4. Расчет АЧХ………………………………………………………………...15

4.1. Расчет АЧХ в области верхних частот………………………………..15

4.2. Расчет АЧХ в области нижних частот………………………………..17

4.3. Расчет частотных искажений………………………………………….19

Заключение……………………………………………………………………20

Список использованных источников………………………………………...21

ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………….22

ПРИЛОЖЕНИЕ Б……………………………………………………………..24

ПРИЛОЖЕНИЕ В……………………………………………………………..25

1. Общие сведения

1.1. Техническое задание

ЭДС входного сигнала E=7 мВ,

Активная нагрузка R_н=50 кОм,

Емкость нагрузки С_н = 5 пФ,

Коэффициент частотных искажений на нижних частотах M_н= 1.4 дБ,

Коэффициент частотных искажений на верхних частотах М_в = 2.1 дБ,

Минимальная температура Т_мин = 5 ºС,

Максимальная температура Т_макс = 45 ºС,

Сопротивление источника R_ист = 400 Ом,

Нижняя граничная частота f_н = 20 Гц,

Верхняя граничная частота f_в = 12 МГц,

Входное сопротивление R_вх = 1000 Ом,

Нелинейные искажения К_г =3%,

Амплитуда выходного сигнала E_вых = 2.5 В.

1.2. Анализ технического задания

При коэффициенте усиления E_вых/E=357 усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту, что потребует применения высокочастотных усилительных секций. Низкое выходное напряжение при высокоомной нагрузке позволяет применять на выходе усилителя такую же секцию, как и в промежуточных каскадах. Наконец, ввиду низкой нижней граничной частоты желательно использование минимального числа блокировочных и разделительных конденсаторов.

2. Расчет усилителя

2.1. Расчет и выбор структурной схемы усилителя

Задаваясь коэффициентом запаса К_з=1.5, определяем расчетный коэффициент усиления[1]:

(1)

Необходимое число каскадов при максимальном коэффициенте усиления одно-двухтранзисторных интегральных микросхем Кm=40 [1]:

(2)

Получим число активных каскадов N=3.

Определим требования к отдельным каскадам:

а) Коэффициент усиления каскада [1]:

(3)

б) Коэффициент частотных искажений на нижних частотах [1]:

(4)

в) Коэффициент частотных искажений на верхних частотах [1]:

(5)

г) Нестабильность усиления в каждом каскаде [1]:

(6)

Определим необходимую площадь усиления каждого каскада. Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления [1]:

(7)

Из графика (приложение А, рис. 9) по заданной кривой (2) находим проигрыш в площади усиления по сравнению с параллельной коррекцией [1]:

(8)

По графику (приложение А, рис. 10) найдем выигрыш, обеспечиваемый простой параллельной коррекцией при заданных частотных искажениях на высоких частотах. Значение К_к/K_opt задаем на уровне 0.9, так как допустимый подъем характеристик достаточно велик [1]:

(9)

Окончательный выигрыш в площади усиления при эммитерной коррекции [1]:

(10)

Рассчитываем необходимую верхнюю граничную частоту каждого каскада [1]:

(11)

Таким образом необходимая площадь усиления каскада [1]:

(12)

В итоге, для рассчитываемого усилителя принимаем трехкаскадную схему, состоящую из трех активных каскадов на усилительной секции ОЭ-ОБ (на ИС К265УВ6). В приложении Б приведена структурная схема усилителя (рис. 11), а также его функциональная схема (рис. 12).

2.2. Расчет выходного каскада

Задаваясь предварительно величинами емкости монтажа С_м =5 пФ и выходной емкости С_б`к=5 пФ [1]:

(13)

Ориентируясь на ИС К265УВ6 с током покоя I_к=4.4 мА, для минимально допустимого значения нагрузки имеем [1]:

(14)

Так как выберем величину R_к=910 Ом, тогда [1]:

(15)

Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока [1]:

(16)

Постоянная составляющая коллекторного тока [1]:

(17)

Определим напряжение питания. Для этого положим допустимое приращение коллекторного тока в результате температурной нестабильности [1]:

(18)

(19)

Полученное значение округляем до большего типового значения:

Определим сопротивление в эммитере[1]:

Напряжение коллектор - эммитер:

Для выбора транзистора по энергетическим параметра запишем систему неравенств [1]:

(20)

Данным параметрам удовлетворяет транзистор КТ361А, его параметры в рабочей точке [2]:

Определим параметры транзистора в рабочей точке [1]:

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Определим сопротивление эквивалентного генератора [1]:

(27)

И уточним емкость нагрузки [1]:

(28)

Оценим достижимую площадь усиления [1]:

(29)

Допустимый коэффициент усиления [1]:

(30)

Входное сопротивление транзистора с учетом обратной связи [1]:

(31)

А величина сопротивления обратной связи [1]:

(32)

Оценим нестабильность усиления каскада, для этого выберем наибольшую из относительных приращений коэффициентов передачи по току [1]:

(33)

Оценим нестабильность усиления каскада [1]:

(34)

Для обеспечения сопротивления обратной связи в каскаде необходимо включить между выводами 4 и 5 микросхемы дополнительный резистор, номинал которого будет рассчитываться как [4]:

(35)

Отсюда

Уточним значение этого резистора из ряда Е24:

На этом расчет выходного каскада можно считать законченным. В приложении В приведена принципиальная схема выходного каскада (рис. 13) с рассчитанными корректирующей, разделительными и блокировочной емкостью.

2.3. Расчет промежуточного каскада

В качестве промежуточного каскада будем использовать ИС К265УВ6 с теми же параметрами транзистора что и в предыдущем каскаде.

Сопротивление генератора в данном каскаде [2]:

(36)

Тогда, оцениваемая площадь усиления каскада[2]:

(37)

Допустимый коэффициент усиления [2]:

(38)

Сопротивление нагрузки, с учетом входного сопротивления выходного каскада [2]:

(39)

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи каскада [2]:

(40)

(41)

Нестабильность усиления промежуточного каскада [1]:

(42)

Рассчитаем как и для предыдущего примера дополнительное сопротивление, которое необходимо включить между 4 и 5 выводами схемы, для обеспечения необходимого сопротивления обратной связи [4]:

(43)

Отсюда получаем дополнительное сопротивление:

Теперь из ряда E24 выберем номинальное значение дополнительного сопротивления:

В приложении В приведена электрическая принципиальная схема промежуточного каскада (рис. 14).

2.4. Расчет входного каскада

Прежде всего, рассчитаем сопротивление генератора входного каскада [2]:

(44)

Оценим допустимую площадь усиления [2]:

(45)

Поскольку полученное значении больше требуемой площади усиления, то частотные требования выполнены.

Допустимый коэффициент усиления каскада [2]:

(46)

Необходимый коэффициент усиления каскада, с учетом входной цепи [2]:

(47)

(48)

Что при полном сопротивлении нагрузки [2]:

(49)

Дает [2]:

(50)

(51)

Рассчитаем нестабильность усиления [2]:

(52)

Также как и в предыдущих каскадах рассчитаем дополнительное сопротивление:

Соответственно выберем сопротивление из ряда Е24:

В приложении В (рис. 15) приведена принципиальная схема входного каскада, а также всего усилителя (рис.16).

3. Расчет элементов высокочастотной коррекции

3.1. Расчет элементов высокочастотной коррекции

Для входного каскада эквивалентная постоянная времени цепи равна [3]:

(53)

Для промежуточного каскада [3]:

(54)

Для выходного каскада [3]:

(55)

Постоянные времени корректирующих звеньев в первых двух каскадах равны эквивалентным, а в выходном каскаде [3]:

(56)

Значения корректирующих емкостей [3]:

(57)

(58)

(59)

Пересчитаем корректирующие емкости по ряду E12.

Оптимальный коэффициент коррекции [3]:

(60)

Так что при ранее выбранном К_к/К_opt=0.9, для корректирующей емкости получим [3]:

(61)

3.2. Расчет элементов определяющих характеристику в области нижних частот

Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах собраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области низких частот.

Эквивалентная постоянная времени каскада на нижних частотах [3]:

(62)

Так что постоянные времени цепи каждой из емкостей [3]:

(63)

(64)

Эквивалентные сопротивления для низких частот.

Для выходной разделительной емкости [3]:

(65)

Для входной разделительной емкости [3]:

(66)

Для блокировочной емкости [3]:

(67)

Теперь рассчитаем величины каждого из конденсаторов [1]:

(68)

(69)

(70)

Пересчитаем емкости из рядов E6, E12, E24.

Промежуточный каскад. Здесь разделительная выходная емкость представляет собой входную разделительную емкость выходного каскада, поэтому ее можно не считать.

Для входной разделительной емкости [1]:

(71)

Емкость соответственно [1]:

(72)

Для блокировочной емкости [1]:

(73)

(74)

Пересчитаем емкости по рядам E6, E12, E24:

Входной каскад. Входная разделительная емкость [1]:

(75)

(76)

Для блокировочного конденсатора [1]:

(77)

(78)

4. Расчет АЧХ

4.1. Расчет АЧХ в области верхних частот [1]:

(79)

Для выходного каскада АЧХ определим [1]:

(80)

Рисунок 1 – АЧХ выходного каскада в области верхних частот

АЧХ для промежуточного каскада [1]:

(81)

Рисунок 2 – АЧХ промежуточного каскада в области верхних частот

Для входного каскада АЧХ [1]:

(82)

Рисунок 3 – АЧХ входного каскада в области верхних частот

Теперь посчитаем АЧХ всего усилителя в области верхних частот [4]:

(83)

Рисунок 4 – АЧХ усилителя в области верхних частот

4.2. Расчет АЧХ в области нижних частот

Для выходного каскада АЧХ будет равно [1]:

(84)

Рисунок 5 – АЧХ выходного каскада в области нижних частот

Для промежуточного каскада [1]:

(85)

Рисунок 6 – АЧХ промежуточного каскада в области нижних частот

АЧХ для входного каскада [1]:

(86)

Рисунок 7 – АЧХ входного каскада в области нижних частот

Теперь рассчитаем общую АЧХ усилителя в области нижних частот [4]:

(87)

Рисунок 8 – АЧХ усилителя в области нижних частот

4.3. Расчет частотных искажений

В таблице 1 сведены значения относительных коэффициентов усиления и частотных искажений на граничных частотах.

Таблица 1 – Относительные коэффициенты усиления и частотные искажения каскадов и усилителя

Параметр Каскад	Y_н(20)	M_н(20)	Y_в(18*10⁶)	M_в(18*10⁶)
Выходной	0.943	1.057	0.985	1.015
Промежуточный	0.932	1.073	0.979	1.021
Входной	0.932	1.073	0.996	1.004
Усилитель	0.852	1.116	0.973	1.028

Полученные коэффициенты частотных искажений соответствуют предъявленным к каскадам требованиям, М_н_i=1.08, М_в_i=1.101. Соответственно для всего усилителя сравним полученные частотные искажения cтехническим заданием,переведя полученные значения в децебеллы [4]. M_н=1.4 дБ, М_в=2.1 дБ

(81)

Видно, что данные значения удовлетворяют техническому заданию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был произведен расчет широкополосного усилителя. Оценка термостабильности усилителя показывает что нестабильность усиления всего усилителя равна 4.1%, что не превышает 10%. Полученные АЧХ в области верхних и нижних частот, а также рассчитанные по ним коэффициенты частотных искажений удовлетворяют техническому заданию.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Волошенко В.В., Григорьев А.Г , Юзов В.И. Аналоговые устройства: Методическое пособие к выполнению курсового проекта. КГТУ. Красноярск, 1996. 40 с.

2. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей (примеры расчетов): Методические указания по курсу «Усилительные устройства»

/ В.И. Юзов; КГТУ. Красноярск, 1983. 36с.

3. Юзов В.И. Проектирование широкополосных и импульсных усилителей «Расчѐт элементов коррекции и термостабилизации»: Методические указания по курсу «Усилительные устройства». КПИ. Красноярск, 1983. 44с.

4. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов/ В.А. Андреев, Г.В. Войшвилло, О.В. Головин [и др.]; Под ред. О.В. Головина. – М.: Радио и связь, 1993. 352 с.

5. Громыко А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств. [Электронный ресурс] : Электронное учебное пособие / А.И. Громыко, А.Г. Григорьев, В.Д. Скачко; ИПЦ СФУ. Красноярск, 2008.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Графики оценки площади усиления при различных видах коррекции