УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО БЛОКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛОКАТОРА

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО

БЛОКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛОКАТОРА

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

Схемотехника и АЭУ

                                                                                  
Студент гр. 148-3         

__________Воронцов С.А.

                                                                        24.04.2001

                                                                            
Руководитель

                                                                                        
Доцент кафедры РЗИ

_____________Титов А.А.

                                                                                  _____________

2001

Реферат

     Курсовой проект  18 с., 11 рис., 1 табл.

     КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
(АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, КОМБИНИРОВАННЫЕ
ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.

     Объектом проектирования является проектирование
усилителя приёмного блока широкополосного локатора. Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным
к нему требованиям. В процессе работы производился
аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был
произведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные
модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.

     В результате расчета был разработан широкополосный
усилитель с заданными требованиями.

Полученный усилитель может
быть использован как усилитель высокой частоты 

в приёмных устройствах.

Курсовая работа выполнена в
текстовом редакторе Microsoft Word 7.0.

    

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

    на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства”

    студент гр. 148-3 Воронцов С.А.

Тема проекта: Усилитель приёмного блока широкополосного локатора.

Исходные данные для проектирования аналогового устройства.

1. Диапазон частот от 100 МГц до 400 МГц.

2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB.

3. Коэффициент усиления 15 dB.

4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом.

5. Амплитуда напряжения на выходе 1 В.

6. Характер и величина нагрузки 50 Ом.

7. Условия эксплуатации (+10  +50)ºС.

8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу.

 

Содержание

1 Введение  ------------------------------------------
-----------------------------  5

2 Основная часть  ---------------------------------------------------------------- 
6

2.1 Анализ исходных данных
-------------------------------------------------- 6

2.2 Расчёт оконечного каскада 
-----------------------------------------------  6

2.2.1 Расчёт рабочей точки ---------------------------------------------------- 
6

2.2.2 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора 
-------------  9

2.2.2.1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто   
-------------------------- 9

2.2.2.2 Расчёт однонаправленной модели транзистора 
------------------  9

2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации 
--------------------------10

2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация 
-------------------------------------- 10

2.2.3.2 Пассивная коллекторная 
---------------------------------------------- 11

2.2.3.3 Активная коллекторная 
----------------------------------------------- 12

3 Расчёт входного каскада по постоянному току 
------------------------  13

3.1 Выбор рабочей
точки  ------------------------------------------------------  13

3.2 Выбор
транзистора  ---------------------------------------------------------  13

3.3 Расчёт эквивалентной схемы
транзистора------------------------------- 14

3.3.1
Расчёт цепи термостабилизации-----------------------------------------14

4.1  Расчёт полосы
пропускания выходного каскада-----------------------15

4.2. Расчёт полосы
пропускания входного каскада------------------------ 17

5     Расчёт ёмкостей и дросселей 
---------------------------------------------18

6   Заключение  
--------------------------------------------------------------------20

7 Список использованных источников----------------------------------------
21

1 Введение

 Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта
широкополосного усилителя по заданным к нему требованиям.

Всё более широкие сферы
деятельности человека не могут обойтись без радиолокации. Следовательно, к
устройствам радиолокации предъявляются всё более жёсткие требования. В первую
очередь это хорошее согласование по входу и выходу, хорошая повторяемость
характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки, миниатюризация.

          Всеми перечисленными выше
свойствами обладают усилители с отрицательными комбинированными обратными
связями [1], что достигается благодаря совместному
использованию последовательной местной  и параллельной обратной связи по
напряжению

    2 Основная часть

    2.1 Анализ исходных
данных

Исходя
из условий технического задания, наиболее оптимальным вариантом решения моей
задачи будет применение комбинированной обратной связи.[2]

Вследствие
того, что у нас будут комбинированные обратные связи, которые нам дадут хорошее
согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/2 выходного напряжения,
то возьмём Uвых в 2 раза больше заданного, т.е. 2В.

2.2 Расчёт оконечного каскада

    2.2.1 Расчёт
рабочей точки

Возьмём Uвых   в
2 раза больше чем заданное, так как часть выходной мощности теряется на ООС.[2]

Uвых=2Uвых(заданного)=2 (В)

Расчитаем выходной ток:

Iвых===0,04 (А)

Расчитаем каскады с резистором
и индуктивностью в цепи коллектора:

Расчёт резистивного каскада при условии Rн=Rк=50 (Ом) рис(2.2.1.1).

Рисунок 2.2.1.1- Резистивный
каскад           Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные прямые.

                          
по переменному току.

Расчитаем выходной ток для
каскада с резистором в цепи коллектора:

Iвых~===0,08 (А)

Расчитаем ток и напряжение в
рабочей точке:

Uкэ0=Uвых+Uост,
Uост примем равным 2В.                                                      
                             (2.2.1)

Iк0=Iвых~+0,1Iвых~                                                                                                                   (2.2.2)

Uкэ0=3 (В)

Iк0=0,088 (А)

Расчитаем выходную мощность:

Pвых===0,04 (Вт)

Напряжение питания тогда
будет:

Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0×Rк=7,4 (В)

Найдём
потребляемую и рассеиваемую мощность:

Pрасс=Uкэ0×Iк0=0,264
(Вт)

Рпотр= Eп×Iк0=0,651(Вт)

Для того чтобы больше мощности шло в нагрузку, в
цепь коллектора включаем дроссель.[2]

Расчёт каскада при условии что в цепь коллектора
включен Lк рис(2.2.1.3).

Рисунок 2.2.1.3- Индуктивный
каскад           Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые.

                           
по переменному току.

Расчитаем выходной ток для
каскада с индуктивностью в цепи коллектора:

Iвых= ==0,04 (А)

По формулам
(2.2.1) и (2.2.2) расчитаем рабочую точку.

Uкэ0=3 (В)

Iк0=0,044 (А)

Найдём напряжение
питания, выходную, потребляемую и рассеиваемую мощность:

Pвых===0,04 (Вт)

Eп=Uкэ0=3 (В)

Рк расс=Uкэ0×Iк0=0,132 (Вт)

Рпотр= Eп×Iк0=0,132 (Вт)

>

	Еп,(В)	Ррасс,(Вт)	Рпотр,(Вт)	Iк0,(А)
С Rк	7,4	0,264	0,651	0,088
С Lк	3	0,132	0,132	0,044

Таблица 2.2.1.1-
Характеристики вариантов схем коллекторной цепи

Из энергетического расчёта
усилителя видно, что целесообразнее использовать каскад с индуктивностью в цепи
коллектора.

Выбор транзистора осуществляется с
учётом следующих предельных параметров:

1.         
граничной
частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

;

2.         
предельно
допустимого напряжения коллектор-эмиттер

;

3.           
предельно
допустимого тока коллектора

;

4.           
предельной
мощности, рассеиваемой на коллекторе

.

Этим требованиям полностью
соответствует транзистор КТ996А. Его основные технические характеристики
приведены ниже.

Электрические параметры:

1.           
Граничная
частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;

2.           
Постоянная
времени цепи обратной связи пс;

3.           
Статический
коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;

4.           
Ёмкость
коллекторного перехода при  В пФ;

5.           
Индуктивность
вывода базы нГн;

6.           
Индуктивность
вывода эмиттера нГн.

Предельные эксплуатационные данные:

1.           
Постоянное
напряжение коллектор-эмиттер В;

2.           
Постоянный ток
коллектора мА;

        3.          Постоянная рассеиваемая мощность
коллектора  Вт;

        

2.2.2 Расчёт эквивалентных схем
замещения транзистора.

2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто.

 Рисунок 2.2.2.1.1-
Эквивалентная схема биполярного

                                
транзистора (схема Джиаколетто).

Найдём параметры всех
элементов схемы:[2]

Пересчитаем ёмкость
коллектора из паспортной:   Ск(треб)=Ск(пасп)*=1,6×=2,92
(пФ)

Найдём gб=, причём  rб= :

rб= =2,875
(Ом); gб==0,347 (Cм);

Для нахождения rэ воспользуемся
формулой rэ=, где Iк0 в
мА:

 rэ= =1,043
(Ом);

Найдём оставшиеся
элементы схемы

gбэ==0,017,где
ß0=55 по справочнику;

Cэ==30,5
(пФ),где fТ=5000Мгц по справочнику;

Ri= =100 (Ом), gi=0.01(См),где Uкэ(доп)=20В Iко(доп)=200мА.

    2.2.2.2Расчёт
однонаправленной модели транзистора.

Данная модель применяется в области
высоких частот.

Рисунок 2.2.2.2.1-
Однонаправленная модель транзистора.

Параметры эквивалентной схемы
расчитываются по приведённым ниже формулам.[2]

Входная индуктивность:

,                                                                                 
(2.2.2.1)

где –индуктивности
выводов базы и эмиттера.

Входное сопротивление:

,                                                                                        
(2.2.2.2)

где ,
причём , и  – справочные данные.

Выходное сопротивление:

.                                                                                 
(2.2.2.3)

Выходная ёмкость:

.                                                       
(2.2.2.4)

В соответствие с этими формулами
получаем следующие значения элементов эквивалентной схемы:

Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183
(нГн);

Rвх=rб=2,875 (Ом);

Rвых=Ri=100 (Ом);

Свых=Ск(треб)=2,92
(пФ);

fmax=fт=5 (ГГц)

2.2.3
Расчёт и выбор схемы термостабилизации.

2.2.3.1
Эмитерная термостабилизация.

   Эмитерная термостабилизация широко
используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не
значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо
стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на
эмиттере более 3В.[1]

Рисунок 2.2.3.1.1- Каскад с
эмитерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры
элементов данной схемы.

Uэ=4 (В);

Eп=Uкэ0+Uэ=7 (В);

Rэ= ==90,91 (Ом);

Rб1=, Iд=10×Iб, Iб=, Iд=10× =10×=0,008
(А);

Rб1==264,1
(Ом);

Rб2= =534,1
(Ом).

Наряду с эмитерной
термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторная
термостабилизации.[1]

2.2.3.2Пассивная коллекторная
термостабилизация:

Ток базы
определяется Rб. При
увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно
уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальше току коллектора. Но
чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на
10-20%, то есть Rк должно быть очень
велико, что оправдывается только в маломощных каскадах[1].

Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной
коллекторной термостабилизации

Rк==159.1(Ом);

URк=7 (В);

Eп=Uкэ0+URк=10 (В);

Iб==0.0008(А);

Rб= =2875 (Ом).

    2.2.3.3 Активная
коллекторная
термостабилизация.

Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что при
незначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится
(уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк
можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В см. рис.(2.2.3.3.1).[1]

b2=100;

Rк===22,73
(Ом);

Eп=Uкэ0+UR=4 (В); 

Iд2=10×Iб2=10×=0.00008 (A);

R3==28,75 (кОм);

R1==21,25 (кОм);

R2==4.75 (кОм).

Рисунок 2.2.3.3.1- Активная
коллекторная термостабилизация.

      Данная схема
требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и
активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и
будет не усиливать, а генерировать.Основываясь на проведённом выше анализе схем
термостабилизации выберем эмитерную.

                   3 Расчёт
входного каскада по постоянному току

3.1 Выбор рабочей точки

При расчёте требуемого режима
транзистора промежуточных и входного каскадов по постоянному току следует
ориентироваться на соотношения, приведённые в пункте 2.2.1 с учётом того, что  заменяется на входное
сопротивление последующего каскада. Но, при малосигнальном режиме, за основу
можно брать типовой режим транзистора (обычно для маломощных ВЧ и СВЧ
транзисторов  мА и В). Поэтому координаты
рабочей точки выберем следующие мА, В. Мощность, рассеиваемая на
коллекторе мВт.

3.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора осуществляется в
соответствии с требованиями, приведенными в пункте 2.2.1. Этим требованиям
отвечает транзистор КТ3115А-2. Его основные технические характеристики приведены
ниже.

Электрические параметры:

1.    граничная частота коэффициента
передачи тока в схеме с ОЭ ГГц;

2.    Постоянная времени цепи обратной
связи пс;

3.    Статический коэффициент передачи
тока в схеме с ОЭ ;

4.    Ёмкость коллекторного перехода при 
В пФ;

5.    Индуктивность вывода базы нГн;

6.    Индуктивность вывода эмиттера нГн.

7.    Ёмкость эмиттерного перехода  пФ;

Предельные эксплуатационные данные:

1.    Постоянное напряжение
коллектор-эмиттер В;

2.    Постоянный ток коллектора мА;

3.    Постоянная рассеиваемая мощность
коллектора  Вт;

3.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора

Эквивалентная схема имеет тот же
вид, что и схема представленная на рисунке 2.2.2.2.1 Расчёт её элементов производится по
формулам, приведённым в пункте     2.2.2.1

нГн;

пФ;

Ом

Ом;

Ом;

пФ.

3.3 Расчёт цепи термостабилизации

Для входного каскада также выбрана
эмиттерная термостабилизация, схема которой приведена на рисунке 3.3.1.

Рисунок 3.3.1

Метод расчёта схемы идентичен
приведённому в пункте     2.2.3.1 с той лишь особенностью что присутствует, как видно из рисунка,
сопротивление в цепи коллектора . Эта
схема термостабильна при В и  мА. Напряжение питания
рассчитывается по формуле В.

Расчитывая элементы получим:

Ом;

кОм;

кОм;

    4.1 Расчет полосы
пропускания выходного каскада

    Поскольку мы будем использовать комбинированные
обратные [1], то все соответствующие элементы схемы будут
одинаковы, т.е. по сути дела расчёт всего усилителя сводится к расчёту одного
каскада.

Рисунок 2.3.1 - Схема каскада с комбинированной
ООС

Достоинством схемы является то, что
при условиях

 и                                                                  (4.1.1)

схема оказывается согласованной по
входу и выходу с КСВН не более 1,3 в диапазоне частот, где выполняется условие ³0,7. Поэтому практически отсутствует
взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании [6].

При выполнении условия
(1.53), коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается
выражением:

,                                             (4.1.2)

где ;                                                                                   (4.1.3)

;

.

Из (2.3.1), (2.3.3) не
трудно получить, что при заданном значении

.                                           (4.1.4)

При заданном значении ,  каскада равна:

,                       (4.1.5)

где .

Нагружающие ООС уменьшают
максимальную амплитуду выходного сигнала  каскада, в котором они используются
на величину

.

При выборе            и  из
(4.1.3), ощущаемое сопротивление нагрузки транзистора каскада с комбинированной
ООС равно .

Расчёт
Kо:

Для реализации усилителя
используем четыре каскада. В этом случае коэффициент усиления на один каскад
будет составлять:

Ко==4.5дБ или 1.6
раза

 (Ом);

Rэ= (Ом);

;

;

Общий уровень частотных искажений равен 3 дБ, то Yв для одного каскада примем равным:

;

;

Подставляя все данные в (4.1.5) находим fв:

Рисунок 4.1.1- Усилитель приёмного блока
широкополосного локатора  на четырёх каскадах.

    4.2. Расчёт полосы
пропускания входного каскада

Все расчёты ведутся таким же
образом, как и в пункте 4.1 с той лишь разницей что берутся данные для
транзистора КТ3115А-2.Этот транзистор является маломощным,

тем самым, применив его в
первых трёх каскадах, где уровень выходного сигнала небольшой, мы добьемся
меньших потерь мощности.

 (Ом);

Rэ= (Ом);

;

;

Так каr в усилителе 4 каскада и общий уровень частотных
искажений равен 3 дБ, то Yв для
одного каскада примем равным:

;

;

Подставляя все данные в
(4.1.5) находим fв:

,

Все требования к усилителю
выполнены

5 Расчёт ёмкостей и
дросселей.

    Проводимый ниже расчёт
основан на [2].

 (нФ);

 (мкГн);

На нижних частотах
неравномерность АЧХ обусловлена ёмкостями Ср
и Сэ, поэтому пусть 1,5 dB вносят
Ср и столько же Сэ.

 ,
где                                                                               
(5.1)

 R1 и R2 сопротивления соответственно слева и справа от Ср

 Yн допустимые
искажения вносимые одной ёмкостью.

 (dB),  (раз),
для Ср1 и  (раз),
для Сэ.

R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср1