Расчет схемы широкополосного усилителя

МИНИСТЕРСТВО  ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
 

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ 
 
 

Кафедра ПЭл 
 
 
 

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу:

«Электронные  цепи и микросхемотехника». 

Расчет  широкополосного усилителя 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                        Выполнил: Абабков А.В.  гр.523

 

                                        Проверил: Борисовский А.П..                 
 
 
 
 

Рязань 2008 г.

Оглавление: 

Введение 3

1. Задание    4

2. Принципиальная схема широкополосного усилителя   5

3. Описание  схемы широкополосного усилителя   6

4. Расчет 

      4.1. Расчет входного каскада 7

      4.2. Расчет промежуточного каскада 10

      4.3. Расчет выходного каскада 13

5. Расчет эмиттерных емкостей 16

6. Расчет фильтра  16

7. Расчет разделительных емкостей 17

8. Оценка нелинейных искажений 17

9. Моделирование работы схемы усилителя в Micro-Cap 8 19

  Заключение 21

  Библиографический список литературы 22

  Спецификация  23

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение 

    Широкополосные  усилители широко применяются в аппаратуре радиосвязи и измерительной технике. Как правило широкополосные усилители состоят из нескольких каскадов так как в большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в технике, как правило, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, распределить его по каскадам, определить требование к источникам сигналов, решить вопросы введения обратных связей и т.д. В большинстве случаев типовой широкополосный усилитель, состоит из трех каскадов: входного, промежуточного, выходного или оконечного. Входной каскад осуществляет согласование источника сигнала с усилителем, промежуточный выполняет основное усиление сигнала, выходной передает сигнал в нагрузку, как правило, низкоомную, осуществляя, в основном усиление по току. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Задание 
 

Широкополосный  усилитель  

R_Г=200 Ом; 

K_УС =60; 

R_н=75 Ом; 

f_н=100 Гц; 

f_в=10 МГц; 

М_н=3; 

М_в=3; 

U_вых=3 В; 

K_г=3 %; 
 
 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

3. Описание схемы  широкополосного  усилителя 

    Схема широкополосного усилителя состоит  из следующих элементов:

       - входного каскада;

       - фильтра высокой частоты;

       - промежуточного каскада;

       - выходного каскада;

    Входной каскад необходим для согласования генератора обладающего внутренним сопротивлением с промежуточным  каскадом. Во входной каскад введена  местная ООС по переменному току, изменением коэффициента которой достигается  заданный коэффициент усиления всего усилителя. Сигнал с выхода промежуточного каскада поступает на фильтр верхних частот, который определяет заданную верхнюю граничную частоту усилителя, нижняя же граничная частота определяется величинами  разделительных емкостей. 

    После фильтра сигнал поступает на промежуточный каскад усилителя, который из всех трех каскадов обладает наибольшим усилением. Далее усиленный сигнал через выходной каскад передается в нагрузку. Выходной каскад имеет ООС по току, что позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   4.1 Расчет выходного  каскада 

   1.  Определение напряжения питания  E_п : 

   

   Здесь U_вых – максимальное выходное напряжение, U_КЭнас≈1 В – падение напряжение на транзисторе в состоянии насыщения, U_зап≈9 В – запас по напряжению; Исходя из данных задания  U_вых= 3 В, получаем E_п=15 В. 

   2.  Выбор транзистора выходного  каскада.

   Для выходного каскада транзистор выбирают по следующим параметрам: верхней граничной частоте f_b, максимальной величине тока коллектора Iк, наибольшему допустимому напряжению коллектора U_{КЭ доп}, максимальной рассеиваемой транзистором мощности.

   Граничная частота передачи тока базы f_b должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя f_в: 

   f_b

5 f_в

   Исходя из данных задания f_в =10 МГц следовательно f_b≥50 МГц.

   Максимальный  ток коллектора выбирается из условия:

   

   Подставляя  данные получаем I_Kmax≥ 240 мА. Выберем I_Kmax=240 мА, тогда ток I_К0 выберем равным половине I_Kmax: I_K0 = 0.5 I_Kmax = 120 мА.

   Напряжение  питания усилителя Е_п должно быть меньше 0.8 U_{КЭ доп}.

   Максимальная  рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину    I_K0U_КЭ0=0,9 Вт, где U_КЭ0 – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой: = 7,5 В.

   Поставленным  требованиям удовлетворяет транзистор КТ624В. Его параметры:

    f_b = 450 МГц

    I_{К доп}  = 1,3 А > 0,24 А

    U_{КЭ доп} = 30 В. Е_п = 15 В < 0.8U_{КЭ доп} = 24 В.

     P _доп = 1,5 Вт > I_K0 U_КЭ0=0,9 Вт.

   3.  Расчет резисторов R_К  и R_Э.

   Значение  максимального напряжения на коллекторе U_Kмакс = Е_п = 15 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R_Э выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Е_п:

   U_RЭ = 0.1 Е_п

   При Е_п = 15 В, U_RЭ=1,5 В.

   

 

   Подставляя I_К0=0,12 А, получаем:  R_Э=12,5 Ом.

   Сопротивление в цепи коллектора R_К рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем:

   

,

   Подставив полученные данные получим: U_RК= 6 В. Сопротивление R_К определяется по формуле:

   R_K = U_RК / I_K0 ,

R_К = 50 Ом.

   

   Выходной  каскад: Выходные характеристики и нагрузочная прямая. 

   

 

   Выходной  каскад: Входные характеристики. 

   4.  Расчет сопротивления нагрузки  по переменному току R_Н~ :

   Сопротивление нагрузки по переменному току R_Н~ образовано параллельным соединением R_Н и R_К  и равно:

   

 

   Подставляя, получим:  R_Н~=30 Ом.

   5.  Определение входной проводимости  транзистора:

   Определяем  ток базы в рабочей точке (рис. 1): I_oб=2 мА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:

   

   ∆I_Б=8 мА, ∆U_БЭ=0,1 В,  y₁₁=0,08 См.

   6.  Определение крутизны транзистора:

   

   ∆I_К=0,15 А, ∆U_БЭ=0,03 В S=5 А/В.

   7.  Расчет резисторного делителя:

   С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим U_0Б:

   U_0Б=U_0Э+U_0БЭ,

   По  входным характеристикам определяем U_0БЭ=0,67 В, U_0Э=U_RЭ=1,5 В и подставляя получаем U_0Б=2,17 В.

   Номиналы  резисторов рассчитываются по формулам:

   

, ,

   Пренебрегая обратным током I_К0, выбирая I_Д=5I_0Б, рассчитываем номиналы резисторов:

   R1=1069Ом, R2=217 Ом;

   8.  Рассчитываем входное сопротивление  каскада по переменному току:

   Его величина определяется как суммарное  сопротивление параллельно включенных R1, R2, и (1/y₁₁)*γ, где γ=1+SR_Э – глубина ООС:

   R_ВХ≈=R1//R2//[(1/y₁₁)( 1+SR_Э)],

   

   Подставляя  числовые данные получаем: R_ВХ≈=146 Ом.

   9.  Определим коэффициент усиления  каскада:

   

,

   S=5 А/В, R_Н~=30 Ом, R_Э=12,5 Ом: K_U=1,36. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   4.2 Расчет промежуточного  каскада 

   1.  Напряжение питания E_п равно напряжению питания выходного каскада – 15 В:

   2.  Выбор транзистора промежуточного  каскада.

   Для промежуточного каскада транзистор выбирают аналогично транзистору выходного каскада: по верхней граничной частоте f_b, максимальной величине тока коллектора Iк, максимальной рассеиваемой транзистором мощности и наибольшему допустимому напряжению коллектора U_{КЭ доп}. Различие в величине максимального тока.

   Максимальный ток коллектора выбирается из условия:

   

,

   Здесь K_U3=1,36 – коэффициент усиления выходного каскада, R_вх3=146 Ом – его входное сопротивление по переменному току;

   Подставляя  данные получаем I_Kmax≥ 51 мА. Определим I_Kmax=60 мА, ток I_К0 выберем равным половине I_Kmax: I_K0 = 0.5 I_Kmax = 30 мА.

   Напряжение  питания усилителя Е_п должно быть меньше 0.8 U_{КЭ доп}.

   Максимальная  рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину    I_K0U_КЭ0=0,225 Вт, где U_КЭ0 – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой: = 7,5 В.