Широкополосный усилитель

Техническое задание

Усилитель должен отвечать следующим требованиям:

1 Рабочая полоса частот: 0,8-30 МГц

2 Допустимые частотные искажения

в области нижних частот не более 1,5 дБ

в области верхних частот не более 3 дБ

3 Коэффициент усиления 30 дБ

4 Амплитуда выходного сигнала Uвых=8В

5 Диапазон рабочих температур: от +25 до +50 градусов Цельсия

6 Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=50 Ом

Содержание

1 Введение. 5

2 Структурная схема усилителя. 6

2.1 Определение числа каскадов. 6

3 Распределение искажений АЧХ.. 6

4 Расчет выходного каскада. 7

4.1 Расчет рабочей точки. 7

4.1.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада. 7

4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада. 11

4.2 Выбор транзистора выходного каскада. 13

4.3 Расчет эквивалентных схем транзистора. 14

4.3.1 Расчет схемы Джиаколетто. 14

4.3.2 Расчет высокочастотной однонаправленной модели. 17

4.4 Расчет цепей термостабилизации. 18

4.4.1 Эмиттерная термостабилизация. 18

4.4.2 Пассивная коллекторная термостабилизация. 20

4.4.3 Активная коллекторная термостабилизация. 21

4.5 Расчет некорректированного каскада. 24

4.5.1 Анализ каскада в области верхних частот. 24

4.5.2 Расчет искажений, вносимых входной  цепью.. 27

4.6 Расчет элементов эмиттерной  коррекции. 29

5 Расчет входного каскада. 32

5.1 Расчет рабочей точки. 32

5.2 Выбор транзистора входного каскада. 33

5.3 Расчет эквивалентных схем транзистора. 33

5.4 Расчет схемы термостабилизации. 34

5.5 Расчет не корректированного каскада. 35

5.6 Расчет элементов эмиттерной  коррекции. 36

5.7 Расчет искажений, вносимых входной  цепью.. 38

6 Расчёт коллекторных дросселей и разделительных ёмкостей. 40

7 Амплитудно-частотная характеристика усилителя. 43

8 Заключение. 45

Список использованных источников. 46

Схема электрическая принципиальная. 47

Перечень элементов. 48

1 Введение

В данном курсовом проекте рассчитывается широкополосный усилитель СВЧ. В настоящее время такие усилители могут применяться в осциллографии, в исследованиях прохождения радиоволн в различных средах, в том числе прохождения различных длин волн в городских условиях. Также в последнее время весьма актуальна задача поиска и обнаружения подслушивающе–передающих устройств (“жучков”). Одним из основных требований в данном случае является обеспечение необходимого усиления принимаемого сигнала в широкой полосе частот. Но так как коэффициент усиления транзистора на высоких частотах составляет единицы раз, то при создании усилителя необходимо применять корректирующие цепи, обеспечивающие максимально возможный коэффициент усиления каждого каскада усилителя в заданной полосе частот. 

2 Структурная схема усилителя

2.1 Определение числа каскадов

Так как на одном каскаде трудно реализовать усиление 30дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используем сложение двух каскадов. Учитывая, что входная цепь ослабляет общий коэффициент усиления всего усилителя считаем, что каждый каскад в среднем даёт усиление в 9 раз, или 19,085 дБ.

Структурная схема усилителя, представленная на рисунке 2.1, содержит кроме усилительных каскадов источник сигнала и нагрузку.

Рисунок2.1-Структурная схема усилителя

3 Распределение искажений АЧХ

Исходя из технического задания, устройство должно обеспечивать искажения в области верхних не более 3дБ и в области нижних частот не более 1.5дБ. Так как используется два каскада, то получаем, что каждый может вносить не более 1.5дБ искажений в общую АЧХ. Так как наибольшие искажения в АЧХ усилителя обычно вносит входная цепь, то распределим их с запасом, т.е. YB для каждого каскада возьмем по 0.5дБ а на входную цепь оставим 2дБ.

Эти требования накладывают ограничения на номиналы элементов, вносящих искажения.

4 Расчет выходного каскада

4.1 Расчет рабочей точки

Рабочей точкой называются ток и напряжение на активном элементе при отсутствии входного воздействия.

Рассмотрим две схемы реализации выходного каскада: резистивную и дроссельную. Выбор той или иной схемы осуществим на основе полученных данных расчета. Критерий выбора – оптимальные энергетические характеристики схемы.

4.1.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада

Принципиальная схема резистивного каскада и эквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.1,а и 4.1,б соответственно.

Сопротивлением по переменному току для резистивного каскада будет являться параллельное соединение сопротивлений Rk и Rн  (рисунок 4.1,б):

                                                                               (4.1)

Принимая сопротивление коллекторной цепи транзистора Rk равным сопротивлению нагрузки Rн (Rн = 50 Ом), согласно формуле (4.1), получаем:

По известному сопротивлению нагрузки по переменному току и выходному напряжению можно найти выходной ток:

                                                                            (4.2)

В результате ток равен:

Зная выходное напряжение и ток, определим координаты рабочей точки согласно следующим формулам:

,                                                                         (4.3)

где      Iко – ток в рабочей точке;

Iвых – выходной ток;

Iост - остаточный ток, принимается равным 0.1*Iвых.

,                                                                           (4.4)

где      Uкэо – напряжение в рабочей точке;

Uвых – выходное напряжение;

Uнас - начальное напряжение нелинейного участка выходных

 характеристик транзистора, выбирается от 1В до 2В.

Полагая Uнас=1.5В, по формулам (4.3)  и (4.4) находим:

Напряжение источника питания для схемы, представленной на рисунке 4.1,а, будет составлять сумму падений напряжений на сопротивлении Rк и транзисторе:

.                                                                    (4.5)

Перепишем выражение (4.5) в следующем виде:

.                                                                            (4.6)

Выражение (4.6) есть ни что иное как уравнение прямой (в данном случае ток Iкo является функцией аргумента Uкэо), которая называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой и будет изменяться рабочая точка.

Для проведения прямой выберем две точки с координатами (Еп,0) и (0,Iкmax):

В сигнальном режиме строится нагрузочная прямая по переменному току. Для построения данной прямой зададимся некоторым приращением тока и соответствующим приращением напряжения, учитывая, что в данном случае сопротивление нагрузки будет определяться выражением (4.1):

.                                                                         (4.7)

Для упрощения расчетов примем  . Тогда после подстановки в выражение (4.7) числовых значений получаем:

Нагрузочные прямые по постоянному и переменному токам представлены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Нагрузочные прямые для резистивного каскада

Мощности, рассеиваемая на транзисторе, потребляемая каскадом и выходная, определяются согласно следующим выражениям:

,                                                                            (4.8)

,                                                                                (4.9)

.                                                                    (4.10)

По формулам (4.8), (4.9) и (4.10) вычисляем соответствующие мощности:

Коэффициент полезного действия (КПД) рассчитывается по формуле

                                                                               (4.11)

Подставляя  в (4.11) числовые значения, получаем:

4.1.2 Расчет рабочей точки для дроссельного каскада

В отличие от предыдущего каскада дроссельный имеет в цепи коллектора вместо сопротивления Rк дроссель Lдр.

Принципиальная схема дроссельного каскада и эквивалентная схема по переменному току представлены на рисунках 4.3,а и 4.3,б соответственно.

1	2	3	4	5	6	7