135815 (Усилитель широкополосный), страница 3

Рассчитаем рабочую точку предоконечного каскада с учетом полученных данных( = ):

1) , (4.2)

где - напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;

- напряжение на выходе усилителя;

- остаточное напряжение на транзисторе.

2) Найдем эквивалентное сопротивление оконечного контура на граничной частоте :

(4.3)

3) (4.4)

4) =1,1 =22,684332мА, (4.5)

где - постоянная составляющая тока коллектора;

- сопротивление нагрузки по сигналу.

5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна

(4.6)

4.2 Выбор транзистора для промежуточного каскада

Найдем необходимые предельные характеристики транзистора:

1) (4.7)

2) (4.8)

3) (4.9)

4) , (4.10)

где из технического задания.

Т.к. все необходимые предельные параметры, кроме граничной частоты, значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, то при выборе транзистора основным критерием будет граничная частота (f_T).

По необходимым предельным характеристикам был выбран транзистор KT316А. Ниже перечислены характеристики транзистора:

Это кремниевый эпитаксиально - планарный n-p-n переключательный маломощный и СВЧ усилительный с ненормированным коэффициентом шума транзистор. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.

Основные параметры транзистора:

1) Граничная частота коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:

f_Г =1000 МГц;

2) Постоянная времени цепи обратной связи:

τ_с=50пс;

3) Емкость коллекторного перехода при U_кб=5В:

С_к=2пФ;

4) Емкость эмиттерного перехода:

C_э=1,2пФ;

5) Максимально допустимое напряжение на переходе К-Э:

Uкэ max=10 В;

6) Максимально допустимый ток коллектора:

Iк max = 50 мА;

7) Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе:

Pк мах = 150 мВт .

Выберем следующие параметры рабочей точки:

Т.к. транзистор хорошо работает только начиная с 5В то примем и .

4.3 Расчёт эквивалентных схем замещения

Эквивалентная схема биполярного транзистора изображена на рисунке 4.1.

При использовании транзисторов до (0,2 - 0,3)f_т возможно применение упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных.

Рисунок 4.1- Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

1) (4.11)

2) Rб =τ_с/С_к=50пс/2пФ=25Ом; (4.12)

gб = = 40мCм, (4.13)

где R_б- сопротивление базы.

3) rэ= = =2,2Ом, (4.14)

где Iк0 в мА;

rэ - сопротивление эмиттера.

4) gбэ= = , (4.15)

где gбэ- проводимость база-эмиттер;

- справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

5) Cэ= = , (4.16)

где Cэ - ёмкость эмиттера;

fт - справочное значение граничной частоты транзистора.

6) Ri = , (4.17)

где Ri - выходное сопротивление транзистора;

Uкэ0(доп), Iк0(доп) - соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.

4.4 Расчёт эмиттерной термостабилизации

Т.к. режим работы транзистора малосигнальный, то применим эмиттерную термостабилизацию.

Эмиттерная 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 5В.

Рисунок 4.2-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры элементов данной схемы:

1) Необходимое напряжение питания:

Е_п=U_Rэ+U_кэ0+I_к0*R_к (4.18)

Значение источника питания необходимо выбирать из стандартного ряда поэтому выберем напряжение U_Rэ с учетом того, что Е_п=10В:

2) Напряжение на резисторе Rэ:

U_Rэ = E_п-U_кэ0 = 10В-5В = 5В (4.19)

3) Сопротивление эмиттера:

(4.20)

4) Напряжение на базе транзистора:

U_б = U_Rэ+0,7В=5,7В (4.21)

5) Базовый ток транзистора:

Iб= (4.22)

6) Ток делителя:

Iд =5Iб = 1мА, (4.23)

где Iд - ток протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2.

Сопротивления делителей базовой цепи:

7) Rб1 = (4.24)

8) Rб2 = (4.25)

4.5 Переход к однонаправленной модели транзистора

Т.к рабочие частоты усилителя заметно больше частоты , то из эквивалентной схемы можно исключить входную ёмкость, так как она не влияет на характер входного сопротивления транзистора. Индуктивность же выводов транзистора напротив оказывает существенное влияние и потому должна быть включена в модель. Эквивалентная высокочастотная модель представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3- Однонаправленная модель транзистора

1) , (4.26)

где - статический коэффициент передачи по току транзистора.

2) (4.27)

3) Постоянная времени транзистора:

(4.28)

4) Входная ёмкость:

(4.29)

5) Входное сопротивление каскада:

(4.30)

6) (4.31)

(4.32)

7) Коэффициент усиления транзистора по напряжению в ОСЧ:

(4.33)

8) Выходная ёмкость:

(4.34)

9) Постоянная времени в ОВЧ:

(4.35)

Рисунок 4.4- Принципиальная схема некорректированного каскада и эквивалентная схема по переменному току

Для расчета искажений в ОВЧ распределим искажения на входной каскад 0,5дБ;

При заданном уровне частотных искажений =0,5дБ, верхняя граничная частота полосы пропускания каскада равна:

= =1,39МГц, (4.36)

где Y=0,944 уровень искажений данного каскада.

Т.к. полученная верхняя частота получилась намного ниже требуемой (40МГц), следовательно, необходима ВЧ коррекция с большой глубиной. Выберем ВЧ эмиттерную коррекцию.

4.6 Расчет промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией

Принципиальная схема каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 4.5,а, эквивалентная схема по переменному току на рисунке 4.5,б, где - элементы коррекции. При отсутствии реактивности нагрузки эмиттерная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором, увеличивая амплитуду сигнала на переходе база-эмиттер, с ростом частоты усиливаемого сигнала.

а) б)

Рисунок 4.5 Схемы корректированного каскада

Коэффициент передачи каскада в области верхних частот, при выборе элементов коррекции и соответствующими оптимальной по Брауде форме АЧХ, описывается выражением:

1) Возьмем F=13, тогда

(4.37)

2) Т.к. , то (4.38)

3) n = K_0*R_1*C_вх/τ_в=19,394∙30Ом∙819,17пФ/40,92нс=11,64735 (4.39)

4)

(4.40)

5)

(4.41)

6) (4.42)

7)

, (4.43)

где . (4.44)

Т.к. верхняя частота корректированного каскада получилась больше требуемой, то искажения, вносимые каскадом будут не более 0,5дБ.

Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

8) = (4.45)

9) (4.46)

10) (4.47)

5 Искажения, вносимые входной цепью

Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рис. 5.1,а, эквивалентная схема по переменному току на рис. 5.1,б.

а) б)

Рисунок 5.1 Входная цепь каскада

1) Из (4.45) ,

где – входная емкость каскада.

2) Из (4.47) ,

где – входное сопротивление каскада.

3) (5.1)

4) (5.2)

5) (5.3)

7) Искажения вносимые входной цепью по уровню 0,5 дБ равны:

= =437,32МГц, (5.4)

где Y=0,944.

6 Расчет результирующей характеристики

Построение результирующей характеристики в нашем случае заключается в построении АЧХ, которая сроится на основании полученного сквозного коэффициента усиления и искажений на нижних и верхних частотах, указанных в техническом задании.

Итоговая амплитудно-частотная характеристика усилительного устройства находится как произведение коэффициентов передачи всех каскадов усилителя: Ko = K1∙K2, где K1,.K2 – коэффициенты усиления соответсвенно первого и второго каскадов.

АЧХ усилителя приведем в нормированном виде для удобства сравнения ее с различными АЧХ других усилителей.

Результирующая характеристика представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 АЧХ усилителя

Yн = 0,707945784;

Yв = 0,794328234;

fн = 4МГц;

fв = 40МГц;

Ko = 80,12(раз).

Значению “1” соответствует значение коэффициента усиления указанного в задании - S21 = 20дБ.

7 Заключение

В ходе курсового проектирования был разработан широкополосный усилитель с характеристиками близкими к указанным в техническом задании.

Выходной каскад обеспечивает требуемое выходное напряжение

Промежуточный каскад дает необходимое усиление и искажения в пределах допустимого.

В общем можно сказать, что спроектированный мною усилитель, удовлетворяет всем требованиям указанных преподавателем в задании. Что говорит о правильности проделанной работы.

По окончании курсового проекта можно сказать о том, что проделанная работа была перевыполнена за счет того что требуемое усиление по заданию составляет 20дБ или 10(раз), а в результате работы было получено усилении 80,12(раз), из которых только 53,7 приходится на оконечный каскад.

Который также удовлетворяет искажениям(2дБ), указанных в техническом задании при этом не требуя дополнительной коррекции.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о том, что дополнительный расчет промежуточного каскада был сделан для более подробного изучения поставленной передо мной задачей