Рефотека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Проектирование аналоговых устройств

Министерство образования Российской Федерации


ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)


Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ)


УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой РЗИ

____________В.Н. Ильюшенко

___ _________ 2000 г.


ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов специальностей 200700 «Радиотехника»

и 201600 «Радиоэлектронные устройства»


Разработчик

________А.С.Красько

___ ________2000 г.


2000


Содержание


1Введение………………………………………………………..……………….3

2 Задачи курсового проектирования…………………………..………………..3

3 Расчет структурной схемы усилителя………………………..……………….5

3.1 Определение числа каскадов…………….……………………………….…5

3.2 Распределение искажений по каскадам……….……………………………6

4 Расчет оконечного каскада…………………………………………………….7

4.1Выбор транзистора………………..………………….……………………….7

4.2 Расчет требуемого режима транзистора………………….………………....8

4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора……………….……….…11

4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации…………………………..…..12

4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области

верхних частот (малых времен)…………………..………………………...14

4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада………..……...16

4.7 Оценка нелинейных искажений………..…………………………………...17

5 Расчет предварительных каскадов……………………………………………18

5.1 Расчет промежуточных каскадов…………..……………………………….18

5.2Особенности расчета входного каскада……………………………………..22

6 Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен)….………….24

7 Расчет регулировок усиления……………………………………….…………25

8 Некоторые общие вопросы проектирования…………………………………27

8.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы………..……………………..27

8.2 Расчет результирующих характеристик……..……………………………..28

8.3 Оформление пояснительной записки……….…..………………………….28

9 Заключение……………………………………………………………………..29

Список использованных источников…….…………………………………...29

Приложение А Бланк задания на проектирование ШУ……………………….30

Приложение Б Бланк задания на проектирование ИУ………………………...31

Приложение В Варианты заданий на курсовое проектирование……………..32

Приложение Г Форма титульного листа пояснительной записки…………….33

Приложение Д Пример оформления содержания………………………………34

Приложение Е Пример оформления перечня элементов………………………35

Приложение Ж Пример оформления введения…………………………………36

Приложение И Пример оформления остальных листов ПЗ…………………..37

Приложение К Пример оформления реферата…………………………………38


1 ВВЕДЕНИЕ


Данное методическое пособие посвящено вопросам курсового проектирования усилительных устройств (УУ) как одного из классов аналоговых электронных устройств (АЭУ).

Проектирование УУ - многофакторный процесс, во многом зависящий от интуиции, знаний и опыта разработчика.

Это обстоятельство вызывает определенные трудности у начинающих разработчиков, к которым, собственно, и относятся студенты. Эти трудности усугубляются еще и тем, что учебная литература по курсовому проектированию УУ в значительной степени устарела, содержит много спорных моментов и взаимоисключающих выводов.

В данной разработке делается главный упор на рассмотрение непосредственных вопросов эскизного проектирования УУ, полагая, что необходимые теоретические сведения и практические навыки получены студентами на лекционных, практических и лабораторных занятиях.

Следует отметить, что одной из составляющих успешной работы над курсовым проектом является ритмичность. Для самооценки проделанной работы следует ориентироваться на приблизительные объемы основных этапов выполнения проекта:

Ё знакомство с литературой, выбор структурной схемы УУ - 10%;

Ё расчет оконечного каскада - 20%;

Ё расчет предварительных каскадов - 20%;

Ё полный электрический расчет УУ - 20%;

Ё расчет результирующих характеристик - 10%;

Ё оформление пояснительной записки - 20%.


2 ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ


При проектировании УУ решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям технического задания (ТЗ), с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов.

В данном пособии даются рекомендации по эскизному расчету широкополосных усилителей (ШУ) с Проектирование аналоговых устройств порядка десятков мегагерц и импульсных усилителей (ИУ) с временем установления фронта импульса порядка десятков наносекунд, работающих в низкоомных согласованных трактах передачи и выполненных на биполярных транзисторах.

Режим согласования обычно предусматривает равенство внутреннего сопротивления источника сигнала, входного и выходного сопротивления УУ, сопротивления нагрузки волновому сопротивлению тракта передачи сигнала.

В ТЗ на расчет ШУ обычно задают коэффициент усиления по напряжению K, верхнюю и нижнюю граничные частоты Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств при заданных коэффициентах частотных искажений Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств, уровень нелинейных искажений, требования к стабильности характеристик в диапазоне температур и т.д.

Эскизный расчет ШУ состоит в выборе усилительного элемента, определении числа каскадов, распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы их суммарная величина не превосходила заданную.

Предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному.

Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими для ИУ являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем установления фронта Проектирование аналоговых устройств, выбросом переходной характеристики d и спадом плоской вершины D. Использование известной связи [1, 2] между Проектирование аналоговых устройств и D и граничными частотами Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств позволяет проектировать ИУ частотным методом.

В настоящее время для целей проектирования УУ широко используются ЭВМ с различными пакетами программ схемотехнического проектирования. Однако первый этап машинного проектирования представляет собой ручной эскизный расчет, дающий приближенное решение поставленной задачи, уточнение которого проводится далее на ЭВМ.


3 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ


3.1 Определение числа каскадов


Для многокаскадного усилителя (рис.3.1)

Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств . (3.1) Проектирование аналоговых устройств

где K - коэффициент усиления усилителя, дБ;

KПроектирование аналоговых устройств- коэффициент усиления i-го каскада, дБ, i=1,...,n;

n - число каскадов усилителя.

С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определится как:

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств,

где ЕПроектирование аналоговых устройств - э.д.с. источника сигнала;

RПроектирование аналоговых устройств- внутреннее сопротивление источника сигнала;

RПроектирование аналоговых устройств- входное сопротивление УУ.

Для ШУ диапазона ВЧ и ИУ с временем порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая в (3.1) все каскады одинаковыми с КПроектирование аналоговых устройств=20 дБ, т.е.

Проектирование аналоговых устройств.

Для импульсных усилителей следует учитывать полярность входного, выходного сигналов и способ включения усилительного элемента. При часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) число каскадов должно быть четным при одинаковой полярности входного и выходного сигналов, нечетным - при разной.


3.2 Распределение искажений по каскадам


Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:

Проектирование аналоговых устройств, Проектирование аналоговых устройств (3.2)

где Проектирование аналоговых устройствМПроектирование аналоговых устройств-результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ;

МПроектирование аналоговых устройств - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.

Суммирование в выражении (3.2) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной RПроектирование аналоговых устройств,RПроектирование аналоговых устройств и СПроектирование аналоговых устройств (см.рис.3.1).

Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом Проектирование аналоговых устройств

В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов, возможно перераспределение искажений между каскадами.

Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:

Проектирование аналоговых устройств, (3.3)

где МПроектирование аналоговых устройств - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ;

МПроектирование аналоговых устройств - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ;

N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.

Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (обычно это блокировочные в цепях эмиттеров и разделительные межкаскадные конденсаторы), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы УУ, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из (3.3) следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в децибелах) на каждый из N элементов определится из соотношения:

Проектирование аналоговых устройств

На практике, с целью выравнивания номиналов конденсаторов, на разделительные конденсаторы распределяют больше искажений, чем на блокировочные.

Для многокаскадных ИУ результирующее время установления фронта равно:

Проектирование аналоговых устройств, (3.4)

где Проектирование аналоговых устройств - время установления для входной цепи;

Проектирование аналоговых устройств - время установления для i-го каскада, i=1,...,n;

n - число каскадов усилителя.

Если результирующее установление фронта импульса для ИУ напрямую не задано, то оно может быть определено из следующего соотношения:

Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств - заданные искажения фронта входного сигнала;

Проектирование аналоговых устройств - заданные искажения фронта выходного сигнала.

Результирующая неравномерность вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей:

Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств - неравномерность вершины за счет i-й цепи;

N - число цепей.

Искажения фронта импульса связаны с частотными искажениями в области ВЧ, а искажения вершины импульса - с частотными искажениями в области НЧ [1,2]. Поэтому все указанные выше рекомендации по распределению частотных искажений для ШУ остаются в силе и для ИУ.

В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас по основным характеристикам УУ в 1,2-1,5 раза.


4  РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА


4.1  Выбор транзистора


Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

Ё граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств для ШУ,

Проектирование аналоговых устройств для ИУ;

Ё предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств для ШУ,

Проектирование аналоговых устройств для ИУ;

Ё предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе) Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств для ШУ,

Проектирование аналоговых устройств для ИУ.

Если ИУ предназначен для усиления импульсного сигнала различной полярности (типа “меандра”) либо сигналов с малой скважностью (меньше 10), то при выборе транзистора оконечного каскада следует ориентироваться на соотношения для ШУ.

Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ и ИУ сигналов малой скважности. Если ИУ предназначен для усиления однополярного сигнала, то из энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности, n-p-n - для отрицательной.

Обычно при UПроектирование аналоговых устройств=(1...5)В и RПроектирование аналоговых устройств=(50...150)Ом для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней мощности типа КТ610 и т.п.


4.2 Расчет требуемого режима транзистора

Существуют графические методы расчета оконечного каскада, основанные на построении динамических характеристик (ДХ) [1,2]. Однако для построения ДХ необходимы статические характеристики транзисторов, которые в современных справочниках по транзисторам практически не приводятся.

Рассмотрим методику нахождения координат рабочей точки транзистора без использования его статических характеристик.

Типичная схема оконечного каскада приведена на рис.4.1.

Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:

RПроектирование аналоговых устройств=(1...2) RПроектирование аналоговых устройств, если требуется согласование выхода УУ с нагрузкой,

RПроектирование аналоговых устройств=(2...3)RПроектирование аналоговых устройств- в остальных случаях (рекомендация только для низкоомной нагрузки, RПроектирование аналоговых устройств=(50...150)Ом).

Задаемся падением напряжения на RПроектирование аналоговых устройств(либо на RПроектирование аналоговых устройств+ RПроектирование аналоговых устройств, если RПроектирование аналоговых устройств присутствует в схеме):

Проектирование аналоговых устройств .

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки:

Проектирование аналоговых устройств . (4.1)

Проектирование аналоговых устройств

Определяем требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10%-й запас с учетом возможной его термонестабильности) для ШУ и ИУ сигналов различной полярности (рис.4.2,а):

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств .Проектирование аналоговых устройств


Проектирование аналоговых устройств

Для ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (QПроектирование аналоговых устройств10), рис.4.2,б:

Проектирование аналоговых устройств .

Для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (Q<10), (рис.4.2.в):

Проектирование аналоговых устройств .

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ, ИУ сигналов различной полярности и ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (см. рис.4.2,а,б):

Проектирование аналоговых устройств ,

где UПроектирование аналоговых устройств - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, UПроектирование аналоговых устройств=(1...2)В.

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (см. рис. 4.2,в):


Проектирование аналоговых устройств .

Рекомендуется учесть для UПроектирование аналоговых устройств необходимый запас на термонестабильность (обычно не более 10...15%).

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе, Проектирование аналоговых устройств не должна превышать предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.

Требуемое значение напряжения источника питания ЕПроектирование аналоговых устройств для рассмотренных выше случаев равно:

Проектирование аналоговых устройств, (4.2)

где UПроектирование аналоговых устройств - падение напряжения на RПроектирование аналоговых устройств , UПроектирование аналоговых устройств=IПроектирование аналоговых устройствRПроектирование аналоговых устройств .

Напряжение источника питания не должно превышать UПроектирование аналоговых устройств данного транзистора и должно соответствовать рекомендованному ряду:

ЕПроектирование аналоговых устройств=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)B.

Если в результате расчета ЕПроектирование аналоговых устройств не будет соответствовать значению из рекомендованного ряда, то путем вариации Проектирование аналоговых устройств в формуле (4.2) следует подогнать значение ЕПроектирование аналоговых устройств под ближайшее из рекомендованного ряда. Значение ЕПроектирование аналоговых устройств можно существенно снизить, если параллельно RПроектирование аналоговых устройств включить дроссель с такой индуктивностью, чтобы XПроектирование аналоговых устройств>(10...20)RПроектирование аналоговых устройств(на Проектирование аналоговых устройств, для ИУ Проектирование аналоговых устройств, Проектирование аналоговых устройств - длительность импульса). В этом случае UПроектирование аналоговых устройств=0. Такая мера также позволяет повысить КПД каскада. Следует отметить, что применение дросселя не всегда технологически оправдано, особенно при исполнении УУ в виде ИМС.


4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора


При использовании транзисторов до (0,2...0,3)Проектирование аналоговых устройств возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных, приведенных, например, в [3].

Проектирование аналоговых устройств
Эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис.4.3.


Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом:

Ё Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств - постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств Ё Проектирование аналоговых устройств,

при Проектирование аналоговых устройств в миллиамперах Проектирование аналоговых устройств получается в омах;

Ё Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств - граничная частота усиления по току транзистора с ОЭ, Проектирование аналоговых устройств ;

Ё Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств - низкочастотное значение коэффициента передачи по току транзистора с ОЭ.

Ё Dr =(0,5…1,5) Ом;

Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными Проектирование аналоговых устройств и режимом работы.

Следует учитывать известную зависимость Проектирование аналоговых устройств от напряжения коллектор -эмиттер Проектирование аналоговых устройств:

Проектирование аналоговых устройств.

По параметрам эквивалентной схемы БТ определим его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны Проектирование аналоговых устройств:

Проектирование аналоговых устройств,

Проектирование аналоговых устройств.


4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Наиболее широкое распространение получила схема эмиттерной термостабилизации (см. рис.4.1). Проведем расчет этой схемы.

Определим потенциал в точке а :

Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, Проектирование аналоговых устройств=(0,6...0,9)В (для кремниевых транзисторов).

Зададимся током делителя, образованного резисторами RПроектирование аналоговых устройств и RПроектирование аналоговых устройств :

Проектирование аналоговых устройств ,

где Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств - ток базы в рабочей точке, Проектирование аналоговых устройств .

Определим номиналы резисторов RПроектирование аналоговых устройств, RПроектирование аналоговых устройств и RПроектирование аналоговых устройств :

Проектирование аналоговых устройств ,

Проектирование аналоговых устройств,

Проектирование аналоговых устройств .

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданномПроектирование аналоговых устройствдиапазоне температуры окружающей среды. Определим приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:

Проектирование аналоговых устройств ,

где Проектирование аналоговых устройств - приращение напряжения Проектирование аналоговых устройств, равное:

Проектирование аналоговых устройств|eПроектирование аналоговых устройств|Проектирование аналоговых устройств,Проектирование аналоговых устройств

где eПроектирование аналоговых устройств - температурный коэффициент напряжения (ТКН),

eПроектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств-3мВ/град, Проектирование аналоговых устройствТ - разность между температурой коллекторного перехода ТПроектирование аналоговых устройств и справочным значением этой температуры ТПроектирование аналоговых устройств(обычно 25Проектирование аналоговых устройствC):

Проектирование аналоговых устройств,

Проектирование аналоговых устройств,

где РПроектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройстви RПроектирование аналоговых устройств соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:

Проектирование аналоговых устройств,

Проектирование аналоговых устройств.

Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:

Проектирование аналоговых устройств.

Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые.

Определяем приращение тока коллектора Проектирование аналоговых устройств, вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектораПроектирование аналоговых устройств:


Проектирование аналоговых устройств,

где приращение обратного тока Проектирование аналоговых устройств равно:

Проектирование аналоговых устройств,

где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13.

Следует заметить, что значение Проектирование аналоговых устройств, приводимое в справочной литературе, особенно для транзисторов средней и большой мощности, представляет собой сумму тепловой составляющей и поверхностного тока утечки, последний может быть на два порядка больше тепловой составляющей, и он практически не зависит от температуры. Следовательно, при определении Проектирование аналоговых устройств следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями Проектирование аналоговых устройств либо уменьшать справочное значение Проектирование аналоговых устройств примерно на два порядка для кремниевых транзисторов (обычно Проектирование аналоговых устройств для кремниевых транзисторов составляет порядка Проектирование аналоговых устройств, n=(1...9)).

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением Проектирование аналоговых устройств, определяется соотношением:

Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств, Проектирование аналоговых устройств отн. ед./град.

Общий уход коллекторного тока транзистора с учетом действия схемы термостабилизации определяется следующим выражением:

Проектирование аналоговых устройств,

где учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые, например, для эмиттерной схемы термостабилизации равны:

Проектирование аналоговых устройств,

Проектирование аналоговых устройств.

Здесь Проектирование аналоговых устройств - параллельное соединение резисторов Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств.

Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств.

Критерием оптимальности рассчитанной схемы термостабилизации может служить соответствие выбранного запаса Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств.

Более подробно методы расчета схем питания и термостабилизации приведены в [4].


4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области верхних частот (малых времен)


Определим коэффициент усиления каскада в области средних частот:

Проектирование аналоговых устройств , (4.3)

где Проектирование аналоговых устройств - низкочастотное значение крутизны транзистора в рабочей точке

Проектирование аналоговых устройств

Для ИУ однополярного сигнала Проектирование аналоговых устройств следует определять для усредненного тока коллектора Проектирование аналоговых устройств, рассчитанного по соотношению Проектирование аналоговых устройств

Оценим требуемое значение постоянной времени каскада в области ВЧ (МВ):

Ё для ШУ с заданной верхней граничной частотой

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - доля частотных искажений (в относительных единицах), распределенных на каскад;

Ё для ИУ

Проектирование аналоговых устройств ,

где Проектирование аналоговых устройств - время установления фронта, распределенное на каскад.

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной в области ВЧ (МВ)

Проектирование аналоговых устройств , (4.4)

где Проектирование аналоговых устройств - емкость, нагружающая выходной каскад (если для выходного каскада не задана, то взять Проектирование аналоговых устройств

Если Проектирование аналоговых устройств, то ожидаемые искажения будут не более заданных. В противном случае, т.е. когда Проектирование аналоговых устройств, возможно уменьшение Проектирование аналоговых устройств путем снижения Проектирование аналоговых устройств (уменьшение номинала Проектирование аналоговых устройств), выражение (4.1), после чего следует уточнить координаты рабочей точки и т.д., т.е. проделать цикл вычислений, аналогичный рассмотренному.

Если по каким-либо причинам уменьшение Проектирование аналоговых устройств нежелательно (например, при требовании согласования выхода усилителя с нагрузкой), то следует (если имеется запас по коэффициенту усиления) ввести в каскад ООС (Проектирование аналоговых устройств, см. рис.4.1), ориентировочно полагая, что Проектирование аналоговых устройств уменьшится в глубину обратной связи раз. Если введение ООС нежелательно (мал ожидаемый Проектирование аналоговых устройств), то требуется применение транзистора с большей Проектирование аналоговых устройств .

Глубину ООС при последовательной связи по току можно определить из выражения:

Проектирование аналоговых устройств (4.5)

Крутизна усиления транзистора с учетом ООС равна:

Проектирование аналоговых устройств

Подставляя Проектирование аналоговых устройств вместо Проектирование аналоговых устройств в выражения (4.3) и (4.4), получаем значение коэффициента усиления и постоянной времени каскада в области ВЧ (МВ) с учетом ООС:

Проектирование аналоговых устройств

Если полученные значения Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств удовлетворяют первоначально заданным, т.е. Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств , то определяют входные параметры каскада:

Ё входное сопротивление каскада

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - входное сопротивление транзистора с ОЭ,

Проектирование аналоговых устройств, (4.6)

Проектирование аналоговых устройств - сопротивление базового делителя (параллельное соединение Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств );

Ё входную динамическую емкость каскада

Проектирование аналоговых устройств

При наличии в каскаде ООС следует в последнем выражении брать Проектирование аналоговых устройств вместо Проектирование аналоговых устройств.


4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада


Схема одного из наиболее часто используемых фазоинверсных каскадов приведена на рис.4.4.

Выбор транзистора, расчет координат рабочей точки и цепей питания проводится для каждой половины каскада аналогично каскаду с ОЭ. При расчете цепей питания следует учесть, что через Проектирование аналоговых устройствбудет протекать удвоенный ток покоя транзисторов VT1 и VT2 и, следовательно, номинал резистора Проектирование аналоговых устройств в схеме фазоинверсного каскада уменьшается вдвое по сравнению с расчетом каскада с ОЭ.

При рассмотрении, например, левой половины фазоинверсного каскада видно, что в цепь эмиттера транзистора VT1 включено Проектирование аналоговых устройств и параллельно ему входное сопротивление транзистора VT2, включенного с ОБ, Проектирование аналоговых устройств.

Обычно Проектирование аналоговых устройств, поэтому можно подставить вместо Проектирование аналоговых устройств в выражении (4.5) Проектирование аналоговых устройств:

Проектирование аналоговых устройств

Следовательно, можно считать, что в фазоинверсном каскаде присутствует последовательная ООС по току с глубиной, равной двум. Поэтому все дальнейшие расчеты следует проводить аналогично разделу 4.4 в

Проектирование аналоговых устройств

предположении, что глубина ООС равна двум. Если необходимо ввести ООС большей глубины, то следует включить резистор Проектирование аналоговых устройств (см. рис.3.3) и расчет вести аналогично разделу 4.5, не забывая о существовании ООС с глубиной, равной двум.


4.7 Оценка нелинейных искажений


Обычно для оценки нелинейных искажений (НИ) используются графические методы [1,2]. Однако для случая малых нелинейностей (Проектирование аналоговых устройств) существуют и аналитические методы расчета уровня НИ (обычно коэффициента гармоник Проектирование аналоговых устройств) [5].

Суммарный коэффициент гармоник равен

Проектирование аналоговых устройств,

где Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств соответственно коэффициенты гармоник по второй и третьей гармоническим составляющим (составляющими более высокого порядка в большинстве случаев можно пренебречь ввиду их малости).

Коэффициенты гармоник Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств определяются из следующих выражений:

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - входное напряжение сигнала;

Проектирование аналоговых устройств - температурный потенциал, Проектирование аналоговых устройств=25,6Ч10Проектирование аналоговых устройствВ;

В - фактор связи (петлевое усиление).

Фактор связи рассчитывается следующим образом:

Проектирование аналоговых устройств

Если в каскаде отсутствует ООС, то в последнем выражении следует положить Проектирование аналоговых устройств


5 РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ


5.1 Расчет промежуточных каскадов


Исходными данными для проектирования промежуточного каскада являются:

Ё требуемый коэффициент усиления Проектирование аналоговых устройств;

Ё максимально допустимый коэффициент частотных искажений Проектирование аналоговых устройств;

Ё максимальное выходное напряжение сигнала Проектирование аналоговых устройств;

Ё величина и характер нагрузки.

При выборе типа транзистора предварительных каскадов следует использовать рекомендации, приведенные в подразделе 4.1.

Оценим значение Проектирование аналоговых устройств:

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - максимальное выходное напряжение следующего каскада;

Проектирование аналоговых устройств - коэффициент усиления следующего каскада.

Нагрузкой промежуточных каскадов являются входное сопротивление Проектирование аналоговых устройств и входная динамическая емкость Проектирование аналоговых устройствследующего каскада.

Проектирование аналоговых устройств В большинстве случаев требуемые предельные значения Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств, определенные по соотношениям, приведенным в подразделе 4.1, оказываются значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, что указывает на малосигнальный режим работы каскада. В этом случае основным критерием выбора транзистора являются Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств
и тип проводимости. Схема промежуточного каскада с ОЭ приведена на рисунке 5.1.


При расчете требуемого режима транзисторов промежуточных каскадов по постоянному току следует ориентироваться на соотношения, приведенные в подразделе 4.2. Однако при малосигнальном режиме следует ориентироваться на тот режим транзистора, при котором приводятся его основные справочные данные (обычно для маломощных ВЧ и СВЧ транзисторов Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств).

Расчет цепей питания и термостабилизации проводится по соотношениям, приведенным в подразделе 4.4. Обычно напряжение источника питания Проектирование аналоговых устройств для промежуточных каскадов, рассчитанное по соотношению (4.2), получается меньше, чем для оконечного каскада. Чтобы питать все каскады усилителя от одного источника питания, промежуточные каскады следует подключать к нему через фильтрующую цепь Проектирование аналоговых устройств, служащую кроме того для устранения паразитной ОС через источник питания.

При параллельном включении фильтрующей цепи ее номиналы определяются из следующих соотношений:

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств напряжение источника питания оконечного каскада, для ИУ Проектирование аналоговых устройств, Проектирование аналоговых устройств - длительность импульса. Здесь предполагается, что с целью улучшения развязки по питанию цепь базового делителя включена после фильтрующей цепи.

Требуемое значение номинала Проектирование аналоговых устройств можно определить через значение эквивалентного сопротивления Проектирование аналоговых устройств, которое в свою очередь можно определить из соотношения (4.5).

Расчет промежуточных каскадов в области ВЧ (МВ) в принципе не отличается от расчета оконечного каскада, включая и критерии выбора цепи ООС. При использовании соотношений, приведенных в подразделе 4.5, следует заменять Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств соответственно на Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств следующего каскада.

В ситуации, когда Проектирование аналоговых устройств последующего каскада относительно велика (сотни пикофарад - единицы нанофарад), с целью уменьшения ее влияния на Проектирование аналоговых устройстврассчитываемого каскада возможно применение каскада с ОК. Вариант схемы предоконечного каскада с ОК и непосредственной межкаскадной связью приведен на рис.5.2.

Резистор Проектирование аналоговых устройств рассчитывается из условия обеспечения режима транзистора VT2 аналогично резистору базового делителя Проектирование аналоговых устройств(см. подраздел 4.4) с учетом того, что роль тока делителя здесь играет ток покоя транзистора VT1. При оценке термонестабильности VT2 следует учесть то обстоятельство, что уход тока коллектора (и тока эмиттера) транзистора VT1 будет в Проектирование аналоговых устройств раз усилен транзистором VT2, поэтому термостабилизация предоконечного каскада должна быть достаточно жесткой. При расчете коэффициентов термостабилизации для оконечного каскада (см. подраздел 4.4) следует полагать Проектирование аналоговых устройств, т.е. сопротивление транзистора VT1 со стороны эмиттера.

Расчет каскада с ОК рекомендуется вести в следующей последовательности:

Ё определяем эквивалентное сопротивление нагрузки

Проектирование аналоговых устройств


Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - входное сопротивление оконечного каскада, в отсутствие базового делителя у этого каскада Проектирование аналоговых устройств(см. выражение 4.6);

Ё рассчитываем глубину последовательной ООС по напряжению

Проектирование аналоговых устройств ;

Ё проводим расчет каскада в области ВЧ (МВ) по методике подраздела 4.4 (аналогично каскаду с ОЭ);

Ё определяем параметры каскада с ОК

Проектирование аналоговых устройств

В некоторых случаях комбинация каскадов (каскод) ОК-ОЭ может быть эффективнее каскода ОЭ-ОЭ.

Поскольку выходное сопротивление каскада с ОК носит индуктивный характер, то с целью устранения возможной неравномерности АЧХ необходимо, чтобы резонанс параллельного контура, образованного Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройствоконечного каскада, лежал вне полосы рабочих частот. Частота резонанса определяется по формуле Томпсона, а Проектирование аналоговых устройств- по соотношению

Проектирование аналоговых устройств

где m=(1,2...1,6).


5.2 Особенности расчета входного каскада


Обычно от входного каскада требуется обеспечение заданного входного сопротивления УУ. При условии согласования входа усилителя с характеристическим сопротивлением тракта передачи (либо из требования технического задания обеспечить низкоомный вход) для ВЧ и СВЧ диапазона частот требуемое значение входного сопротивления может составлять порядка нескольких десятков ом. Значение входного сопротивления каскада с ОЭ обычно составляет величину в несколько сот ом. Простейшим (но не оптимальным) способом обеспечения в данной ситуации требуемого сопротивления является параллельное включение на вход каскада дополнительного согласующего резистора Проектирование аналоговых устройств, номинал которого определяется из следующего соотношения:

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств - требуемое входное сопротивление каскада;

Проектирование аналоговых устройств - полученное входное сопротивление каскада (с учетом сопротивления базового делителя).

В остальном расчет входного каскада не отличается от расчета промежуточных каскадов.

Поскольку входная цепь усилителя вносит искажения в области ВЧ (МВ), то следует учесть эти искажения, полагая, что постоянная времени входной цепи на ВЧ равна:

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств соответственно входное сопротивление и входная динамическая емкость входного каскада усилителя.

Более оптимальным является согласование с помощью введения во входной каскад параллельной ООС по напряжению (рис.5.3).

Входное сопротивление каскада с параллельной ООС по напряжению равно:

Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств

где Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств - соответственно, коэффициент усиления, эквивалентное сопротивление и сопротивление базового делителя каскада с ОЭ без ООС.

Чаще приходится решать обратную задачу - нахождение Проектирование аналоговых устройств по заданному Проектирование аналоговых устройств.

Коэффициент усиления каскада с параллельной ООС по напряжению равен:

Проектирование аналоговых устройств.

Выходное сопротивление каскада с параллельной ООС по напряжению равно:

Проектирование аналоговых устройств

Для определения параметров каскада в области ВЧ следует воспользоваться соотношениями для каскада с ОЭ без ООС, принимая во внимание, что при расчете постоянной времени каскада Проектирование аналоговых устройствследует учитывать выходное сопротивление каскада с ООС по напряжению, т.е. Проектирование аналоговых устройств и влияние этой ООС на крутизну - Проектирование аналоговых устройств.

Величина разделительной емкости Проектирование аналоговых устройств выбирается из условия

Проектирование аналоговых устройств на Проектирование аналоговых устройств, для ИУ Проектирование аналоговых устройств, Проектирование аналоговых устройств - длительность импульса.

При наличии в каскаде комбинированной ООС (последовательной по току и параллельной по напряжению) следует в первую очередь определить Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств c учетом влияния последовательной ООС по току, а затем использовать полученные значения в выражениях для параллельной ООС по напряжению.

Более подробно каскады с ООС описаны в [6].


6 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ В ОБЛАСТИ НИЖНИХ ЧАСТОТ

(БОЛЬШИХ ВРЕМЕН)


Нижняя граничная частота (либо спад плоской вершины импульса) усилителя определяется влиянием разделительных и блокировочных емкостей.

Требуемое значение постоянной времени для разделительных и блокировочных цепей усилителя определяется из следующих соотношений:

Проектирование аналоговых устройств (для ШУ),

Проектирование аналоговых устройств (для ИУ),

где Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств - доля частотных искажений в области НЧ и спада плоской вершины импульса, распределенных на разделительные и блокировочные цепи согласно рекомендациям подраздела 3.2; Проектирование аналоговых устройств- длительность импульса.

Номинал разделительных емкостей можно определить из соотношения:

Проектирование аналоговых устройств (6.1)

где Проектирование аналоговых устройств - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от разделительного конденсатора ( обычно это Проектирование аналоговых устройств каскада либо Проектирование аналоговых устройств (для ОЭ));

Проектирование аналоговых устройств - эквивалентное сопротивление, стоящее справа от разделительного конденсатора ( обычно это Проектирование аналоговых устройств каскада либо Проектирование аналоговых устройств).

Номинал блокировочных емкостей в цепях эмиттеров приближенно определяются как:

Проектирование аналоговых устройств (6.2)

При наличии в рассчитываемых каскадах ООС следует в выражениях (6.1) и (6.2) подставлять значения Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств c учетом влияния на них данной ООС.

Возможно использование фильтрующей цепи для коррекции спада плоской вершины импульса. При этом рекомендуется брать Проектирование аналоговых устройств , подъем вершины импульса (не более 20%) можно определить из соотношения:

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств

При наличии в каскаде НЧ коррекции следует избегать применения коллекторной ( коллекторно-эмиттерной ) схемы термостабилизации из-за возможного снижения эффекта коррекции (вследствие влияния параллельной ООС по напряжению, действующей при этом в каскаде).


7 РАСЧЕТ РЕГУЛИРОВОК УСИЛЕНИЯ


Обычно техническое задание на проектирование усилителя содержит требование обеспечить регулировку усиления в заданных пределах. Для реализации этого требования применяют схемы плавной и ступенчатой (или обе вместе) регулировок усиления. Наиболее часто в ШУ и ИУ плавная регулировка осуществляется путем введения последовательной ООС по току (рис.7.1).


Проектирование аналоговых устройств
Величину номинала регулировочного резистора можно определить из соотношения:

Проектирование аналоговых устройств

где D - глубина регулировки, относительные единицы.

Если значение D не задано, то необходимо определить требуемую величину регулировки усиления, исходя из возможного изменения сигнала на входе и необходимого производственного запаса по коэффициенту усиления.

Проектирование аналоговых устройств
Ввиду того, что помимо коэффициента усиления данная регулировка меняет и другие параметры каскада (Проектирование аналоговых устройств), ее не рекомендуется применять во входном каскаде. Введение регулировки в выходной каскад может привести к перегрузке промежуточных каскадов, т.е. наиболее целесообразно плавную регулировку вводить в один из промежуточных каскадов (предварительно оценив возможность перегрузки каскадов, стоящих перед регулируемым). При большой глубине регулировки (D>20дБ) следует применять ступенчатую регулировку усиления. Если усилитель предназначен для работы в согласованном тракте передачи (т.е. Проектирование аналоговых устройств, где Проектирование аналоговых устройств - характеристическое сопротивление тракта передачи), то ступенчатый регулятор (аттенюатор) целесообразно выполнить на основе симметричных аттенюаторов Т- или П-типов [7] (рис.7.2,а,б).


Для П-образной схемы аттенюатора номиналы элементов определяются из следующих соотношений:

Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств

Номиналы Т-образной схемы аттенюатора определяются следующим образом:

Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств Практическая схема ступенчатого регулятора на 18 дБ для 75-омного тракта передачи приведена на рис.7.3.


Схема построена на основе одинаковых П-образных звеньев с затуханием в шесть децибел. В зависимости от положения переключателей Проектирование аналоговых устройств данный регулятор обеспечивает затухание от 0 до 18 дБ с шагом 6 дБ.

Подобный регулятор обычно располагают между источником сигнала и входом усилителя. В связи с тем, что входное и выходное сопротивления данного регулятора не зависят от уровня вносимого затухания, величина частотных и временных искажений, создаваемых входной цепью, также остается постоянной при разных уровнях затухания.

Другие схемы регуляторов можно посмотреть, например, в [8].


8 НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ


8.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы


После расчета требуемых номиналов элементов схемы следует, руководствуясь справочным материалом, провести выбор типов элементов, учитывая мощность рассеивания для резисторов и рабочее напряжение для конденсаторов. Кроме того, следует уточнить номиналы элементов, согласно стандартному ряду. При этом не следует ориентироваться на ряды, соответствующие малому (1..2%) разбросу элементов, для большинства цепей усилителя приемлем разброс номинала ±10%. Исключение составляют ступенчатые регуляторы и цепи ООС.


8.2 Расчет результирующих характеристик


Согласно выражениям (3.1)ё(3.5) по известным характеристикам каскадов рассчитываются результирующие характеристики усилителя. Характеристики каскадов определяются исходя из следующих выражений:

Проектирование аналоговых устройств , (8.1)

Проектирование аналоговых устройств, (8.2)

Проектирование аналоговых устройств

Проектирование аналоговых устройств.

Если в каскадах присутствует ООС, то следует учесть ее влияние на Проектирование аналоговых устройств и Проектирование аналоговых устройств. При расчете результирующих характеристик следует учитывать влияние входной цепи. Используя выражения (8.1), (8.2) для ШУ, строят АЧХ.


8.3 Оформление пояснительной записки


Проектирование аналоговых устройствПроектирование аналоговых устройств Оформление пояснительной записки (ПЗ) представляет собой важный и трудоемкий этап проектирования. Структура ПЗ и правила ее оформления изложены в действующем стандарте предприятия. Приветствуется оформление ПЗ с помощью современных программных средств ПЭВМ (Word, AutoCAD и др.). При написании ПЗ следует ориентироваться на структуру и оформление данное пособия, прошедшее нормоконтроль на соответствие стандарту предприятия. Необходимо напомнить, что расчетные соотношения записываются в следующей последовательности: формула (символьное выражение) численное выражение результат. С примерами оформления курсовых проектов можно ознакомиться в кабинете курсового и дипломного проектирования кафедры.


9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Описанная методика расчета позволяет проводить эскизный расчет ШУ диапазона ВЧ и ИУ с временем установления фронта импульса порядка десятков наносекунд, работающих в низкоомном тракте передачи и выполненных на биполярных транзисторах. Полученные в результате расчета результирующие характеристики могут быть уточнены путем машинного моделирования с помощью одного из схемотехнических пакетов (Electronics Workbench [9], PSpice и др.).


Список использованных источников


1 Мамонкин И.Г. Усилительные устройства.-М.: Связь, 1977.-360 с. : ил.

2 Шарыгина Л.И. Усилительные устройства –Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та,1976. – 413с.: ил.

3 Полупроводниковые приборы: Транзисторы./В.Л.Аронов и др.; под общ. ред. Н. Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1985.-904с., ил.

4 Колесов И.А. Стабилизация режима биполярных транзисторов: Методические указания для студентов специальностей 200700, 201600. – Томск: ТУСУР, 1999. -30с. .: ил.

5 Жаркой А.Г. Расчет нелинейных искажений гармонических сигналов в транзисторных усилителях: Методические указания для студентов специальностей 200700, 201600. – Томск: ТИАСУР, 1987. – 54с. .: ил.

6 Зелингер Дж. Основы матричного анализа и синтеза. – М.: Советское радио, 1970. - 240 с. : ил.

7 Панин Н.М. Переменные аттенюаторы и их применение. – М.: Энергия, 1971. – 40 с. : ил.

8 Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. – Томск: Радио и связь, Томское отделение, 1990. – 400 с. : ил.

9 Шарыгина Л.И. Аналоговые и электронные устройства: Руководство к лабораторным работам для студентов специальностей 200700, 201600. – Томск: ТУСУР,1998. – 48 с.: ил.

Похожие работы:

  1. • Проектирование аналоговых электронных устройств
  2. • Усилитель приёмного блока широкополосного локатора
  3. • Усилитель приёмного блока широкополосного локатора
  4. • Усилитель приёмного блока широкополосного локатора
  5. • Усилитель радиорелейной линии связи
  6. • Усилитель радиорелейной линии связи
  7. • Усилитель кабельных систем связи
  8. • Усилитель кабельных систем связи
  9. • УСИЛИТЕЛЬ ПРИЁМНОГО БЛОКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛОКАТОРА
  10. • Усилитель радиорелейнойй линии связи
  11. • Усилитель кабельных систем связи
  12. • УСИЛИТЕЛЬ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
  13. • Усилитель радиолинейной линии связи
  14. • Усилитель кабельных систем связи
  15. • Усилитель кабельных систем связи
  16. • Линейные устройства с дифференциальными операционными ...
  17. • Усилители постоянного тока и операционные усилители
  18. • Применение программных средств при проектировании ...
  19. • Проектирование оптимальных структур активных RC ...
Смотреть все похожие работы
Рефотека ру refoteka@gmail.com