3.6 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей………………………………………...…...............24
4 Заключение…………………………………………….…………26
5 Приложение А……………………………………………………27
6 Приложение Б…………………………………………………….29
Список использованных источников……………………………..30
1. Введение
В данной курсовой работе требуется рассчитать усилитель мощности для 1-12 каналов TV. Этот усилитель предназначен для усиления сигнала на передающей станции, что необходимо для нормальной работы TV-приёмника, которого обслуживает эта станция. Так как мощность у него средняя(5 Вт), то применяется он соответственно на небольшие расстояния(в районе деревни, небольшого города).В качестве источника усиливаемого сигнала может служить видеомагнитофон, сигнал принятый антенной ДМВ и преобразованный в МВ диапазон. Так как усиливаемый сигнал несёт информацию об изображении, то для получения хорошего качества изображения на TV-приёмнике на усилитель налагаются следующие требования: равномерное усиление во всём диапазоне частот и при этом иметь достаточную мощность и требуемый коэффициент усиления. С экономической точки зрения должен обладать максимальным КПД.
Достижение требуемой мощности даёт использование схемы каскада со сложением напряжения. Для коррекции АЧХ усилителя используются разные приёмы: введение отрицательных обратных связей, применение межкаскадных корректирующих цепей. Так как проектируемый усилитель является усилителем мощности то введение ОС влечёт за собой потерю мощности в цепях ОС что снижает КПД и следовательно применять её в данном усилителе не целесообразно. Применение межкаскадных корректирующих цепей(МКЦ) значительно повышает КПД. В данном усилителе используется МКЦ 3-го порядка, так как она обладает хорошими частотными свойствами.
2. Техническое задание
Усилитель должен отвечать следующим требованиям:
1. Рабочая полоса частот: 49-230 МГц
2. Линейные искажения
в области нижних частот не более 2 дБ
в области верхних частот не более 2 дБ
3. Коэффициент усиления 25 дБ
4. Мощность выходного сигнала Pвых=5 Вт
5. Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=Rн=75 Ом
3. Расчётная часть
3.1 Определение числа каскадов.
При выборе числа каскадов примем во внимание то, что у мощного усилителя один каскад с общим эмиттером позволяет получать усиление до 6 дБ, а так как нужно получить 15 дБ оптимальное число каскадов данного усилителя равно трём, тогда, в общем, усилитель будет иметь коэффициент усилния 18 дБ (запас 3 дБ).
3.2 Распределение линейных искажений в
области ВЧ
Расчёт усилителя будем проводить исходя из того, что искажения распределены между каскадами равномерно, а так как всего три каскада и общая неравномерность должна быть не больше 2 дБ, то на каждый каскад приходится по 0,7 дБ.
3.3 Расчёт выходного каскада
3.3.1 Выбор рабочей точки
Для расчёта рабочей точки следует найти исходные параметры Iвых и Uвых, которые определяются по формулам:
Для каскада со сложением напряжений будут справедливы те же формулы , но нагрузка ощущаемая каждым транзистором будет составлять половину Rн и мощность каждого транзистора будет равна половине исходной мощности. Тогда исходные параметры примут следующие значения:
Выберем, по какой схеме будет выполнен каскад: с дроссельной нагрузкой, резистивной нагрузкой или по схеме со сложением напряжений. Рассмотрим эти схемы и выберем ту, которую наиболее целесообразно применить.
А) Расчёт каскада с резистивной нагрузкой:
Схема каскада представлена на рисунке 3.3.1
Рисунок 3.3.1 Схема каскада с резистивной нагрузкой
где Uост - остаточное напряжение на коллекторе и при расчёте берут равным Uост=(1~3)В. Тогда:
Напряжение питания выбирается равным плюс напряжение на :
Построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току. Они приведены на рисунке 3.3.2.
. Рисунок 3.3.2. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току
Произведём расчет мощностей: потребляемой и рассеиваемой на коллекторе, используя следующие формулы:
Б) Расчёт дроссельного каскада:
Схема дросеельного каскада представлена на рисунке 3.3.3.
Рисунок 3.3.3. Схема дроссельного каскада.
Построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току. Они представлены на рисунке 3.3.4.
Рисунок 3.3.4 - Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.
Произведём расчёт мощности :
Каскад с дроссельной нагрузкой имеет лучшие параметры по сравнению с каскадом с резистивной нагрузкой. Это и меньшее напряжение питания, и меньшая рассеиваемая транзистором мощность, однако, не удается найти транзистор который бы выдавал необходимую на нагрузку мощность (по заданию 5 Вт) в заданной полосе частот (49-230 МГц).Поэтому рассчитаем каскад со сложением напряжений. В схеме со сложением напряжений, мощности, выдаваемые двумя транзисторами, складываются на нагрузке. То есть каждый транзистор должен отдавать лишь половину необходимой на нагрузке мощности.
В) Расчёт каскада со сложением напряжений:
Схема каскада со сложением напряжений представлена на рисунке 3.3.5.
Рисунок 3.3.5. Схема каскада со сложением напряжений.
Построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току. Они представлены на рисунке 3.3.6.
Рисунок 3.3.6 - Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.
Произведём расчёт мощности :
Для удобства сравнения каскадов составим таблицу в которую занесем напряжение питания каскадов, потребляемую и рассеиваемую ими мощности, а так же напряжение коллектор-эммитер и ток коллектора.
Табл. 3.3.1 характеристики каскадов
Анализируя полученные результаты представленные в таблице 3.3.1 можно прийти к выводу, что целесообразней использовать схему каскада со сложением напряжений, так как значительно снижаются потребляемая мощность и величина питающего напряжения. Так же выбор каскада со сложением напряжений обусловлен большой полосой пропускания, по заданию от 49МГц до 230МГц, и достаточно большой выходной мощностью - 5 Вт. При выборе другого каскада, резестивного или дроссельного, возникают проблемы с выбором транзистора, тогда как каскад со сложением напряжений позволяет достич заданные требования.
3.3.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора осуществляется с учётом следующих предельных параметров:
1. граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ
4. предельной мощности, рассеиваемой на коллекторе
.
Этим требованиям полностью соответствует транзистор КТ934Б. Его основные технические характеристики приведены ниже.[1]
Электрические параметры:
1. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;
2. Постоянная времени цепи обратной связи при В 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 А;
3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт;
3.3.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора
Существует много разных моделей транзистора. В данной работе произведён расчёт моделей: схемы Джиаколетто и однонаправленной модели на ВЧ.
В соответствии с [2, 3,], приведенные ниже соотношения для расчета усилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора приведенной на рисунке 3.3.7, либо на использовании его однонаправленной модели [2, 3] приведенной на рисунке 3.3.8
А) Расчёт схемы Джиаколетто:
Схема Джиаколетто представлена на рисунке 3.3.7.
Рисунок 3.3.7 Схема Джиаколетто.
Найдем при помощи постоянной времени цепи обратной связи сопротивление базового перехода по формуле:
(2.9)
При чём и доложны быть измерены при одном напряжении Uкэ. А так как справочные данные приведены при разных напряжниях, необходимо воспользоваться формулой перехода, котоая позволяет вычислить при любом значении напряжения Uкэ:
(2.10)
в нашем случае:
Подставим полученное значение в формулу :
, тогда
Найдем значения остальных элементов схемы:
, где (2.11)
- сопротивление эмиттеного перехода транзистора
Тогда
Емкость эмиттерного перехода:
Выходное сопртивление транзистора:
(2.12)
(2.13)
Б) Расчёт однонаправленной модели на ВЧ:
Схема однонаправленной модели на ВЧ представлена на рисунке 3.3.8 Описание такой модели можно найти в [3].
Рисунок 3.3.8 однонаправленная модель транзистора
Параметры эквивалентной схемы рассчитываются по приведённым ниже формулам.
Входная индуктивность:
,
где -индуктивности выводов базы и эмиттера, которые берутся из справочных данных.
Входное сопротивление:
, (3.3.4)
Выходное сопротивление имеет такое же значение, как и в схеме Джиаколетто:
.
Выходная ёмкость- это значение ёмкости вычисленное в рабочей точке:
.
3.3.4 Расчёт цепей термостабилизации
При расчёте цепей термостабилизации нужно для начала выбрать вариант схемы. Существует несколько вариантов схем термостабилизации: пассивная коллекторная, активная коллекторная и эмиттерная. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования к термостабильности. Рассмотрим эти схемы.
3.3.4.1 Эмиттерная термостабилизация
Эмитерная стабилизация применяется в основном в маломощных каскадах и является достачно простой в расчёте и при этом эффективной. Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 3.3.9. Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в [4].
Рисунок 3.3.9 эммитерная термостабилизация
Расчёт производится по следующей схеме:
1.Выбираются напряжение эмиттера и ток делителя , а также напряжение питания ;
2. Затем рассчитываются .
Напряжение эмиттера выбирается равным . Ток делителя выбирается равным , где - базовый ток транзистора и вычисляется по формуле:
мА.
А
Учитывая то, что в коллекторной цепи отсутствует резистор, то напряжение питания рассчитывается по формуле В. Расчёт величин резисторов производится по следующим формулам:
Ом;
Ом;
Ом;
3.3.4.2 Активная коллекторная термостабилизация
Активная коллекторная термостабилизация используется в мощных каскадах и является достаточно эффективной, её схема представлена на рисунке 3.3.10. Её описание и расчёт можно найти в [5].
Рисунок 3.3.10 Схема активной коллекторной термостабилизации.
В качестве VT1 возьмём КТ814А. Выбираем падение напряжения на резисторе из условия (пусть В), тогда . Затем производим следующий расчёт:
; (3.3.11)
; (3.3.12)
; (3.3.13)
; (3.3.14)
, (3.3.15)
где - статический коэффициент передачи тока в схеме с ОБ транзистора КТ814;
; (3.3.16)
; (3.3.17)
. (3.3.18)
Получаем следующие значения:
Ом;
мА;
В;
А;
А;
Ом;
Ом.
Величина индуктивности дросселя выбирается таким образом, чтобы переменная составляющая тока не заземлялась через источник питания, а величина блокировочной ёмкости - таким образом, чтобы коллектор транзистора VT1 по переменному току был заземлён.
3.3.4.3 Пассивная коллекторная термостабилизация
Наиболее экономичной и простейшей из всех схем термостабилизации является коллекторная стабилизация. Стабилизация положения точки покоя осуществляется отрицательной параллельной обратной связью по напряжению, снимаемой с коллектора транзистора. Схема коллекторной стабилизации представлена на рисунке 3.3.11.
Рассчитаем основные элементы схемы по следующим формулам:
Выберем напряжение URк=5В и рассчитаем значение сопротивления Rк.
Зная базовый ток рассчитаем сопротивление Rб
Определим рассеиваемую мощность на резисторе Rк
Как было сказано выше, эмиттерную термостабилизацию в мощных каскадах применять “невыгодно” так как на резисторе, включённом в цепь эмиттера, расходуется большая мощность. В нашем случае лучше выбрать активную коллекторную стабилизацию.
3.4 Расчёт входного каскада
3.4.1 Выбор рабочей точки
При расчёте режима предоконечного каскада условимся, что питание всех каскадов осуществляется от одного источника напряжения с номинальным значением Eп. Так как Eп=Uк0, то соответственно Uк0 во всех каскадах берётся одинаковое, то есть Uк0(предоконечного к.)=Uк0(выходного к). Мощность, генерируемая предоконечным каскадом должна быть в коэффициент усиления выходного каскада вместе с МКЦ(S210) раз меньше, следовательно, и Iк0, будет во столько же раз меньше. Исходя из вышесказанного координаты рабочей точки примут следующие значения: Uк0= 15 В; Iко=0.4/2.058= 0.19 А. Мощность, рассеиваемая на коллекторе Pк= Uк0 Iк0=2.85 Вт.
3.4.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора был произведён в пункте 3.3.5.2 Выбор входного транзистора осуществляется в соответствии с требованиями, приведенными в пункте 3.3.2. Этим требованиям отвечает транзистор КТ913А. Его основные технические характеристики приведены ниже.[1]
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 А;
3.4.3 Расчёт эквивалентной схемы транзистора
Эквивалентная схема имеет тот же вид, что и схема представленная на рисунке 3.3. Расчёт её элементов производится по формулам, приведённым в пункте 3.3.3.
нГн;
пФ;
Ом
Ом;
Ом;
пФ.
3.4.4 Расчёт цепи термостабилизации
Для входного каскада также выбрана активная коллекторная термостабилизация.
В качестве VT1 возьмём КТ814А. Выбираем падение напряжения на резисторе из условия (пусть В), тогда . Затем производим следующий расчёт:
; (3.3.11)
; (3.3.12)
; (3.3.13)
; (3.3.14)
, (3.3.15)
где - статический коэффициент передачи тока в схеме с ОБ транзистора КТ814;
; (3.3.16)
; (3.3.17)
. (3.3.18)
Получаем следующие значения:
Ом;
мА;
В;
А;
А;
Ом;
кОм
3.5 Расчёт корректирующих цепей
3.5.1 Расчёт выходной корректирующей цепи
Расчёт всех КЦ производится в соответствии с методикой описанной в [2]. Схема выходной корректирующей цепи представлена на рисунке 3.12
Рисунок 3.3.12 Схема выходной корректирующей цепи
Выходную корректирующую цепь можно рассчитать с использованием методики Фано, которая подробно описана в методическом пособии [2]. Зная Свых и fв можно рассчитать элементы L1 и C1 .
Найдём - выходное сопротивление транзистора нормированное относительно и .
(3.5.1)
.
Теперь по таблице приведённой в [2] найдём ближайшее к рассчитанному значение и выберем соответствующие ему нормированные величины элементов КЦ и .
Найдём истинные значения элементов по формулам:
; (3.5.2)
; (3.5.3)
. Гн; (3.5.4)
Ф;
3.5.2 Расчёт межкаскадной КЦ
В данном усилителе имеются две МКЦ: между входным каскадом и каскадом со сложением напряжений и на входе усилителя. Это корректирующие цепи третьеого порядка. Цепь такого вида обеспечивает реализацию усилительного каскада с наклоном АЧХ, лежащим в пределах необходимых отклонений (повышение или понижение) с заданными частотными искажениями [2].
Расчёт межкаскадной корректирующей цепи, находящейся между входным каскадом и каскадом со сложением напряжений:
Принципиальная схема МКЦ представлена на рисунке 3.3.13
Рисунок 3.3.13. Межкаскадная корректирующая цепь третьего порядка
При расчёте используются однонаправленные модели на ВЧ входного и предоконечного транзисторов. В схеме со сложением напряжений оба транзистора выбираются одинаковыми. Возникает задача: выбор предоконечного транзистора. Обычно его выбирают ориентировочно, и если полученные результаты будут удовлетворять его оставляют.
Для нашего случая возьмём транзистор КТ913А (VT1), который имеет следующие эквивалентные параметры:
Свых=5.5 пФ
Rвых=55 Ом
И транзистор КТ 934Б (VT2), имеющий следующие эквивалентные параметры:
Lвх=3.8 нГн
Rвх=0.366 Ом
При расчёте будут использоваться коэффициенты: , , , значения которых берутся исходя из заданной неравномерности АЧХ. Таблица коэффициентов приведена в методическом пособии [2] В нашем случае они соответственно равны: 2.31, 1.88, 1.67. Расчет заключается в нахождении нормированных значений: и подставлении их в соответствующие формулы, из которых находятся нормированные значения элементов и преобразуются в действительные значения.
Итак, произведём расчёт, используя следующие формулы:
,
,
= - нормированные значения , , .
Подставим исходные параметры и в результате получим:
Зная это, рассчитаем следующие коэффициенты:
;
; (2.32)
;
получим:
Отсюда найдем нормированные значения , , и :
где ; (2.33)
;
;
.
При расчете получим:
и в результате:
Рассчитаем дополнительные параметры:
(2.34)
(2.35)
где S210- коэффициент передачи оконечного каскада.
Для выравнивания АЧХ в области нижних частот используется резистор , рассчитываемый по формуле:
(2.36)
Найдем истинные значения остальных элементов по формулам:
, , , (2.37)
3.5.3 Расчёт входной КЦ
Схема входной КЦ представлена на рисунке 3.5.14. Её расчёт, а также табличные значения аналогичны описанным в пункте 3.5.1.
Рисунок 3.5.14 входная коректирующая цепь
Расчитаем входную коректирующую цепь:
,
,
= - нормированные значения , , .
Подставим исходные параметры и в результате получим:
Зная это, рассчитаем следующие коэффициенты:
;
; (2.32)
;
получим:
Отсюда найдем нормированные значения , , и :
где ; (2.33)
;
;
.
При расчете получим:
и в результате:
Рассчитаем дополнительные параметры:
(2.34)
(2.35)
где S210- коэффициент передачи оконечного каскада.
Для выравнивания АЧХ в области нижних частот используется резистор , рассчитываемый по формуле:
(2.36)
Найдем истинные значения остальных элементов по формулам:
, , , (2.37)
На этом расчёт входного каскада закончен.
3.6 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей
Дроссель в коллекторной цепи каскадов ставится для того, чтобы выход транзистора по переменному току не был заземлен. Его величина выбирается исходя из условия:
. (3.6.3)
мкГн.
Сопротивление и емкость обратной связи, стоящие в цепи базы выходного транзистора расчитаем по формулам:
Подставив значения получим:
Разделительные емкости.
Устройство имеет 4 реактивных элемента, вносящих частотные искажения на низких частотах. Эти элементы - разделительные емкости. Каждая из этих емкостей по техническому заданию должна вносить не более 0.75 дБ частотных искажений. Номинал каждой емкости с учетом заданных искажений и обвязывающих сопротивлений рассчитывается по формуле: (1.38)
где Yн - заданные искажения; R1 и R2 - обвязывающие сопротивления, Ом; wн - нижняя частота, рад/сек.
Приведем искажения, заданные в децибелах: , (1.39)
где М - частотные искажения, приходящиеся на каскад, Дб. Тогда
Номинал разделительной емкости стоящей в цепи коллектора транзистора с общим эмиттером в каскаде со сложением напряжений:
Номинал разделительной емкости стоящей в цепи коллектора входного транзистора:
Номинал разделительной емкости входного каскада:
Емкость Сбл найдём из условия:
XСбл Rк, гдеRк - сопротивление стоящее в цепи коллектора транзистора активной коллекторной термостабилизации представленной на рис.3.3.10.
Хс=1/С=1/С
С=1/Хс
Для расчета Сбл возьмем Хс=0.43 что 500 раз меньше Rк. В итоге получим:
С=1/0.432230106=1.610-9
Сбл=1.6 нФ
4. Заключение
Рассчитанный усилитель имеет следующие технические характеристики:
1. Рабочая полоса частот: 49-230 МГц
2. Линейные искажения
в области нижних частот не более 2 дБ
в области верхних частот не более 2 дБ
3. Коэффициент усиления 30дБ с подъёмом области верхних частот 6 дБ
4. Питание однополярное, Eп=16 В
5. Диапазон рабочих температур: от +10 до +60 градусов Цельсия
Усилитель рассчитан на нагрузку Rн=75 Ом
Усилитель имеет запас по усилению 5дБ, это нужно для того, чтобы в случае ухудшения, в силу каких либо причин, параметров отдельных элементов коэффициент передачи усилителя не опускался ниже заданного уровня, определённого техническим заданием.
Поз.
Обозна-
чение
Наименование
Кол.
Примечание
Транзисторы
VT1
КТ913А
1
VT2
КТ814А
1
VT3
КТ934Б
1
VT4
КТ814А
1
VT5
КТ934Б
1
VT6
КТ814А
1
Конденсаторы
С1
КД-2-0.1нФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С2
КД-2-20пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С3
КД-2-16пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С4, С8,
С10,С12
КМ-6-2.2нФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
4
С5
КД-2-200пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С6
КД-2-22пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С7
КД-2-7.6пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С9
КД-2-110пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С11
КМ-6-16пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С13
КД-2-100пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
С14
КМ-6-10пФ 5 ОЖО.460.203 ТУ
1
Катушки индуктивности
L1
Индуктивность 25нГн 5
1
L2
Индуктивность 12нГн 5
1
L3
Индуктивность 50нГн 5
1
Др4- Др8
Индуктивность 25мкГн 5
5
??? ?? 468740.001 ??
???
?????
???????
???
????
N?????.
????.
????
?C??????? ????????
????????
Далматов
??? 1-12 ???????
??????.
????? ?.?.
TV
????
??????
????? ???
???????? ?????????
??????? ???
??. 148-3
Поз.
Обозна-
чение
Наименование
Кол.
Примечание
Резисторы
R1
МЛТ - 0.125 - 1.2 кОм 10ГОСТ7113-77
1
R2
МЛТ - 0.125 - 18 кОм 10ГОСТ7113-77
1
R3
МЛТ - 0.125 - 220 Ом 10ГОСТ7113-77
1
R4
МЛТ - 0.125 - 2.2 кОм 10ГОСТ7113-77
1
R5
МЛТ - 1 - 0.25 Ом 10ГОСТ7113-77
1
R6
МЛТ - 0.125 - 6 кОм 10ГОСТ7113-77
1
R7,R11
МЛТ - 0.125 - 160 Ом 10ГОСТ7113-77
2
R8,R12
МЛТ - 0.125 - 820Ом 10ГОСТ7113-77
2
R9,R13
МЛТ - 0.125 - 22 Ом 10ГОСТ7113-77
2
R10,R14
МЛТ - 1 - 2.5 Ом 10ГОСТ7113-77
2
??? ?? 468740.001 ??
???
?????
???????
???
????
N?????.
????.
????
?C??????? ????????
?????????
????????
Далматов
??? 1-12 ???????
??????.
????? ?.?.
TV
????
??????
????? ???
???????? ?????????
??????? ???
??. 148-3
??? ?? 468740.001 ?3
???
?????
???????
???
Лист
N?????.
????.
????
?C???????
????????
????????
1-12 ???????
????????
????? ?.?.
????
??????
????? ???
??????????????
??????? ???
?????
??. 148-3
Список использованных источников
1 Справочник полупроводниковые приборы /транзисторы средней и большой мощности. Под ред. А.В.Голомедова. Издание третье. Москва 1995 г.