Основи схемотехніки

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ЗВ’ЯЗКУ ТА ІНФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ

Державний університет  інформаційно-комунікаційних технологій

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни “ Основи схемотехніки ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав: студент групи АД-22Б

Мовчан Р.А.

Перевірив: викладач Толюпа С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2010

 

Вихідні дані

 

Загальні вимоги:

Температура навколишнього середовища, С 0+30;

Хвильовий опір коаксіальних кабелів, ρ=75 Ом

Вихідний опір корректора амплітудно-частотної характеристикиі вхідний опір автоматичного регулятора підсилення(АРП), R=100 Ом

 

Показники підсилювача:

	Потужність, що віддається в навантаження Рн,мВт	15
	Нестабільність коефіцієнта підсилення каскаду КF,%	3,5
	Загасання не лінійності по другій і  третій гармоніках άr,дБ	70
	Верхня робоча частота fв, кГц	1600
	Нижня робоча частота fн, кГц	116
	Допустимий коефіцієнт підсилення частотних спотворень на нижній робочій частоті, дБ	0,3

 

Загальні параметри:

	Опір резистора в колі колектора V4,Ом	300
	Вхідний опір каскаду на транзисторі V4, кОм	0,6
	Коефіцієнт підсилення каскаду  на транзисторі V4 з врахуванням місцевого  зворотнього зв’язку	8

 

 

 

 

 

 

 

 

Вибір типу транзисторів

 

Тип транзисторів вибирається  з врахуванням можливості їхнього використання в вихідному каскаді за максимально припустимою потужністю, що розсіюється, на  колекторі Р_ктах, граничній частоті підсилення струму в схемі з ЗЕ f_h21Э.

В трансформаторному каскаді, що працює в режимі класу «А», при потужності, що віддається, у десятки міліватів із транзистора завжди можна зняти задану потужність сигналу і забезпечити полегшений температурний режим, якщо виконати умову:

,                            (3)

де  P_H — потужність, що віддається підсилювачем,;

- ККД вихідного трансформатора;

- максимальний ККД підсилювального  приладу в режимі «А»;

N₁ - коефіцієнт запасу;

- максимально допустима потужність, що  розсіюється на колекторі.

Для розрахунку зручно прийняти;

=0,9; =0,4; N₁=2,5...3.

Підсилювальні властивості транзисторів зі зростанням частоти сигналу значно погіршуються, причому через технологічний розкид характеристик в кожному екземплярі підсилювального приладу вони міняються індивідуально. Для того, щоб спростити процес настроювання підсилювачів і підвищити стійкість в області верхніх частот, тип транзистора вибирають з врахуванням нерівності

,                                            (4)

де f_h21е - гранична частота коефіцієнта передачі струму транзистора в схемі з ЗЕ (на цій частоті статичний коефіцієнт передачі струму f_h21е зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот);

f_в - верхня робоча частота.

Іноді в довідниках замість  частоти f_h21е вказується частота f_h21б або f_гр . f_h21б це гранична частота коефіцієнта передачі струму h_21б в схемі з ЗБ, тобто частота, на якій цей коефіцієнт зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот. Частота f_гр - гранична частота транзистора в схемі з ЗЕ, при якій  h_21е=1.

Параметри транзистора КТ315Б
Структура транзистора	n-p-n
Максимально допустима постійна розсіювана потужність на колекторі РК max , мВт	150
Гранична частота підсилення в схемі з ЗЕ fh21Е, МГц	7,7
Модуль коефіцієнта передачі струму в схемі з ЗЕ  fh21Е min  fh21Е max	20 90
Максимально допустима постійна напруга колектор-емітер UKе тах ,В	30
Вхідний опір транзистора в схемі з ЗЕ h11Е, Ом	750
Опір бази r’б Ом	35
Ємність коллекторного переходу CK , пФ	7
Ємність емітерного переходу Cб'е , пФ	10

 

Взаємозв'язок між названими частотами  можна встановити за допомогою наступних  виразів:

f_h21е h_21е» f_h21е»1,3 f_гр ,                                           (5)

 

,                                 (6)

де h_21е - статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ЗЕ;

- довідкові параметри; межі  технологічного розкиду.

В інших випадках у довідниках вказується величина модуля коефіцієнта передачі струму на визначеній частоті f. Тоді можна скористатися виразом

.                                                     (7)

Результати обчислень по формулах (3) і (4) дозволяють підібрати підходящий тип транзистора в довіднику.

Розрахунок  вихідного каскаду

 

Розрахунок всіх багатокаскадних  підсилювачів починають з вихідного  каскаду з метою забезпечення необхідних параметрів вихідного сигналу. Спрощена принципова схема однотактного трансформаторного каскаду підсилювача потужності приведена на рис. 6. Навантаженням каскаду служить коаксіальна лінія з хвильовим опором ρ.

З метою підвищення надійності радіоелектронної апаратури потужність, що розсіюється реально на транзисторі Р_к в режимі спокою повинна бути менше максимально допустимої. Прийнято витримувати співвідношення

.                                  (8)

В трансформаторному  каскаді, що працює в режимі класу  «А», напруга між колектором і  емітером при досить великому сигналі може приблизно в 2 рази перевищувати напругу живлення. Тому доцільно напругу спокою U_К вибрати з умови

,                                                    (9)

де  - максимальна допустима напруга колектор-емітер.

Через те, що всі підсилювачі включені послідовно по колу живлення виникає  небезпека, що загальна напруга джерел живлення може перевищити межу міцності ізоляції центральної жили кабелю. Тому потрібно обмежити U_КЕ= 5...6 В, Тоді струм спокою I_K дорівнює:

                                            (10)

 

 

 

 

Точка спокою (робоча точка) з координатами U_КЕ, І_К позначається на сімействі вихідних статичних характеристик рис. 7. Через цю точку потрібно провести навантажувальну пряму так, щоб з підсилювального приладу можна було зняти сигнал необхідної потужності Р_К~ :

,                          (11)

де N₂ - коефіцієнт запасу, що враховує втрати енергії за рахунок неточного узгодження з навантаженням і втрат в колі НЗЗ. Звичайно приймають N₂ = 1,2.

Близька до оптимального величина опору навантаження в колекторному ланцюзі транзистора R_К~ розраховується за формулою:

                                           (12)

Потім розраховуються амплітуди змінних складових струму I_km і напруги U_km у колекторному колі:

,                                             (13)

.                                                     (14)

По осі абсцис від  координати U_КЕ праворуч відкладається відрізок I_KR_K~ і через його кінець і крапку спокою проводиться навантажувальна пряма. Відзначаються струми

,                                                 (15)

.                                                 (16)

При дотриманні умови (3) робоча область  навантажувальної прямої автоматично  виявиться поза межами областей, що заштриховані на рис.7.

Максимальний і мінімальний  струми бази розраховуються з урахуванням використання найгіршого транзистора:

                                                    (17)

 

Струми I_бmax і I_бmin відзначають на осі ординат вхідних характеристик (рис. 8) і знаходять відповідні їм значення напруги між базою і емітером U_{бе max} і U_беmin

Потім визначають амплітуду  вхідного струму I_бm, амплітуду вхідної напруги U_бет і вхідний опір транзистора

,                                  (18)

 

                              (19)

                                              (20)

Коефіцієнт підсилення напруги  вихідного каскаду

                                                      (21)

Обчислення, зроблені відповідно до приведеної методики розрахунку, будуть справедливі, якщо вибрати коефіцієнт трансформації Т₂ рівним n₂ і активні опори його первинної r₄ і вторинної r₆ обмоток рівними:

                        (22)

де r - хвильовий опір кабелю;

- відношення опору первинної  обмотки до перерахованого опору  вторинної обмотки.

З метою найбільш повного використання напруги живлення в трансформаторних каскадах, де через первинну обмотку  протікає постійна складового струму вихідного транзистора, прийнято вибирати с»0,5. Для вхідного трансформатора приймають с=1.

Амплітуда сигналу на навантаженні U_H складе;

                                       (23)

Розрахунок  стабілізуючих кіл

 

З практики відомо, що нестабільність коефіцієнта підсилення DК на каскад при нестабільності струму спокою в межах 10 % складає приблизно 15%. Доцільно в кожний каскад ввести місцеве коло НЗЗ по змінному струму і зменшити нестабільність коефіцієнта підсилення до DК =3-5%. Таким чином, вихідний каскад повинен бути охоплений колом НЗЗ глибиною

.                                                            (24)

Зворотній зв'язок в каскаді –  комбінований: по струму та напрузі  і послідовний за виходом. При  зміні навантаження параметри каскаду не повинні змінюватись. З цілю збереження постійних характеристик каскаду необхідно виконати умову:

.                                                  (25)

Тоді коефіцієнт передачі петлі  НЗЗ по струму та опору резистора R_еF розраховується по формулам:

                                                            (26)

.                                                         (27)

Причому активний опір обмотки  L₅ повинен бути значно менше R_eF, тобто .

Коефіцієнт трансформації  по відношенню до обмотки, з якої знімається напруга ЗЗ, приймається рівним:

,                                                  (28)

де W₄ та W₅ – кількість витків відповідних обмоток трансформатора.

Індуктивний опір обмотки W₅ дуже малий у порівнянні з R_eF,і з ним можна не рахуватися.

Спільний коефіцієнт передачі кіл НЗЗ кінцевого каскаду та його коефіцієнт підсилення К_F3 , будуть рівні:

                                                          (29)

Тоді припустивши зменшення  амплітуди сигналу ЗЗ в коректуючи колах на 20%, коефіцієнт передачі кола спільного НЗЗ можна прийняти рівним:

.                                                       (30)

Стабілізація струму спокою здійснюється високоефективними схемами емітерної стабілізації, для чого необхідно забезпечити значне падіння напруги на резисторах в колі емітерів. Падіння напруги на резисторах в колі емітера задається в межах 1,5 – 2В. Тоді величина напруги живлення підсилювача складе

.                                    (31)