Усилитель радиорелейной линии связи
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
Студент гр. 148-3
__________Валтеев В.В.
Доцент кафедры РЗИ
___________Титов А.А.
Курсовой проект 18 с., 11 рис., 1 табл.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (Кu), АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (АЧХ), ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ (ООС), ОБЩИЙ ЭМИТТЕР (ОЭ).
Объектом проектирования является усилитель радиорелейных линий связи.
Цель работы – научиться проектировать широкополосный усилитель по заданным требованиям к нему.
В процессе работы производился аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведён анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.
В результате расчета был разработан усилитель с заданными требованиями.
Полученный усилитель может быть использован для компенсации потерь мощности в радиорелейных линиях связи.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0 (представлена на дискете).
на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства”
студент гр. 148-3 Валтеев В.В.
Тема проекта: Усилитель радиорелейных линий связи.
Исходные данные для проектирования аналогового устройства.
1. Диапазон частот от 40 МГц до 450 МГц.
2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB.
3. Коэффициент усиления 15 dB.
4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом.
5. Амплитуда напряжения на выходе 0.5 В.
6. Характер и величина нагрузки 50 Ом.
7. Условия эксплуатации (+5 +40)ºС.
8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу.
1 Введение ------------------------------------------ ----------------------------- 5
2 Основная часть ---------------------------------------------------------------- 6
2.1 Анализ исходных данных -------------------------------------------------- 6
2.2 Расчёт оконечного каскада ----------------------------------------------- 6
2.2.1 Расчёт рабочей точки ---------------------------------------------------- 6
2.2.2 Расчёт эквивалентных схем замещения транзистора ------------- 8
2.2.2.1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто -------------------------- 8
2.2.2.2 Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9
2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации --------------------------10
2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация -------------------------------------- 10
2.2.3.2 Пассивная коллекторная ---------------------------------------------- 11
2.2.3.3 Активная коллекторная ----------------------------------------------- 11
2.3 Расчёт усилителя ----------------------------------------------------------- 12
2.4 Расчёт ёмкостей и дросселей --------------------------------------------- 14
Схема электрическая принципиальная ------------------------------------- 15
Спецификация ------------------------------------------------------------------- 16
3 Заключение -------------------------------------------------------------------- 17
Список использованных источников----------------------------------------- 18
Цель работы – научиться проектировать усилители, в данном случае – усилители радиорелейных линий связи, по заданным требованиям.
Все перечисленные выше достоинства можно реализовать в усилителе с перекрёстными обратными связями [1,2]. Такие усилители не требуют настройки, имеют стабильные параметры и сохраняют неизменной полосу пропускания при наращивании числа каскадов.
Для обеспечения заданного коэффициента усиления 15 dB нам потребуется 4 каскада, тогда на каждый каскад будет приходиться примерно по 4 dB. Вследствие того, что у нас будут перекрёстные обратные связи, которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться ориентировочно около одной трети выходного напряжения, то возьмём Uвых в 2 раза больше заданного, т.е. 1В.
На основании выше изложенного, вычислим напряжение на нагрузке и выходной ток:
Uвых=2Uвых(заданного)=2·0.5=1 (В);
Iвых=
=
=0,02 (А).
Рассчитаем рабочую точку для резистивного и дроссельного каскадов:
 |  | ||
а) резистивный каскад:
Рисунок 2.2.1.1- Резистивный каскад Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные
по переменному току. прямые
Рассчёт рабочей точки заключается в нахождении тока коллектора Iк0 и напряжения коллектор-эмитер Uкэ0. Для нахождения Iк0 необходимо рассчитать переменную составляющую тока коллектора Iк», а для Uкэ0 – выходное напряжение Uвых и остаточное напряжение транзистора Uост, которое мы примем равным 2В, при условии Rн.=Rк:
Iк»=
=
=0,04 (А);
Uкэ0=Uвых+Uост , (2.2.1)
где Uвых выходное напряжение,
Uост остаточное напряжение транзистора;
Iк0= Iк»+0,1 Iк», (2.2.2)
где Iк» ток коллектора по переменному току;
Uкэ0=3 (В);
Iк0=0,044 (А);
Pвых=
=
=0,01 (Вт) – выходная мощность, Rн – сопротивление нагрузки;
Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0×Rк=5,2 (В) – напряжение питания,
где URк напряжение на Rк, равное Iк0×Rк..
Pрасс=Uкэ0×Iк0=0,132 (Вт) – мощность, рассеиваемая на транзисторе;
Рпотр= Eп×Iк0=0,2288 (Вт) – мощность, потребляемая каскадом;
 |  | ||
б) дроссельный каскад:
Рисунок 2.2.1.3- Дроссельный каскад Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые.
по переменному току.
Iвых=
=
=0,02 (А) – выходной ток;
По формулам (2.2.1) и (2.2.2) рассчитаем рабочую точку.
Uкэ0=3 (В)
Iк0=0,022 (А)
Pвых=
=
=0,01 (Вт) - выходная мощность;
Eп=Uкэ0=3 (В) - напряжение питания;
Рк расс=Uкэ0×Iк0=0,066 (Вт) - мощность, рассеиваемая на коллекторе;
Рпотр= Eп×Iк0=0,066 (Вт) – мощность, потребляемая каскадом;
Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Как видно из таблицы, лучше использовать каскад с дросселем в цепи коллектора На основании следующих неравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2; Рк расс> Рк расс(доп)*1,2; fт>(3¸10)*fв>2300 МГц выберем транзистор КТ371А. Его параметры [3] необходимые при расчете приведены ниже:
tс=8 пс и Ск=0,7 пФ при Uкэ=10 В, b0=150, Uкэ0(доп)=10 В, Iк0(доп)=30 мА,
Рк расс(доп)=0,1 Вт, fт=4,5 ГГц, Lб=2,5 нГн, Lэ=2,5 нГн.
 |
2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто.
Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного
Проведём расчёт элементов эквивалентной схемы замещения транзистора [4], используя паспортные данные:
Ск(треб)=Ск(пасп)*
=0,7×
=0,9 (пФ),
где Ск – ёмкость коллекторного перехода;
rб= 
=11,43 (Ом); gб=
=0,0875 (Cм),
где rб и gб сопротивление и проводимость базы соответственно,
τс – постоянная времени цепи обратной связи;
rэ=
=1,82 (Ом), - сопротивление эмиттера,
где Iк0 взят в мА;
gбэ=
=0,0036 (См), – проводимость перехода база-эмиттер,
где β0 – статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;
Cэ=
=24,3 (пФ), - ёмкость эмиттерного перехода,
где fт граничная частота транзистора;
Ri= 
=333 (Ом), gi=0.003(См),
где Ri и gi выходные сопротивление и проводимость транзистора соответственно.
Данная модель применяется в области высоких частот [5].
 |
Lвх= Lб+Lэ=(2,5+2,5)нГн=5 (нГн) – входная индуктивность транзистора,
где Lб и Lэ индуктивности базы и эмиттера соответственно;
Rвх=rб=11,43 (Ом) – входное сопротивление;
Rвых=Ri=333 (Ом) – выходное сопротивление;
Свых=Ск(треб)=0,9 (пФ) – выходная ёмкость;
fmax=fт=4,5 (ГГц) – максимальная граничная частота.
 |
Эмитерная термостабилизация [5] 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 3В.
Рассчитаем параметры элементов данной схемы.
URэ=(2÷5)=3 (В);
Eп=Uкэ0+URэ=3+3=6 (В);
Rэ=
=
=136,4 (Ом);
Rб1=
, Iд=10×Iб, Iб=
, Iд=10×
=10×
=1,46 (мА),
где Iд ток базового делителя,
Iб ток базы;
Rб1=
=1575 (Ом), - элемент базового делителя;
Rб2=
=2534 (Ом), - элемент базового
делителя.
Наряду с эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторные термостабилизации [5].
 |
URк=6 (В);
Rк=URк/Iк0=6/0.022=273 (Ом);
Eп=Uкэ0+URк=9 (В);
Iб=
=0.022/150=0,146 (мА),
Rб=
=15,7 (КОм).
Ток базы определяется величиной Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а значит уменьшает ток коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что применимо только в маломощных каскадах. Но, так как мы будем применять перекрёстные обратные связи, то данная схема нам не подходит.
Можно сделать так, чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.(2.2.3.2.1). Получим что при незначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В см. рис.(2.2.3.3.1).
b2=50;
UR4 >1 B; UR4 =2 (B);
R4=
=
=91 (Ом);
Eп=Uкэ0+UR4=5 (В);
Iб1= Iк0/β01=0,022/150=146 (мкА);
Iб1= Iк02;
Uкэ02= Uкэ01/2=1,5 (B);
Iд=10×Iб2=10×
=9,6 (мкA);
R3=
=280 (КОм);
R1=
=240 (кОм);
 |
R2=
=5450 (Ом).
Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать, т.е. данный вариант не желателен, поскольку параметры усилителя должны как можно меньше зависеть от изменения параметров его элементов, по заданию. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную.
 |
Схема усилительных каскадов по переменному току приведена на рисунке 2.3.1 [1].
При заданном коэффициенте усиления схема с перекрёстными обратными связями обладает большей полосой пропускания, которая практически не сокращается при увеличении числа каскадов, что объясняется комплексным характером обратной связи на высоких частотах [1]. Рассчитаем усилитель на 4-х каскадах. Для того, чтобы схема была согласована по входу и по выходу, требуется соблюдение условия:
; 
(2.3.1)
При выполнении условия (2.3.1) и при пренебрежении величинами второго порядка малости, коэффициент усиления двухтранзисторного варианта усилителя изображенного на рисунке 2.3.1 описывается выражением
; (2.3.2)
где 
; (2.3.3)
;
(2.3.4)
; (2.3.5)
;
(2.3.6)
Выберем К=0.5 и произведём расчет 
, 
,
по формулам (2.3.3-2.3.5):
К0=
=2,125;
b1=
=3,375;
b2=
=3,625.
двухтранзисторного варианта усилителя равна
(2.3.7)
где 
=89,2 (пс)
;
(2.3.8)
,
(2.3.9)
Мн = 3 dB – допустимые частотные искажения.
По формуле (2.3.7) с помощью формул(2.3.8-2.3.9) произведём расчет 
:
;
;
=713 (МГц);
При увеличении числа каскадов усилителя, его 
практически не меняется
и может быть рассчитана по эмпирической зависимости
,
(2.3.10)
где n - общее число каскадов; 
- верхняя частота
полосы пропускания двухтранзисторного варианта усилителя, рассчитываемая по формуле (2.3.7).
(МГц).
Подключение дополнительных каскадов усиления к двухтранзисторному варианту усилителя приводит к возрастанию усиления в 
раз, где n - общее число каскадов, и общий коэффициент усиления, в этом случае, равен:
.
Кu(общ)=
(раз), что соответствует 18,6 dB;
Из формулы (2.3.6) вычислим Rос, потом выразим Rэ, оно будет являться сопротивлением ООС и назовём его 
:
(Ом);
(Ом);
; 
(Ом);
 |
Проводимый ниже расчёт основан на [4].
(пФ);
(мкГн);
На нижних частотах неравномерность АЧХ обусловлена ёмкостями Ср и Сэ, поэтому пусть 1,5 dB вносят Ср и столько же Сэ.
,
(2.4.1)
где R1 и R2 сопротивления соответственно слева и справа от Ср
Yн допустимые искажения вносимые одной ёмкостью.
(dB), 
(раз), для Ср1 и
(раз), для Сэ.
R1=Rвых(каскада), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср1 (межкаскадной),
R1=Rг=Rвых(3-го каскада)=50 (Ом), R2=Rвх(каскада)=Rн=50 (Ом), для Ср2,
;
; 
;
;
(Ом).
По формуле (2.4.1) рассчитаем Ср.
(пФ);
(пФ);
;
;
(нс);
(пФ).
