Усилитель многоканальной системы передачи.

1. Технические условия: номинальная выходная мощность P2 = 55 мВт номинальное выходное сопротивление RвыхF = 300 Ом сопротивление нагрузки R2=300Ом допустимый коэффициент гармоник kГF=0,038% рабочий диапазон частот fН = 95 кГц fВ = 0.7 МГц модуль коэффициента усиления с ОС на средних частотах KF = 60 относительная нестабильность коэффициента усиления SF =0.41 дБ номинальное входное сопротивление RвхF = 300 Ом внутреннее сопротивление источника сигнала R1 = 300 Ом рабочий диапазон значений температуры tc max= +500c напряжение источника питания E0 = - 15 В 2. Эскизный расчет усилителя Цель эскизного расчета - выбор типов транзисторов и предварительный расчета числа каскадов усилителя. 2. 1. Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью Коэффициент усиления усилителя с глубокой одноканальной ОС определяется параметрами пассивных цепей: Цепь усиления должна иметь коэффициент усиления, достаточный для получения заданного значения KF и необходимого значения глубины обратной связи F. Цепь усиления содержит 2-4 каскада и функционально разделяется на выходной каскад и предварительные каскады усиления. Основное назначение выходного каскада заключается в обеспечении в нагрузке R2 заданной мощности сигнала P2 при допустимом уровне нелинейных искажений. Основное усиление по напряжению создают предварительные резисторные каскады, среди которых особое место занимает входной каскад, определяющий коэффициент шума цепи усиления. Цепь ОС представляет собой пассивный четырехполюсник с вносимым коэффициентом передачи B0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного шестиполюсника на зажимах 6-6 (рис. 1), а эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением – выходной шестиполюсник (на зажимах 5-5). 2. 2. Выбор транзистора и расчет режима работы выходного каскада Выходной каскад выполняется по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2), в которой транзистор включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ), имеющий наибольший коэффициент усиления мощности, и работает в режиме А. Связь с внешней нагрузкой осуществляется через выходной трансформатор, что позволяет создать для выходного транзистора оптимальное (в смысле получения заданной мощности) сопротивление нагрузки и делает этот каскад более экономичным. Транзистор выходного каскада выбирается по двум основным условиям: 1) 2) , где ; ; =(4…5)P2 – максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме А и потерь мощности сигнала в выходной цепи; – максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе (берется из справочных данных на транзистор); – коэффициент запаса, введение которого предполагает использование транзисторов в облегченных режимах для повышения надежности; и – крайние значения коэффициентов усиления (передачи) тока из справочных данных; – граничная частота коэффициентов передачи тока в схеме ОЭ; – частота полюса (среза) по параметру . мВт мВт Из условия, что выбираем транзистор, проверяя его на соблюдение условия(2). КТ602А (Pkmax=850 мВт, fh21=5МГц) Pkmax=850 мВт> ан∙Pкрmax=440мВт fh21=5МГц>3fв=2,1 МГц Условия (1) ,(2) выполняются, следовательно, данный транзистор можно использовать в выходном каскаде. Режим работы транзистора, определяемый значениями тока покоя коллектора и постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером , должен быть таким, чтобы во внешней нагрузке обеспечивалась заданная (номинальная) мощность сигнала и параметры

Содержание:

1. Технические условия: 2
2. Эскизный расчет усилителя 3
2. 1. Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью 3
2. 2. Выбор транзистора и расчет режима работы выходного каскада 4
2. 3. Расчет необходимого значения глубины обратной связи 8
2. 4. Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов 9
2.5 Проверка выполнения условий стабильности коэффициента усиления 12
3. Выбор схемы цепи усиления и расчет по постоянному току 13
3.1 Варианты построения К-цепи 13
3.2Расчет каскадов усилителя по постоянному току 13
4.Расчёт коэффициента усиления и параметров АЧХ 17
5.Расчет пассивных узлов структурной схемы усилителя 25
5.1 Выбор и расчет входной и выходной цепи 25
5.2 Расчёт элементов цепи обратной связи. 28
6. Расчет и построение характеристик передачи по петле ОС 31
6.1Факторы, влияющие на максимально допустимую глубину ОС 31
6.2 Построение ЛАХ Т (f) 33
7.Составление принципиальной схемы усилителя 35
8. Составление спецификации усилителя мощности 37
Заключение 39

1. Технические условия:

номинальная выходная мощность P2 = 55 мВт
номинальное выходное сопротивление RвыхF = 300 Ом
сопротивление нагрузки R2=300Ом
допустимый коэффициент гармоник kГF=0,038% рабочий диапазон частот fН = 95 кГц fВ = 0.7 МГц
модуль коэффициента усиления с ОС на средних частотах KF = 60
относительная нестабильность коэффициента усиления SF =0.41 дБ
номинальное входное сопротивление RвхF = 300 Ом
внутреннее сопротивление источника сигнала R1 = 300 Ом
рабочий диапазон значений температуры tc max= +500c
напряжение источника питания E0 = - 15 В

2. Эскизный расчет усилителя
Цель эскизного расчета - выбор типов транзисторов и предварительный расчета числа каскадов усилителя.
2. 1. Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью
Коэффициент усиления усилителя с глубокой одноканальной ОС определяется параметрами пассивных цепей:
Цепь усиления должна иметь коэффициент усиления, достаточный для получения заданного значения KF и необходимого значения глубины обратной связи F. Цепь усиления содержит 2-4 каскада и функционально разделяется на выходной каскад и предварительные каскады усиления.
Основное назначение выходного каскада заключается в обеспечении в нагрузке R2 заданной мощности сигнала P2 при допустимом уровне нелинейных искажений.
Основное усиление по напряжению создают предварительные резисторные каскады, среди которых особое место занимает входной каскад, определяющий коэффициент шума цепи усиления.
Цепь ОС представляет собой пассивный четырехполюсник с вносимым коэффициентом передачи B0. Нагрузкой цепи ОС является сопротивление входного шестиполюсника на зажимах 6-6 (рис. 1), а эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением выходной шестиполюсник (на зажимах 5-5).



2. 2. Выбор транзистора и расчет режима работы выходного каскада

Выходной каскад выполняется по однотактной трансформаторной схеме (рис. 2), в которой транзистор включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ), имеющий наибольший коэффициент усиления мощности, и работает в режиме А. Связь с внешней нагрузкой осуществляется через выходной трансформатор, что позволяет создать для выходного транзистора оптимальное (в смысле получения заданной мощности) сопротивление нагрузки и делает этот каскад более экономичным.


Транзистор выходного каскада выбирается по двум основным условиям:
1)
2) ,
где ; ; =(45)P2 максимальное рабочее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора, с учетом работы в режиме А и потерь мощности сигнала в выходной цепи; максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе (берется из справочных данных на транзистор);
коэффициент запаса, введение которого предполагает использование транзисторов в облегченных режимах для повышения надежности; и крайние значения коэффициентов усиления (передачи) тока из справочных данных; граничная частота коэффициентов передачи тока в схеме ОЭ; частота полюса (среза) по параметру .
мВт
мВт
Из условия, что выбираем транзистор, проверяя его на соблюдение условия(2).
КТ602А

(Pkmax=850 мВт, fh21=5МГц)
Pkmax=850 мВт> ан∙Pкрmax=440мВт
fh21=5Гц>3fв=2,1 МГц
Условия (1) ,(2) выполняются, следовательно, данный транзистор можно использовать в выходном каскаде.

Режим работы транзистора, определяемый значениями тока покоя коллектора и постоянной составляющей напряжения между коллектором и эмиттером , должен быть таким, чтобы во внешней нагрузке обеспечивалась заданная (номинальная) мощность сигнала и параметры предельных режимов работы транзистора не превышали максимально допустимых значений. По мощности и заданному напряжению источника питания E0 определим режим работы выходного транзистора:


где а =0,60,8 коэффициент, учитывающий, что часть напряжения источника питания выделяется на резисторе цепи эмиттера, используемого для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току.
В

мА

Применительно к выбираемому транзистору выходного каскада должны выполнятся следующие неравенства:


;

Ukэmax- максимально допустимое значение напряжения на переходе Кэ по переменному току.
ikmax-максимально допустимый ток коллектора в рабочем режиме(по переменному току)

Ukэmax=100В

ikmax=0,75А

вернёмся к неравенствам:

а) 100В>210.5=21 В
б) 0,75А>1.641.910-3=67.0410-3А
неравенства а) и б) выполняются

Ukэ ,(В) ik, мА Pкрmax, мВт
10.5 41.9 440

Максимально допустимые значения Pкmax, Ukэmax, ikmax зависят от температуры перехода и условий охлаждения, определяемых величинами тепловых сопротивлений: промежутков переход - окружающая среда (Rпс ), переход-корпус ( Rпк), корпус - окружающая среда (Rкс).



, где - температура перехода, =


Параметры транзистора КТ602А:

Pkmax
Вт fh21
МГц fт
МГц Uкэmах
В iкmах
А tп
0С Rпс
0С/Вт Iкбо
мкА Cк
пФ r`бСк
пс h21
min max
0.85 5 200 100 0.75 120 150 70 4 300 20 40 80

Найдём оптимальное сопротивление нагрузки выходного транзистора для переменного тока:
Rн=
ξ=0,70,8- коэффициент использования коллекторного напряжения
ξi=0,80,95- коэффициент использования коллекторного тока
Ом
Вычислим коэффициент трансформации выходного трансформатора (КПД трансформатора равен 1)



Проверим выполнение условия:

Pн=1/2ξξiUkэ Ik≥(1,21,6)P2, где Pн- мощность сигнала в коллекторной цепи транзистора

Pн=1/20,80,910,50,0419=1.578>1,60,055=0.088

1.578Вт>0.088Вт

Rн, Ом n˝ Pн, мВт
222.75 0.86 88


2. 3. Расчет необходимого значения глубины обратной связи

Основное назначение ОС заключается в уменьшении нелинейных искажений и повышении стабильности коэффициента усиления усилителя. Требования по линейности оказываются, как правило, более жесткими и определяют необходимое значение глубины ОС

где kГF коэффициент гармоник усилителя с ОС, приведенный в техническом задании; (kГF =0,038)
kГ коэффициент гармоник усилителя без ОС, который следует принять равным ориентировочно (23) %
kГ=3

2. 4. Определение числа каскадов усилителя и выбор транзисторов предварительных каскадов

Для расчета общего числа каскадов усилителя N (рис. 3) следует выбрать транзисторы предварительных каскадов из серии маломощных, проверив их пригодность только по одному условию по частоте. В каскадах предварительного усиления (в том числе и входном) целесообразно использовать одинаковые транзисторы.

, где 3·fв=2,1 МГц

выбираю транзистор КТ312Б кремниевый транзистор n-p-n структуры, маломощный, высокочастотный.

Pkmax
Вт fh21
МГц fт
МГц Uкэmах
В iкmах
А tп
0С Cк
пкФ r`бСк
пс h21
min max
0,225 5,5 150 35 0,03 150 5 500 25 27,3 30

fh21=5,5МГц 5,5МГц >2,1МГц

Связь цепи усиления с источником сигнала целесообразно делать трансформаторной. Коэффициент трансформации входного трансформатора n` выбирается из условия получения оптимального по шумам сопротивления источника сигнала Rг1опт для транзистора входного каскада:


Rг1опт зависит от частотных свойств транзистора (Rг1опт =200500 Ом при fт≤0,1ГГц; Rг1опт =100300 Ом при 0,1≤fт≤1ГГц; Rг1опт =50150 Ом при fт>0,1ГГц ).
Т.к. fт=150МГц, то Rг1опт =200 Ом

отсюда коэффициент трансформации входного трансформатора равен:



Число предварительных каскадов усиления N-1 определяются следующими двумя критериями:
1)коэффициент усиления усилителя без ОС К должен быть достаточным для обеспечения заданного значения КF при требуемой величине F;
2)транзисторы этих каскадов должы быть достаточно высокочастотными, чтобы при необходимом значении F выполнялись условия устойчивости.
Условие 1 выполняется, если

, где

b-коэффициент, учитывающий потери тока межкаскадных цепях, b=0,50,75; h21- параметр транзисторов предварительных каскадов, h21N-выходного каскада. Rвх входное сопротивление усилителя без ОС:

, где h11=3003000 Ом

При согласовании входного сопротивления усилителя с внутренним сопротивлением источника сигнала R1=7RвхF и

нет