ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
ЗиВФ
Кафедра радиоэлектроники и защиты информации
Расчет оконечного каскада широкополосного усилителя
Контрольная работа
по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»
Вариант 3
Выполнил: студент гр. З-49
________Луговой А.В.
Проверил:
________Л.И. Шарыгина
Содержание
1. Техническое задание задачи №1……………………………………..3
2. Принципиальная схема каскада………………..…………………...3
3. Выбор транзистора и положения рабочей точки………………….4
4. Построение нагрузочных прямых постоянного и переменного тока……………………………………………………………………...7
5. Определение коэффициент усиления каскада……………………10
6. Определение искажений входной и выходной цепей на верхних частотах………………………………………………………………..12
7. Сквозная динамическая характеристика каскада……………….13
8. Расчет температурного ухода коллекторного тока………………14
9. Распределение искажений нижних частот………………………...17
10. Расчет переходной характеристики в области малых времен….18
11. Заключение…………………………………………………………….19
12. Техническое задание задачи №2…………………………………….20
13. Список используемой литературы………………………………….22
Задача №1. Расчет оконечного каскада импульсного усилителя на биполярном транзисторе
Таблица 3.2
Варианты исходных данных для расчета оконечного каскадаимпульсного усилителя
| № | Ампл. выход.напр. U вых, В | Нагрузка | Искажения импульсов | Сопр. источ. Ri, Ом | Скважн. импуль- сов, Q | Полярность вход/выход и длительн. в мкс | ||
| R н, Ом | С н, пФ |  ,
Нс
| спад Δ, % | |||||
| +/- 100 |
|
|
2. Принципиальная схема каскада показана на рисунке 1. 
Рисунок 1. Принципиальная схема оконечного каскада импульсного
усилителя.
Назначение элементов:
Ср1- разделительная емкость, осуществляет развязку по постоянному току базовой цепи транзистора с источником сигнала.
Rб1, Rб2 – резисторы базового делителя, задающие режим работы транзистора по постоянному току.
Rк – сопротивлениеколлекторной цепи, обеспечивающеезаданныйтокколлектора.
VT - транзистор, активный элемент усилителя.
Rос - сопротивление обратной связи, служит для задания и стабилизации положения рабочей точки.
Rэ – сопротивление эмиттерной цепи, служит для задания рабочей точки.
Сэ – емкость, шунтирующая Rэ, увеличивает коэффициент усиления в области ВЧ.
Ср2- разделительная емкость, осуществляет развязку по постоянному току коллекторной цепи транзистора с нагрузкой.
Е - источник питания.
3. Выбор транзистора и положения рабочей точки
Выбор типа транзистора осуществляется по трем основным параметрам: граничной частоте (
), максимально допустимому напряжению коллектор–эмиттер (
) и максимально допустимому току коллектора (
).
Для граничной частоты транзистора должно выполняться условие:
,
где 
– заданное время установления усилителя.
Гц
Для максимально допустимого напряжения коллектор–эмиттер транзистора должно выполняться условие:
,
где 
– коэффициент запаса; 
– амплитуда импульса напряжения на нагрузке; 
– минимальное напряжение коллектор–эмиттер.
|
|
Выберем 
и 
=2В, тогда:
Для выбора транзистора по максимально допустимому току коллектора необходимо определить величину импульса тока коллектора 
.Предварительно выбираем величину сопротивления вцепи коллектора из условия 
, 
кОм.
Ток покоя (коллекторный ток в рабочей точке при отсутствии сигнала) для маломощных каскадов выбирается в пределах 
мА 
A= 52 mA
Необходимый импульс коллекторного тока:
при 
<10.
Этим требованиям отвечает транзистор КТ610А структуры n-p-n. Данный транзистор имеет необходимый запас по току и напряжению и большойзапас по граничной частоте. Перечень основных параметров транзистора приведен в таблице 1.
Таблица 1. Основные электрические параметры транзистора КТ315А
| Наимено-вание | Обозначение | При значении | Значения |
| Емкость коллекторного перехода |  
| 2÷4,1 пФ |
| Емкость эмиттерного перехода | 
| 21 пФ |
| Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ |  
| 50÷300 |
| Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ |
| 1000 МГц | |
| Постоянная времени цепи обратной связи на ВЧ | 
| 21÷55 пс |
| Постоянный ток коллектора | 300 мА | |
| Температура перехода | 150 °С | |
| Постоянная рассеиваемая мощность коллектора | Т=-45÷+50 °С Т=+85 °С | 1,5 Вт 1 Вт |
| Постоянное напряжение коллектор – база | 26 В | |
| Постоянное напряжение коллектор – эмиттер | 
| 26 В |
| Температура окружающей среды | 25оС | |
| Обратный ток коллектор-эмиттер | 0,5 мА 1,5 мА |
Значения g – параметров транзистора измерены при 
и 
|
|
4. Построение нагрузочных прямых постоянного и переменного тока Вначале нанесем гиперболу рассеиваемой мощности на семейство выходных характеристик транзистора (рис. 2). Расчетные точки помещены в таблицу.
.
| U КЭ, В | |||||||
| I К, мА | 37.5 | 18.75 | 12.5 |
Ток коллектора в рабочей точке (
) должен удовлетворять условию
.
где 
Кроме того, с позиции обеспечения стабильности режима работы транзистора его ток покоя не должен быть меньше 1...5 мА
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке 
:
Выбираем ток коллектора в рабочей точке мА, напряжение коллектор-эмиттер 
.На семействе выходных статических характеристик транзистора, рис. 2, через точки с координатами А=(
, 
) и В=(
, 
) проводимнагрузочную прямую по переменному току.
Рис. 2
Координаты рабочей точки А:
= 5В,
мА
мкА
Нагрузочная прямая лежит ниже гиперболы максимальной рассеиваемой мощности.
По нагрузочной прямой по переменному току уточняем 
:
Ом
Уточняем 
:
Oм
Выбираем стандартное значение – 330 Ом
Определяем напряжение питания каскада:
,
где 
– коэффициент, определяющий величину падения напряжения на сопротивлении обратной связи 
. Выбираем 
и определим 
:
Выбираем стандартное значение – 15В
Величина сопротивления 
:
Ом.
Выбираем стандартное значение – 270Ом
Нагрузочная прямая по постояному току определяется уравнением
и проходит через точки 
мА
и 
В 
Выберем ток базового делителя из условия:
мА
Используя семейство входных статических ВАХ транзистора, находим напряжение база–эмиттер в рабочей точке 
(рис. 3).
Рис. 3. Входные статическиеВАХ транзистора
В
Ннайдем сопротивления резисторов делителя:
Ом
Ом
Выбираем стандартные значения:
кОм 
кОм
5. Определение коэффициента усиления каскада
Построимдинамические характеристики каскада, используя рисунки 2 и 3.
Таблица2
| |||||
| 16.5 | ||||
| 0,67 | 0,75 | 0,8 | 0,83 | 0,93 |
| 0,68 | 0,77 | 0,83 | 0,87 | 0.98 |
| 7.2 | 5.3 | 3.3 |
Рис.3. Динамическая характеристика каскада
Аналитически:
Коэффициент передачи тока
Входное сопротивление:
Ом
Крутизна коллекторного тока:
А/В
Коэффициент усиления:
Коэффициент передачи входной цепи на средних частотах: 
Сквозной коэффициент усиления каскада:
.
6. Определение искажений входной и выходной цепей на верхних частотах
Емкость перехода база-коллектор: 
пФ
Постояннаявремени транзистора:
нс
Постоянная времени выходной и входной цепи:
,
где 
пФ
нс
Время нарастанияфронтаимпульса
нс
нс
«суммарное» время нарастания
нс
7. Сквозная динамическая характеристика каскада 
и коэффициентгармоник
Сквознаядинамическая характеристика строится по даннымтаблицы2.
Рис.4 Сквознаядинамическая характеристика
Амплитуды гармоник:
Коэфициент гармоник
8. Расчет температурного ухода коллекторного тока
Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора:
,
где 
– абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; 
– абсолютное изменение напряжения база–эмиттер при изменении температуры перехода на величину 
; 
– абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; 
, 
– коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора; 
– общее сопротивление в цепи базы; 
и 
– g -параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре; 
- максимальная температура перехода.
Средняя мощность при усилении импульсного сигнала:
Вт
Максимальная температура перехода транзистора:
град
Минимальная температура перехода:
град
Величину 
определяем по типовой нормированной зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры, приведенной на рис.5, где 
– обратный ток коллектора при температуре перехода 
; 
– обратный ток коллектора при комнатной температуре (обычно указывается в справочнике); зависимость 1 соответствует кремниевым транзисторам малой мощности (
); зависимость 2 соответствует кремниевым транзисторам средней мощности 
.
Рис.5. Типовые нормированные зависимости обратного тока
коллекторного перехода от температуры
Для 
, значит 
мкА.
Для 
, значит 
мкА
мкА
В
Ом
Параметры и , усредненные за время действия импульса,найдем используя справочные параметры 
и 
:
мСм
А/В
Относительная нестабильность не превышает величину 0.25, значит рабочая точка и элементы стабилизации её положения выбраны верно.
9. Распределение искажений нижних частот
Величина разделительной емкости:
где 
- сопротивления слева и справа от соответствующей разделительной емкости.
Для 
это 
и входное сопротивление каскада с учетом делителя в цепи базы.Для 
это 
и параллельное включение выходного сопротивления транзистора (
) и 
.
Ом
Ф= 
мкФ
принимаем 20мкФ
Ф=8.4мкФ
принимаем 10 мкФ
10. Расчет переходной характеристики в области малых времен
Нормированная переходная характеристика в области малых времен описывается выражением:
где 
нс
Рис.6. Переходная характеристика
11. Заключение
Задача №2
Принципиальная схема двухкаскадного усилителя, где оба каскада охвачены последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, приведена на рис.7.
Рис.7. Усилитель с последовательной ООСпо напряжению.
Часть выходного напряжения посредством делителя напряжения 
и 
подается во входную цепь первого каскада последовательно и в противофазе с входным сигналом. Кроме этой глубокой обратной связи, охватывающей два каскада усилителя, в схеме имеются местные обратные связи: первый каскад охвачен последовательной отрицательной обратной связью по току, а во втором каскаде имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению как по переменной, так и по постоянной составляющим через резистор 
.
Uос=Uвых(Rэ1/ Rэ1+Rос).
Рис. 8. Усилитель с параллельной обратной связью по току.
В схеме усилителя рис. 8 присутствует общая отрицательная обратная связь по току. Ток нагрузки, протекая через сопротивление 
создает на нем падение напряжения, которое через резистор 
подается во входную цепь первого каскада параллельно и в противофазе с входным сигналом..
Список использованных источников
1Красько А.С.Аналоговые электронные устройства: Методические указания по курсовому проектированию. – Томск: ТУСУР, 2000.-42с.: ил.
2 Шарапов А.В. Аналоговаясхемотехника: Учебное пособие. – Томск: ТМЦДО, 2003.-128с.
3 Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др., Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.
4 “Транзисторы для аппаратуры широкого применения” под редакцией Перельмана Б.Л., М, «Радио и связь» 1982 г.
5 Справочник В.М. Петухов «Биполярные транзисторы средней и большой мощности сверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги» Т. 4 – М.:КУбК-а, 1997. – 544с.: ил.