Проектирование аналоговых устройств

29

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой РЗИ

____________В.Н. Ильюшенко

___ _________ 2000 г.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов специальностей 200700 «Радиотехника»

и 201600 «Радиоэлектронные устройства»

Разработчик

________А.С.Красько

___ ________2000 г.

2000

Содержание

1Введение………………………………………………………..……………….3

2 Задачи курсового проектирования…………………………..………………..3

3 Расчет структурной схемы усилителя………………………..……………….5

3.1 Определение числа каскадов…………….……………………………….…5

3.2 Распределение искажений по каскадам……….……………………………6

4 Расчет оконечного каскада…………………………………………………….7

4.1Выбор транзистора………………..………………….……………………….7

4.2 Расчет требуемого режима транзистора………………….………………....8

4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора……………….……….…11

4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации…………………………..…..12

4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области

верхних частот (малых времен)…………………..………………………...14

4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада………..……...16

4.7 Оценка нелинейных искажений………..…………………………………...17

5 Расчет предварительных каскадов……………………………………………18

5.1 Расчет промежуточных каскадов…………..……………………………….18

5.2Особенности расчета входного каскада……………………………………..22

6 Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен)….………….24

7 Расчет регулировок усиления……………………………………….…………25

8 Некоторые общие вопросы проектирования…………………………………27

8.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы………..……………………..27

8.2 Расчет результирующих характеристик……..……………………………..28

8.3 Оформление пояснительной записки……….…..………………………….28

9 Заключение……………………………………………………………………..29

Список использованных источников…….…………………………………...29

Приложение А Бланк задания на проектирование ШУ……………………….30

Приложение Б Бланк задания на проектирование ИУ………………………...31

Приложение В Варианты заданий на курсовое проектирование……………..32

Приложение Г Форма титульного листа пояснительной записки…………….33

Приложение Д Пример оформления содержания………………………………34

Приложение Е Пример оформления перечня элементов………………………35

Приложение Ж Пример оформления введения…………………………………36

Приложение И Пример оформления остальных листов ПЗ…………………..37

Приложение К Пример оформления реферата…………………………………38

1 ВВЕДЕНИЕ

Данное методическое пособие посвящено вопросам курсового проектирования усилительных устройств (УУ) как одного из классов аналоговых электронных устройств (АЭУ).

Проектирование УУ - многофакторный процесс, во многом зависящий от интуиции, знаний и опыта разработчика.

Это обстоятельство вызывает определенные трудности у начинающих разработчиков, к которым, собственно, и относятся студенты. Эти трудности усугубляются еще и тем, что учебная литература по курсовому проектированию УУ в значительной степени устарела, содержит много спорных моментов и взаимоисключающих выводов.

В данной разработке делается главный упор на рассмотрение непосредственных вопросов эскизного проектирования УУ, полагая, что необходимые теоретические сведения и практические навыки получены студентами на лекционных, практических и лабораторных занятиях.

Следует отметить, что одной из составляющих успешной работы над курсовым проектом является ритмичность. Для самооценки проделанной работы следует ориентироваться на приблизительные объемы основных этапов выполнения проекта:

знакомство с литературой, выбор структурной схемы УУ - 10%;

расчет оконечного каскада - 20%;

расчет предварительных каскадов - 20%;

полный электрический расчет УУ - 20%;

расчет результирующих характеристик - 10%;

оформление пояснительной записки - 20%.

2 ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

При проектировании УУ решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям технического задания (ТЗ), с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов.

В данном пособии даются рекомендации по эскизному расчету широкополосных усилителей (ШУ) с порядка десятков мегагерц и импульсных усилителей (ИУ) с временем установления фронта импульса порядка десятков наносекунд, работающих в низкоомных согласованных трактах передачи и выполненных на биполярных транзисторах.

Режим согласования обычно предусматривает равенство внутреннего сопротивления источника сигнала, входного и выходного сопротивления УУ, сопротивления нагрузки волновому сопротивлению тракта передачи сигнала.

В ТЗ на расчет ШУ обычно задают коэффициент усиления по напряжению K, верхнюю и нижнюю граничные частоты и при заданных коэффициентах частотных искажений и , уровень нелинейных искажений, требования к стабильности характеристик в диапазоне температур и т.д.

Эскизный расчет ШУ состоит в выборе усилительного элемента, определении числа каскадов, распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы их суммарная величина не превосходила заданную.

Предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному.

Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими для ИУ являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем установления фронта , выбросом переходной характеристики и спадом плоской вершины . Использование известной связи [1, 2] между и и граничными частотами и позволяет проектировать ИУ частотным методом.

В настоящее время для целей проектирования УУ широко используются ЭВМ с различными пакетами программ схемотехнического проектирования. Однако первый этап машинного проектирования представляет собой ручной эскизный расчет, дающий приближенное решение поставленной задачи, уточнение которого проводится далее на ЭВМ.

3 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

3.1 Определение числа каскадов

Для многокаскадного усилителя (рис.3.1)

. (3.1)

где K - коэффициент усиления усилителя, дБ;

K- коэффициент усиления i-го каскада, дБ, i=1,...,n;

n - число каскадов усилителя.

С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определится как:

,

где Е - э.д.с. источника сигнала;

R- внутреннее сопротивление источника сигнала;

R- входное сопротивление УУ.

Для ШУ диапазона ВЧ и ИУ с временем порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая в (3.1) все каскады одинаковыми с К=20 дБ, т.е.

.

Для импульсных усилителей следует учитывать полярность входного, выходного сигналов и способ включения усилительного элемента. При часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) число каскадов должно быть четным при одинаковой полярности входного и выходного сигналов, нечетным - при разной.

3.2 Распределение искажений по каскадам

Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:

, (3.2)

где М-результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ;

М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.

Суммирование в выражении (3.2) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R,R и С (см.рис.3.1).

Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом

В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов, возможно перераспределение искажений между каскадами.

Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:

, (3.3)

где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ;

М - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ;

N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.

Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (обычно это блокировочные в цепях эмиттеров и разделительные межкаскадные конденсаторы), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы УУ, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из (3.3) следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в децибелах) на каждый из N элементов определится из соотношения:

На практике, с целью выравнивания номиналов конденсаторов, на разделительные конденсаторы распределяют больше искажений, чем на блокировочные.

Для многокаскадных ИУ результирующее время установления фронта равно:

, (3.4)

где - время установления для входной цепи;

- время установления для i-го каскада, i=1,...,n;

n - число каскадов усилителя.

Если результирующее установление фронта импульса для ИУ напрямую не задано, то оно может быть определено из следующего соотношения:

,

где - заданные искажения фронта входного сигнала;

- заданные искажения фронта выходного сигнала.

Результирующая неравномерность вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей:

,

где - неравномерность вершины за счет i-й цепи;

N - число цепей.

Искажения фронта импульса связаны с частотными искажениями в области ВЧ, а искажения вершины импульса - с частотными искажениями в области НЧ [1,2]. Поэтому все указанные выше рекомендации по распределению частотных искажений для ШУ остаются в силе и для ИУ.

В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас по основным характеристикам УУ в 1,2-1,5 раза.

4  РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

4.1  Выбор транзистора

Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

для ШУ,

для ИУ;

предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер

для ШУ,

для ИУ;

предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе)

для ШУ,

для ИУ.

Если ИУ предназначен для усиления импульсного сигнала различной полярности (типа “меандра”) либо сигналов с малой скважностью (меньше 10), то при выборе транзистора оконечного каскада следует ориентироваться на соотношения для ШУ.

Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ и ИУ сигналов малой скважности. Если ИУ предназначен для усиления однополярного сигнала, то из энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности, n-p-n - для отрицательной.

Обычно при U=(1...5)В и R=(50...150)Ом для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней мощности типа КТ610 и т.п.

4.2 Расчет требуемого режима транзистора

Существуют графические методы расчета оконечного каскада, основанные на построении динамических характеристик (ДХ) [1,2]. Однако для построения ДХ необходимы статические характеристики транзисторов, которые в современных справочниках по транзисторам практически не приводятся.

Рассмотрим методику нахождения координат рабочей точки транзистора без использования его статических характеристик.

Типичная схема оконечного каскада приведена на рис.4.1.

Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:

R=(1...2) R, если требуется согласование выхода УУ с нагрузкой,

R=(2...3)R- в остальных случаях (рекомендация только для низкоомной нагрузки, R=(50...150)Ом).

Задаемся падением напряжения на R(либо на R+ R, если R присутствует в схеме):

.

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки:

. (4.1)

Определяем требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10%-й запас с учетом возможной его термонестабильности) для ШУ и ИУ сигналов различной полярности (рис.4.2,а):

.

Для ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (Q10), рис.4.2,б:

.

Для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (Q<10), (рис.4.2.в):

.

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ, ИУ сигналов различной полярности и ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (см. рис.4.2,а,б):

Страницы: 1, 2