Проектирование аналоговых устройств
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 d и спадом плоской
вершины D. Использование
известной связи [1, 2] между и D 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):
,
где
U -
напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик
транзистора, U=(1...2)В.
Напряжение
коллектор-эмиттер в рабочей точке для ИУ однополярных сигналов с малой
скважностью (см. рис. 4.2,в):
.
Рекомендуется
учесть для U
необходимый запас на термонестабильность (обычно не более 10...15%).
Постоянная
мощность, рассеиваемая на коллекторе, не должна превышать предельного значения,
взятого из справочных данных на транзистор.
Требуемое
значение напряжения источника питания Е для рассмотренных выше случаев равно:
,
(4.2)
где
U - падение
напряжения на R ,
U=IR .
Напряжение
источника питания не должно превышать U данного транзистора и должно соответствовать
рекомендованному ряду:
Е=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15;
20; 24; 27; 30; 36)B.
Страницы: 1, 2
|