Казанский Научно – Исследовательский Технический Университет (КАИ)

ИРЭТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ТЕМЕ

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ»

Выполнил: студент группы 5309

Кандыба Е.А.

Казань

2011г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Постановка задачи и анализ исходных данных

2.Выбор и обоснование структурной схемы усилителя

3. Разработка принципиальной электрической схемы усилителя

4.Расчет и выбор элементов схемы усилителя

5.Уточнение результирующих характеристик усилителя путем машинного моделирования с помощью схемотехнического пакета TinaTI.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Электронный усилитель является одним из основных узлов различной аппаратуры в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, по току или по мощности с минимальными искажениями его формы за счёт преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Электронными называют усилители электрических сигналов с регулирующими элементами на полупроводниковых или электровакуумных приборах. На рис. 1 дана обобщённая функциональная схема электронного усилителя.

Рис. 1 Обобщённая функциональная схема электронного усилителя

Усилитель имеет две основные цепи ─ входную, куда включается ис-точник усиливаемого сигнала Е_г, и выходную, куда включается нагрузка Z_н, являющаяся потребителем усиленных электрических колебаний. Последовательно с усилителем включен источник питания Е_П. Схема любого усилителя модулирует энергию этого источника входным управляющим сиг-налом. Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю усиленного сигнала.

В соответствии с заданием в данном курсовом проекте разрабатывается маломощный широкополосный усилитель гармонических сигналов, предназначенный для усиления электрических сигналов, спектры которых простираются от нескольких герц до многих мегагерц. Они используются в современной импульсной радиосвязи, многоканальной электрической связи, телевидения, измерительной технике и т.д.

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

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения. Поэтому проектирование усилителей - многофакторный процесс, во многом зависящий от интуиции, знаний и опыта разработчика.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Постановка задачи и анализ исходных данных

Постановка задачи — очень важный этап, включающий в себя: конкретизацию назначения, условий эксплуатации, требуемых технических характеристик, допустимой схемотехнической и конструктивной сложности усилителя, согласование всех этих параметров друг с другом с целью устранения противоречий и сомнений в реализуемости усилителя в принципе;

Исходные данные для расчета

Рассчитать усилитель гармонических сигналов, удовлетворяющий следующим требованиям:

ЭДС источника входного сигнала Е_г=3 мВ;

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала R_г=200 Ом;

Сопротивление нагрузки-активное, величиной R_н = 0,075 КОм;

Амплитуда выходного сигнала на нагрузке, U_mН, = 1,5 В;

Верхняя рабочая (граничная) частота, f_В, = 20 МГц

Нижняя рабочая (граничная) частота, f_Н, = 75 Гц

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте М_{в= 2,0 дБ;}

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте

М_н =2,5 дБ;

Коэффициент нелинейных искажений К_НИ = 9%;

Рабочий диапазон температур Т=5÷40⁰ С.

Допустимая нестабильность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур не должна превышать 10%.

Необходимо предусмотреть согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки, подключаемой через коаксиальный кабель.

Уточнить результирующие характеристики спроектированного усилителя с помощью компьютерного схемотехнического пакета моделирования.

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать.

Проектируемый усилитель относится к типу усилителей гармонических сигналов, предназначенных для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя, и характеризуется большим отношением высшей рабочей частоты к низшей f_В / f_Н, = 20 000 000 / 75 = 2,7·10⁵ , превышающим 10⁵. При построении усилителей гармонических сигналов важнейшим является обеспечение минимального уровня вносимых в сигнал искажений Усилители с высшей частотой рабочего сигнала порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями. Для широкополосного усилителя характерным является то, что часто для уменьшения нелинейных искажений и повышения устойчивости усилителя выгодно реализовывать в нем максимально широкую полосу пропускания, гораздо шире, чем это реально необходимо для всех возможных частот рабочего сигнала. При амплитуде выходного сигнала на нагрузке, U_mН, = 1,5 В и сопротивлении нагрузки R_н = 0,075 кОм выходная мощность усилителя должна быть примерно равна Р_вых = U²_{вых эфф} / R_н = 1,5² / 2·75 = 0,015 Вт =15 мВт. При ЭДС источника входного сигнала =3 мВ, внутреннем сопротивлении источника входного сигнала R_г=200 Ом и ориентировочном значении входного сопротивления усилителя R_вх = 200 Ом мощность источника входного сигнала Р_вх= Е_г² / 2·(R_г+ R_вх) = 3²/ 2·(200+ 200) = 0,01125 мВт. При ЭДС источника входного сигнала Е_г=3 мВ и амплитуде выходного сигнала на нагрузке U_mН, = 1,5 В ориентировочные значения коэффициента усиления усилителя по напряжению равно K_U = U_mН / Е_г=1,5·10³ / 3 ≈ 500, а коэффициента усиления усилителя по мощности K_Р = Р_вых / Р_вх =15 / 0,01125 ≈ 1000.

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Таким образом, по усиливаемому электрическому показателю проектируемый усилитель относится к маломощным усилителям напряжения. По исходным данным определяющим свойством является усиление напряжения, т.к. оконечная выходная часть усилителя рассчитана на отдачу в цепь внешней нагрузки определенной величины напряжения при заданной величине входного сигнала. При таком большем значении коэффициента усиления усилителя по напряжению проектируемый усилитель может быть реализован только по многокаскадной схеме. В каскадах маломощных усилителей напряжения на биполярных транзисторах в заданном диапазоне частот наиболее чаще других используется схема включения активного элемента с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Причем режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

Предъявляемые к проектируемому усилителю высокие требования по допустимым показателям частотных и нелинейных искажений в заданном достаточно широком диапазоне частот и допустимой нестабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур могут быть обеспечены только схемными решениями путем введения в схему усилителя корректирующих элементов и элементов обратных связей.