Задачи курсового проектирования
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
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%.
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 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 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 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)
где K - коэффициент усиления усилителя, дБ; K n - число каскадов усилителя. С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определится как:
где Е R R 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
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:
где М Суммирование в выражении (3.2) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R 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:
где М М 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:
где n - число каскадов усилителя. Если результирующее установление фронта импульса для ИУ напрямую не задано, то оно может быть определено из следующего соотношения:
где Результирующая неравномерность вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей:
где 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.
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
¨ предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер
¨ предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе)
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
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 R Задаемся падением напряжения на R
Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки:
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 (Q
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 коллектор-эмиттер в рабочей точке для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (см. рис. 4.2,в):
Рекомендуется учесть для U Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе, Требуемое значение напряжения источника питания Е
где U Напряжение источника питания не должно превышать U Е Если в результате расчета Е
4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора При использовании транзисторов до (0,2...0,3)
Эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис.4.3.
Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом: ¨ где
при ¨ где ¨ где ¨ Dr =(0,5…1,5) Ом; Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными Следует учитывать известную зависимость
По параметрам эквивалентной схемы БТ определим его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации
Наиболее широкое распространение получила схема эмиттерной термостабилизации (см. рис.4.1). Проведем расчет этой схемы. Определим потенциал в точке а:
где Зададимся током делителя, образованного резисторами R
где Определим номиналы резисторов R
Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном
где
где e e
где Р
Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:
Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые. Определяем приращение тока коллектора
где приращение обратного тока
где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13. Следует заметить, что значение Приращение коллекторного тока, вызванного изменением
где Общий уход коллекторного тока транзистора с учетом действия схемы термостабилизации определяется следующим выражением:
где учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые, например, для эмиттерной схемы термостабилизации равны:
Здесь Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе Критерием оптимальности рассчитанной схемы термостабилизации может служить соответствие выбранного запаса Более подробно методы расчета схем питания и термостабилизации приведены в [4].
4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области верхних частот (малых времен)
Определим коэффициент усиления каскада в области средних частот:
где Для ИУ однополярного сигнала Оценим требуемое значение постоянной времени каскада в области ВЧ (МВ): ¨ для ШУ с заданной верхней граничной частотой где ¨ для ИУ
где Рассчитаем ожидаемое значение постоянной в области ВЧ (МВ)
где Если Если по каким-либо причинам уменьшение Глубину ООС при последовательной связи по току можно определить из выражения:
Крутизна усиления транзистора с учетом ООС равна: Подставляя Если полученные значения ¨ входное сопротивление каскада где
¨ входную динамическую емкость каскада При наличии в каскаде ООС следует в последнем выражении брать
4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада
Схема одного из наиболее часто используемых фазоинверсных каскадов приведена на рис.4.4. Выбор транзистора, расчет координат рабочей точки и цепей питания проводится для каждой половины каскада аналогично каскаду с ОЭ. При расчете цепей питания следует учесть, что через При рассмотрении, например, левой половины фазоинверсного каскада видно, что в цепь эмиттера транзистора VT1 включено Обычно Следовательно, можно считать, что в фазоинверсном каскаде присутствует последовательная ООС по току с глубиной, равной двум. Поэтому все дальнейшие расчеты следует проводить аналогично разделу 4.4 в
предположении, что глубина ООС равна двум. Если необходимо ввести ООС большей глубины, то следует включить резистор
4.7 Оценка нелинейных искажений
Обычно для оценки нелинейных искажений (НИ) используются графические методы [1,2]. Однако для случая малых нелинейностей ( Суммарный коэффициент гармоник равен
где Ко
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|