Усилитель кабельных систем связи

Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ТУСУР Кафедра радиоэлектроники и защиты информации РЗИ УСИЛИТЕЛЬ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Схемотехника и АЭУ Студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н. 24.04.2001 Руководитель Доцент кафедры РЗИ Титов А.А. 2001 Реферат Курсовой проект 19 с 11 рис 1 табл. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ Кu, АМПЛИТУДНОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЧХ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ, РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ МКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРСТНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. Объектом проектирования является усилитель кабельных систем связи. Цель работы приобретение навыков аналитического расчта усилителя по заданным к нему требованиям.

В процессе работы производился аналитический расчт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведн анализ различных схем термостабилизации, рассчитаны эквивалентные модели транзистора, рассмотрены варианты коллекторной цепи транзистора.

В результате расчета был разработан магистральный усилитель с заданными требованиями. Полученный усилитель может быть использован для компенсации потерь мощности, устанавливаемый между многокилометровыми отрезками кабелей. Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 0. Рисунки выполнены в графическом редакторе Actrix Technical. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование по курсу Аналоговые электронные устройства студент гр. 148-3

Булдыгин А.Н

1. Амплитуда напряжения на выходе 2 В. 6. 7. 8.

Заключение 4 Список используемой литературы 1 Введение Цель работы приобретение навыков аналитического расчта магистрального усилителя по заданным к нему требованиям.

Кабельные системы связи являются одной из важных составляющих глобальных и локальных мировых систем телекоммуникаций.

Для компенсации потерь мощности сигнала, в таких системах, используются широкополосные усилители, устанавливаемые между многокилометровыми отрезками кабелей. Указанные усилители относятся к необслуживаемым устройствам и должны обладать следующими достоинствами хорошее согласование по входу и выходу, исключающее возможность переотражения сигналов в кабельных сетях неизменность параметров усилителя во времени, в диапазоне температур, и при старении активных элементов схемы хорошая повторяемость характеристик усилителей при их производстве, без необходимости подстройки Всеми перечисленными выше свойствами обладают усилители с отрицательными перекрестными обратными связями 1, что достигается благодаря совместному использованию последовательной местной и общей параллельной обратной связи по току в промежуточных каскадах и параллельной обратной связи по напряжению в выходном каскаде. 2 Основная часть 2.1 Анализ исходных данных Средне статистический транзистор дат усиление в 20 dB, по заданию у нас 30 dB, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум каскада.

Реализуем усилитель на 2-х активных элементах.

Уровень допустимых искажений АЧХ, по заданию, 3 dB, тогда на каждый каскад приходится по 1,5 dB. Вследствие того, что у нас будут перекрстные обратные связи рис.2.3.1, которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 13 выходного напряжения, то возьмм Uвых в 1,5 раза больше заданного, т.е. 3В. 2.2 Расчт оконечного каскада 2.1 Расчт рабочей точки По заданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор эмитер и ток коллектора рабочую точку 2. Uвых1,5Uвыхзаданного3 В Iвых 0,06 А Рассмотрим два варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя 2 первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад.

Реостатный каскад Rк50 Ом, Rн50 Ом, Rн25 Ом рис1. Рисунок 2.2.1.1-Схема реостатного Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные прямые. каскада по переменному току. Iвых 0,12 А Uкэ0UвыхUост, где 2.2.1 Uкэ0-напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмитер.

Uвых-напряжение на выходе усилителя.

Uост-остаточное напряжение на транзисторе.

Iк0Iвых0,1Iвых, где 2.2.2 Iк0-постоянная составляющая тока коллектора. Iвых-ток на выходе усилителя. Uкэ05 В Iк00,132 А Выходная мощность усилителя равна Pвых 0,09 Вт Напряжение источника питания равно EпUкэ0URкUкэ0 Iк0Rк11,6 В Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора PрассUкэ0Iк00,66 Вт Мощность потребляемая от источника питания Рпотр EпIк01,5312 Вт Iвых 0,06 А Дроссельный каскад рис3. Рисунок 2.2.1.3-Схема дроссельного Рисунок 2.2.1.4- Нагрузочные прямые. каскада по переменному току. По формулам 2.2.1 и 2.2.2 рассчитаем рабочую точку.

Uкэ05 В Iк00,066 А Pвых 0,09 Вт EпUкэ05 В Рк рассUкэ0Iк00,33 Вт Рпотр EпIк00,33 Вт Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи. Еп,ВРрасс,ВтРпотр,Вт Iк0,АС Rк 11,6 0,66 1,5312 0,132С Lк 5 0,33 0,33 0,066 Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что целесообразнее использовать дроссельный каскад. 2.2.2 Выбор транзистора и расчт эквивалентных схем замещения.

На основании следующих неравенств Uкэ0допустимое Uкэ01,2 Iк0доп Iк01.2 Рк расс Рк рассдоп1,2 fт 310fв 2300 МГц выберем транзистор, которым будет являться 2Т996А 5. Его параметры необходимые при расчете приведены ниже с4,6 пс- постоянная цепи обратной связи, Ск1,6 пФ- мкость коллектора при Uкэ10 В, 055- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером, Uкэ0доп20 В, Iк0доп200 мА- соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора, Рк рассдоп2,5 Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт5000 МГц- значение граничной частоты транзистора при которой 1, Lб1 нГн, Lэ0,183 нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно 2.2.2.1Расчт параметров схемы Джиаколетто.

Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного транзистора схема Джиаколетто. Расчт основан на 2. СктребСкпасп 1, 2,26 пФ, где Сктреб-мкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0, Скпасп-справочное значение мкости коллектора при Uкэпасп. rб 2,875 Ом gб 0,347 Cм, где rб-сопротивление базы, -справочное значение постоянной цепи обратной связи. rэ 0,763 Ом, где Iк0 в мА, rэ-сопротивление эмитера. gбэ 0,023, где gбэ-проводимость база-эмитер, -справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмитером.

Cэ 41,7 пФ, где Cэ-мкость эмитера, fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой 1 Ri 100 Ом, где Ri-выходное сопротивление транзистора, Uкэ0доп, Iк0доп-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора. gi0.01См. 2.2.2.2Расчт однонаправленной модели транзистора.

Данная модель применяется в области высоких частот 4. Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора. Lвх LбLэ10,1831,183 нГн, где Lб,Lэ-справочные значения индуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно, Lвх-индуктивность входа транзистора. Rвхrб2,875 Ом, где Rвх-входное сопротивление транзистора.

RвыхRi100 Ом, где Rвых-выходное сопротивление транзистора. СвыхСктреб2,26 пФ, где Свых-выходная мкость транзистора. fmaxfт5 ГГц, где fmax-граничная частота транзистора. 2.2.3 Расчт и выбор схемы термостабилизации. 2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация. Эмитерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и е простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 3В 3 Рисунок 2.2.3.1.1-Схема каскада с эмитерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры элементов данной схемы. Возьмм напряжение на эмиттере равным Uэ4 В EпUкэ0Uэ9 В Сопротивление в цепи эмитера будет равно Rэ 66 Ом Rб1 , Iд10Iб, Iб , Iд 0,012 А, где Rб1-сопротивление базового делителя, Iд-ток базового делителя, Iб-ток базы. Rб1 416,7 Ом Rб2 391,6 Ом. Наряду с эмитерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторная термостабилизации. 2.2.3.2 Пассивная коллекторная Рисунок 2.2.3.2.1- Схема пассивной коллекторной термостабилизации.

С использованием 3. Rк50 Ом URкIк0Rк3,3 В, где URк-падение напряжения на Rк. EпUкэ0URк8,3 В Iд0,012 А Rб 360 Ом. Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не дат увеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на 10-20, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только в маломощных каскадах.

Но в силу того, что мы будем применять перекрстные обратные связи, данная схема нам не подходит. 2.2.3.3 Активная коллекторная термостабилизация. Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.2.2.3.2.1. Получим что при незначительном уменьшении увеличении тока коллектора значительно увеличится уменьшится ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В 3 см. рис.2.2.3.3.1. Статический коэффициент передачи по току второго транзистора 50 Rк 15,15 Ом EпUкэ0URк516 В Напряжение на базе второго транзистора будет равно UБ2Uкэ0-0,75-0,74,3 В Ток коллектора второго транзистора будет равен Iк2Iд10,012 А Iд210Iб2 0.0024 A, где Iд2,Iб2-токи базового делителя и базы второго транзистора соответственно.

R3 708,3 Ом R1 1,792 кОм Напряжение в рабочей точке второго транзистора будет равно R2 1500 Ом. Рисунок 2.2.3.3.1- Активная коллекторная термостабилизация.

Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если Сф утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать, т.е. данный вариант не желателен, поскольку параметры усилителя должны как можно меньше зависеть от изменения параметров его элементов, по заданию. Основываясь на проведнном выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную. 2.3 Расчт усилителя.

Поскольку мы будем использовать перекрстные обратные 1,3, то все соответствующие элементы схемы будут одинаковы, т.е. по сути дела расчт всего усилителя сводится к расчту двух каскадов рис.2.3.1. Достоинством данной схемы является то, что при выполнении условия схема оказывается согласван-ной по входу и выходу с КСВН не более 1,3 в диапазоне частот, где выполняется условие ,7. Поэтому практически отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании Количество каскадов будет зависеть от требуемого Кu и полосы пропускания, которые можно определить как Кuобщ, где 2.3.1 К0-коэффициент усиления двух каскадов, n-число каскадов. К 2.3.2 , где 2.3.3 fв-верхняя граничная частота усилителя на n каскадах.

Выберем К0.2, и произведм расчт усилителя на двух каскадах см. рис.2.3.1. К018.7 b1 6.18 b2 14.9 По формуле 2.3.2 Rэ10 Ом, тогда RэRэ-Rэ60.61-1050.61 Ом. Полное согласование по входу и выходу обеспечивается при выполнении условия, отсюда RОС250 Ом где 2.3.4 fв-верхняя граничная частота усилителя на двух каскадах, 0,145 нс, Сэ, rэ-мкость и сопротивление эмитера рассчитанные по схеме Джиаколетто где Yв-искажения в области верхних частот вносимые одним каскадом, fв-верхняя граничная частота по заданию. нс МГц Кuобщ , Кuобщ раз Рисунок 2.3.1-Схема магистрального усилитель на двух каскадах.

Как видно из расчта мы имеем запас по полосе пропускания, но не достаточный коэффициент усиления.

Поэтому возьмм три каскада см. рис.2.3.2, тогда по формулам 2.3.1 и 2.3.4 соответственно получим Кuобщ раз, что соответствует 39,4 dB , МГц Рисунок 2.3.2- Магистральный усилитель на трх каскадах. 2.4 Расчт мкостей и дросселей. Проводимый ниже расчт основан на 2. -нижняя граничная частота по заданию. пФ мкГн На нижних частотах неравномерность АЧХ обусловлена мкостями Ср и Сэ, поэтому пусть 1,5 dB вносят Ср и столько же Сэ где 2.4.1 R1 и R2 сопротивления соответственно слева и справа от Ср Yн допустимые искажения вносимые одной мкостью. dB, раз, для Ср1 и раз, для Сэ. R1Rвыхкаскада, R2RвхкаскадаRн50 Ом, для Ср1 межкаскадной, R1RгRвых3-го каскада50 Ом, R2RвхкаскадаRн50 Ом, для Ср2 где -параметры элементов схемы Джиаколетто, S0-крутизна транзистора Ом, По формуле 2.4.1 рассчитаем Ср. пФ, пФ нс, нФ. 468730.001 УСИЛИТЕЛЬ N КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ . 148-3 Позиция Обозн. Конденсаторы ОЖ0.460.203 ТУС1,С9КД-2-130 пФ52С2,С5КД-2-49 пФ52С4,С7 С10КД-2-1 нФ53С3,С6 С8КД-2-39 пФ53Катушки индуктивности L1.L2 L3Индуктивность 10 мкГн103Резисторы ГОСТ 7113-77R1,R5 R10МЛТ 0,125-430 Ом103R2,R7 R12МЛТ 0,125-390 Ом103R3,R8 R14МЛТ 0,5-10 Ом103R4,R9 R15МЛТ 0,5-51 Ом103R6, R11, R13МЛТ 0,25-240 Ом103Транзисторы VT1, VT2, VT32Т996А3 468730.001 N . 148-3 3 Заключение В данном курсовом проекте разработан усилитель кабельных систем связи с использованием транзисторов КТ996А и перекрестных обратных связей, имеет следующие технические характеристики полоса рабочих частот 40-240 МГц коэффициент усиления 39 дБ неравномерность амплитудно-частотной характеристики 1,5 дБ максимальное значение выходного напряжения 2 В сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом напряжение питания 9 В. Литература 1. Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. Радиотехника. 1979. 6. 2. Мамонкин И.П. Усилительные устройства Учебное пособие для вузов М. Связь, 1977. 3. Титов А.А. Расчт корректирующих цепей широкополосных усилитель-ных каскадов на биполярных транзисторах httpwwwreferat.ru.download2674.zip 4. А.А. Титов, Л.И. Бабак, М.В. Черкашин.

Расчт межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности. Электронная техника.

Сер. СВЧ-техника.

Вып. 1475,2000. 5. Полупроводниковые приборы.

Транзисторы средней и большой мощности Справочник А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под редакцией А.В. Голомедова М. Радио и Связь, 1989 640с. ил.