Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ НА МОЩНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ РЕФЕРАТ Дипломная работа 80 с 26 рис 21 табл 44 источника.СВЕРХШИРОКОПОЛСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ, МОЩНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, МЕЖКАСКАДНЫЕ КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ, АМПЛТУДНО- ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, НЕРАВНОМЕРНОСТЬ АМПЛТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Объектом исследований являются сверхширокополосные усилители мощности (СУМ) с межкаскадными корректирующими цепями (МКЦ). Цель работы – разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах, обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и полосе пропускания. Область возможного применения – создание интегральных микросхем мощных сверхширокополосных усилителей систем нелинейной радиолокации.

В процессе работы проведено сравнение МКЦ и выбор схемы обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданной неравномерности амплитудно–частотной характеристики.

В результате работы была определена схема, обеспечивающая заданные характеристики и разработана методика расчета этой схемы.В ходе работы был использован пакеты математических и инженерных вычислений MATLAB 6.1, Maple V Release 4, MathCAD 2000. Отчет выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2000. ЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ) УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой РЗИ В.Н.Ильюшенко « » 2004г. ЗАДАНИЕ (Вставить подписанное задание) На дипломную работу студенту гр. 149-1 радиотехнического факультета Мазурову Алексею Викторовичу 1. Тема работы: Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах (утверждена приказом ректора по университету от « » 2004 г. № ). 2. Срок сдачи законченной работы: 10 июня 2004 г. 3. Цель исследования и области возможного использования результатов: Разработка методики расчета межкаскадной корректирующей цепи усилителя на мощных полевых транзисторах, обеспечивающей максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и полосе пропускания.

Методика необходима для создания интегральных микросхем мощных сверхширокополосных усилителей систем нелинейной радиолокации. 4. Исходные данные для исследования: Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного усилителя мощности на полевых транзисторах. // Радиотехника.–1989.–№12.–с.30–33. Титов А.А. Расчет межкаскадной корректирующей цепи многооктавного транзисторного усилителя мощности. // Радиотехника.–1987.–№1.–с.29–31. С Хотунцев Ю.Л. Широкополосное межкаскадное согласование СВЧ транзисторов в усилителях мощности. // Известия вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. – 1976.– №11.–с.43–46. И Дьячко А.Н. Проектирование сверхширокополосных усилителей на полевых транзисторах // Радиотехника. – 1988 № 7. – С. 87 – 5. Вопросы, подлежащие исследованию и разработке: 1. Оптимизация наиболее эффективной схемы МКЦ по результатам расчета для 3П602А и КП907А. 2. Вывод аналитического выражения для описания коэффициента передачи каскада с МКЦ. 4. Синтез функции-прототипа передаточной характеристики. 5. Синтез нормированных значений МКЦ для различных допустимых отклонений АЧХ от требуемой формы. 6. Проверка синтезированных таблиц. 7. Разработка вопросов техники безопасности и производственной санитарии. 1. Анализ опасностей и вредностей на рабочем месте инженера – исследователя. 2. Разработка мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение экспериментального исследования. 3. Разработка инструкций по безопасному проведению экспериментального исследования. 8. Разработка организационно – экономических вопросов. 1. Обоснование целесообразности разработки работы. 2. Организация и планирование работ по разработке темы работы. 3. Расчет затрат на разработку работы. 4. Оценка эффективности разработанного проекта. 7.Определение патентной чистоты и конкурентоспособности методики расчета МКЦ. 6. По результатам исследований и разработки представить следующую документацию. 1. Чертежи Схемы четырех наиболее эффективных МКЦ 1 лист Сетевой график и карта исследований 1 лист 2. Демонстрационные плакаты Метод параметрического синтеза 1лист Синтез МКЦ 1лист Нормированные значения элементов МКЦ 1лист Проверка синтезированных таблиц с помощью программы оптимизации 1лист 3. Пояснительная записка должна отражать следующие особенности работы: теоретический расчет оптимальной функции прототипа; теоретический расчет нормированных значений элементов МКЦ; вывод формулы для описания в символьном виде коэффициента передачи каскада с МКЦ. 7. Задание принято к исполнению. Студент гр.149-1 Мазуров А.В. « » 2004г. 8. Задание согласовано. Консультант по организационно– экономической части проекта, « » 2004г. Консультант по вопросам охраны труда, « » 2004г. Руководитель дипломного проектирования Титов Александр Анатольевич, Профессор кафедры РЗИ « » 2004г. Содержание 1. Введение 2 Обзор и анализ схем МКЦ 2.1 IMAMP 2.2 Схема исследования 2.3 Сравнительный анализ МКЦ 3 Расчет МКЦ по результатам сравнительного анализа 3.1 Общие положения методики расчета МКЦ 3.2 Вывод аналитического выражения для описания коэффициента передачи каскада с МКЦ 3.3 Синтез функции-прототипа передаточной характеристики 3.4 Анализ полученных результатов 4 Технико-экономическое обоснование 4.1 Обоснование целесообразности разработки проекта 4.2 Организация и планирование работы 4.3 Расчет экономических показателей на разработку проекта 3.1 Расчет затрат на материалы для разработки проекта 37 4.3.2 Расчет заработной платы 38 4.3.3 Определение расходов на машинное время 39 4.3.4. Расчет потребляемой компьютером энергии 40 4.3.5 Расчет затрат на накладные расходы 41 4.3.6 Составление сметы затрат на проектирование 41 4.4 Оценка эффективности научно-исследовательской работы. 41 5 Обеспечение безопасности жизнедеятельности 42 5.1 Общие положения 42 5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов на этапе эксплуатации и мероприятия по их устранению 44 5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов, связанных с рабочим местом разработчика 45 5.3.1 Влияние опасных и вредных факторов на разработчика 45 5.3.2 Производственная санитария 47 5.3.3 Требования к освещенности рабочего места.

Расчет естественного и искусственного освещения 48 5.3.4 Ионизирующее излучение 49 5.3.5 Анализ требований, предъявляемых к уровням шумов 49 5.3.6 Микроклимат 51 5.3.7 Расчет воздухообмена в помещении 53 5.3.8 Эргономический анализ 56 5.3.9 Антропометрические показатели 57 5.3.10 Режимы работы 59 5.3.11 Оценка условий труда 61 5.3.12 Пожарная профилактика 63 5.4 Инструкции по технике безопасности 64 5.4.1 Электробезопасность 64 5.4.2 Оказание первой помощи при поражении электрическим током 67 5.4.3 Обязанности пользователя 67 Список использованных источников 70 1. Введение Сверхширокополосные усилители мощности находят широкое применение в радиотехнических системах предназначенных для передачи и приема сложных радиосигналов, системах нелинейной радиолокации, системах противодействия и управления, поиска, хранения и обработки информации, быстродействующих цифровых системах передачи данных, оптоэлектронных и акустоэлектронных устройствах, аппаратуре для физических исследований [1]. При разработке СУМ разработчик сталкивается с рядом трудностей.

Так при разработке возникает проблема разработки широкополосных усилительных каскадов с заданным наклоном АЧХ. Она связана с необходимостью компенсации наклона АЧХ источников усиливаемых сигналов; устранения частотно-зависимых потерь в кабельных системах связи; выравнивания АЧХ малошумящих усилителей, входные каскады которых реализуются без применения цепей высокочастотной коррекции.

Так же известно, что усилительные свойства транзисторов падают с ростом частоты усиливаемых сигналов.

Это является причиной того, что коэффициент усиления одного усилительного каскада СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов не превышает 3-8 дБ [1]. В этом случае увеличение коэффициента усиления каждого каскада, например, на 2 дБ позволяет повысить коэффициент полезного действия всего СУМ в 1,2 -1,5 раза [36]. Поэтому важно обеспечить согласование усилительных каскадов.

Это возможно сделать с помощью высокочастотных схем коррекции, которые позволяют обеспечить дополнительный подъем АЧХ СУМ. Известные схемные решения построения МКЦ СУМ отличаются большим разнообразием.

Однако из-за сложности настройки и высокой чувствительности характеристик усилителей к разбросу параметров сложных МКЦ, в СУМ ультравысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов практически не применяются МКЦ более третьего-четвертого порядков.

В последнее время наблюдается тенденция к использованию в выходных каскадах мощных полевых транзисторов.

Обычно в таких схемах используются МКЦ. В тоже время в литературе не встречается их сравнительный анализ.

Также нет и методики подходящей для расчета всех видов МКЦ. Поэтому, целью данной работы, является разработка методики расчета МКЦ усилителя, обеспечивающий максимальный коэффициент передачи при заданных неравномерности АЧХ и полосе пропускания, по итогам сравнительного анализа МКЦ СУМ на полевых транзисторах.

Сравнительный анализ будем производить исходя из условия обеспечения максимального коэффициента усиления каскада при заданной полосе пропускания и допустимого отклонения АЧХ. 2 Обзор и анализ схем МКЦ 2.1 Программа оптимизации OPTIMAMP Для анализа МКЦ была использована программа оптимизации OPTIMAMP (в дальнейшем программа) написанная с помощью пакета математических и инженерных вычислений MATLAB 6.1. Данная программа предназначена для оптимизации и построения АЧХ электронных схем. Дадим краткое описание и приемы работы с программой. В основе программы лежит метод узловых потенциалов.

Поэтому для исследования устройства необходимо заменить электрическую схему её эквивалентной схемой.

После замещения электрической схемы эквивалентной необходимо внести значения элементов в программу.

Для этого проделываем следующие действия.

Открываем пакет MATLAB. В командной строке набираем optimamp.

Появляются два окна изображенных на рисунках 2.1 и 2.2. В основное тело программы (в дальнейшем главной) необходимо внести значения эквивалентной схемы.

Для этого «кликнем» на файл и выберем новый проект.

Затем начнем вносить значения элементов.

Под диалоговым окном имеется ряд функциональных окон. Первое окно предназначено для выбора элементов.

Нажимаем на треугольник рядом с буквой R и выбираем элемент.В соседнем окне вводим индекс этого элемента. Следующее окно предназначено для указания на оптимизацию выбранного элемента.

Если в этом окне поставит галочку то данный элемент, в ходе выполнения программы, будет, подвергнут оптимизации. Далее, в соседнем окне, вводим номинал элемента. Нажав на треугольник около соседнего окна, выбираем величину номинала.Следующие четыре окна предназначены для указания узлов подключения элементов. Здесь следует отметить особенность подключения управляемого источника тока источника тока (в программе он обозначается как S). Сначала указываются узлы управления, а потом узлы подключения источника тока. Причем важно указать направление тока. После того как вся информация об элементе внесена, нажимаем на кнопку Новый и повторяем аналогичные действия для нового элемента.

Для удаления всего элемента предназначена кнопка Удалить. После того как все элементы будут внесены, необходимо указать входные и выходные узлы. Это производиться в окне под названием узлы. Справа от того окна находиться окно под названием оптимизация.

В нем, в подокне частоты, вводим диапазон частот, в котором проводится оптимизация по следующей схеме: нижняя частота : шаг : верхняя частота (например, 100е6 : 5е7 : 2е9). В окне коэффициент вводим желаемый коэффициент передачи устройства. Под ним находятся окна для выбора единицы измерения коэффициента передачи К (раз) и S21(дБ). Для выбора необходимо просто поставить точку в окне напротив соответствующего значения.Аналогично поступается и с окнами Не оптимизировать и Оптимизировать.

В случае не оптимизации программа просто выдает АЧХ устройства исходя из анализа элементов введенных ранее. В случае оптимизации программа будет подбирать элементы, предназначенные для оптимизации, для достижения выбранного коэффициента передачи в заданной полосе частот. После того как все сведения о схеме будут введены, рекомендуется сохранить проект.Для этого нажимаем на Файл и выбираем пункт Сохранить проект, и сохраняемся в выбранной директории в файле с расширением .mat. После этого нажимаем на кнопку Пуск. Если была выбрана оптимизация, то появляется окно (рисунок 2.3) свидетельствующее о процессе оптимизации.

Этот процесс зависит от сложности схемы и может длиться несколько минут. По окончании процесса оптимизации появляется информационное окно изображенное на рисунке 2.4. В нем выводиться значения элементов, подвергнутые оптимизации. При желании их можно в нести в главную программу нажав Установить.Также в этом окне выводятся данные о количестве произведенных итераций, полученном значении целевой функции и максимальной неравномерности АЧХ выраженной в децибелах.