Меню

Поиск

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 ЁМКОСТИ, ДРОССЕЛИ, ПЕРЕКРЁСТНЫЕ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.

Объектом проектирования является усилитель кабельных систем связи.

Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным к нему требованиям.

В процессе работы производился аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения, при этом был произведён 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 7.0.

Рисунки выполнены в графическом редакторе Actrix Technical.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу “Аналоговые электронные устройства”

студент гр. 148-3 Булдыгин А.Н.

Тема проекта: Усилитель кабельных систем связи.

Исходные данные для проектирования аналогового устройства.

1. Диапазон частот от 40 МГц до 230 МГц.

2. Допустимые частотные искажения Мн 3 dB, МВ 3 dB.

3. Коэффициент усиления 30 dB.

4. Сопротивление источника сигнала 50 Ом.

5. Амплитуда напряжения на выходе 2 В.

6. Характер и величина нагрузки 50 Ом.

7. Условия эксплуатации (+10 +60)ºС.

8. Дополнительные требования: согласование усилителя по входу и выходу.

Содержание

1 Введение ------------------------------------------ ----------------------------- 5

2 Основная часть ---------------------------------------------------------------- 6

2.1 Анализ исходных данных -------------------------------------------------- 6

2.2 Расчёт оконечного каскада ----------------------------------------------- 6

2.2.1 Расчёт рабочей точки ---------------------------------------------------- 6

2.2.2 Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схем замещения---- 8

2.2.2.1 Расчёт параметров схемы Джиаколетто -------------------------- 8

2.2.2.2 Расчёт однонаправленной модели транзистора ------------------ 9

2.2.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации -------------------------- 9

2.2.3.1 Эмитерная термостабилизация -------------------------------------- 9

2.2.3.2 Пассивная коллекторная ---------------------------------------------- 11

2.2.3.3 Активная коллекторная ----------------------------------------------- 11

2.3 Расчёт усилителя ----------------------------------------------------------- 12

2.4 Расчёт ёмкостей и дросселей --------------------------------------------- 15

Схема электрическая принципиальная ------------------------------------- 16

Спецификация ------------------------------------------------------------------- 17

3 Заключение -------------------------------------------------------------------- 18

4 Список используемой литературы ----------------------------------------- 19

1 Введение

Цель работы – приобретение навыков аналитического расчёта 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 даёт усиление в 20 dB, по заданию у нас 30 dB, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум 2 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 перекрёстные обратные связи рис.(2.3.1), которые нам дадут хорошее согласование по входу и выходу, в них будет теряться 1/3 выходного напряжения, то возьмём Uвых в 1,5 раза больше заданного, т.е. 3В.

2.2 Расчёт оконечного каскада

2.2.1 Расчёт рабочей точки

По заданному напряжению на выходе усилителя рассчитаем напряжение коллектор эмитер и ток коллектора (рабочую точку) [2].

Uвых=1,5Uвых(заданного)=3 (В)

Iвых===0,06 (А)

Рассмотрим два варианта реализации схемы питания транзисторного усилителя [2]: первая схема реостатный каскад, вторая схема дроссельный каскад.

Реостатный каскад:

Rк=50 (Ом), Rн=50 (Ом), Rн~=25 (Ом) рис(2.2.1.1).

Рисунок 2.2.1.1-Схема реостатного Рисунок 2.2.1.2- Нагрузочные прямые.

каскада по переменному току.

Iвых===0,12 (А)

Uкэ0=Uвых+Uост, 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.

Iк0=Iвых+0,1Iвых, где (2.2.2)

Iк0-постоянная составляющая тока коллектора.

Iвых-ток на выходе усилителя.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,132 (А)

Выходная мощность усилителя равна:

Pвых===0,09 (Вт)

Напряжение источника питания равно:

Eп=Uкэ0+URк=Uкэ0+ Iк0×Rк=11,6 (В)

Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Pрасс=Uкэ0×Iк0=0,66 (Вт)

Мощность потребляемая от источника питания:

Рпотр= Eп×Iк0=1,5312 (Вт)

Iвых= ==0,06 (А)

Дроссельный каскад рис(2.2.1.3).

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.

Uкэ0=5 (В)

Iк0=0,066 (А)

Pвых===0,09 (Вт)

Eп=Uкэ0=5 (В)

Рк расс=Uкэ0×Iк0=0,33 (Вт)

Рпотр= Eп×Iк0=0,33 (Вт)

Таблица 2.2.1.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.

Еп,(В)

Ррасс,(Вт)

Рпотр,(Вт)

Iк0,(А)

С Rк

11,6

0,66

1,5312

0,132

С Lк

0,33

0,066

Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что целесообразнее использовать дроссельный каскад.

2.2.2 Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схем замещения.

На основании следующих неравенств: Uкэ0(допустимое)>Uкэ0*1,2; Iк0(доп)>Iк0*1.2; Рк расс> Рк расс(доп)*1,2; fт>(3¸10)*fв>2300 МГц выберем транзистор, которым будет являться 2Т996А [5]. Его параметры необходимые при расчете приведены ниже:

tс=4,6 пс- постоянная цепи обратной связи,

Ск=1,6 пФ- ёмкость коллектора при Uкэ=10 В,

b0=55- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмитером,

Uкэ0(доп)=20 В, Iк0(доп)=200 мА- соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора,

Рк расс(доп)=2,5 Вт-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора, fт=5000 МГц- значение граничной частоты транзистора при которой =1,

Lб=1 нГн, Lэ=0,183 нГн- индуктивности базового и эмитерного выводов соответственно.

2.2.2.1Расчёт параметров схемы Джиаколетто.

Рисунок 2.2.2.1.1- Эквивалентная схема биполярного

транзистора (схема Джиаколетто).

Расчёт основан на [2].

Ск(треб)=Ск(пасп)*=1,6×=2,26 (пФ), где

Ск(треб)-ёмкость коллекторного перехода при заданном Uкэ0,

Ск(пасп)-справочное значение ёмкости коллектора при Uкэ(пасп).

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-ёмкость эмитера,

fт-справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1

Ri= =100 (Ом), где

Ri-выходное сопротивление транзистора,

Uкэ0(доп), Iк0(доп)-соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.

gi=0.01(См).

2.2.2.2Расчёт однонаправленной модели транзистора.

Данная модель применяется в области высоких частот [4].

Рисунок 2.2.2.2.1- Однонаправленная модель транзистора.

Lвх= Lб+Lэ=1+0,183=1,183 (нГн), где

Lб,Lэ-справочные значения индуктивностей базового и эмитерного выводов соответственно,

Lвх-индуктивность входа транзистора.

Rвх=rб=2,875 (Ом), где

Rвх-входное сопротивление транзистора.

Rвых=Ri=100 (Ом), где

Rвых-выходное сопротивление транзистора.

Свых=Ск(треб)=2,26 (пФ), где

Свых-выходная ёмкость транзистора.

fmax=fт=5 (ГГц), где

fmax-граничная частота транзистора.

2.2.3 Расчёт 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 её 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.

Возьмём напряжение на эмиттере равным Uэ=4 (В);

Eп=Uкэ0+Uэ=9 (В);

Сопротивление в цепи эмитера будет равно:

Rэ= ==66 (Ом);

Rб1=, Iд=10×Iб, Iб=, Iд=10× =10×=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].

Rк=50 (Ом);

URк=Iк0×Rк=3,3 (В), где

URк-падение напряжения на Rк.

Eп=Uкэ0+URк=8,3 (В);

Iд=0,012 (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 даёт 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 перекрёстные 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 b2=50;

Rк===15,15 (Ом);

Eп=Uкэ0+URк=5+1=6 (В);

Напряжение на базе второго транзистора будет равно:

UБ2=Uкэ0-0,7=5-0,7=4,3 (В);

Ток коллектора второго транзистора будет равен:

Iк2=Iд1=0,012 (А);

Iд2=10×Iб2=10×==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 проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную.

Страницы: 1, 2

Новости

Мои настройки

Наверх