Министерство общего образования Российской Федерации.

Новосибирский государственный технический университет.

Схемотехника аналоговых устройств.

Курсовая работа

Факультет РЭФ

Группа РТ5 – 14

Студент:

Дата сдачи << >>____________2003.

Преподаватель:

Новосибирск 2003.

Содержание

Задание на курсовую работу ……………………………………………………….....3

1.Выбор транзистора в выходном каскаде ………………………………………….. 4

2.Расчет режима работы выходного каскада по постоянному току ………………..4

3.Расчет выходного каскада по переменному току ………………………………….6

4.Расчет элементов стабилизации выходного каскада ……………………………....7

5.Расчет входной емкости и входного сопротивления выходного каскада………...9

6.Выбор транзистора для предварительных усилителей ……………………….…..10

7.Определение количества предварительных каскадов …………………………….10

8.Полный расчет предварительных каскадов по постоянному и переменному

току……………………………………………………………………………………..11

9. Расчет входного каскада …………………………………………………………...15

10. Расчет вспомогательных цепей …………………………………………………..16

11. Проверка усилителя на соответствие его параметров техническому заданию..17

12. Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах и выбор типов элементов…...18

Приложение 1 ………………………………………………………………………....19

Приложение 2 …………………………………………………………………………..21

Приложение 3 …………………………………………………………………………..22

Схема……………………………………………………………………………………23

Перечень элементов……………………………………………………………………24

Список использованной литературы …………………………………………………26

НГТУ. ХХХХХХ.007.ПЗ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб

Разинкин.

Лит

Лист

Листов

Пров

Дуркин

2

Т. контр

РТ5 – 14

Утвер.

Задание на курсовую работу

1 Выбор транзистора в выходном каскаде.

2 Расчет режима работы выходного каскада по постоянному току.

3 Расчет выходного каскада по переменному току.

4 Расчет элементов стабилизации выходного каскада.

5 Расчет входной емкости и входного сопротивления выходного каскада.

6 Выбор транзисторов в предварительном усилителе.

7 Определение количества предварительных каскадов.

8 Полный расчет предварительных каскадов.

9 Расчет входного каскада.

10 Расчет вспомогательных цепей (Ср, Сэ, корректирующих фильтров в цепях питания).

11 Рассчитать величины мощностей, рассеиваемых на резисторах и уровни напряжений на конденсаторах. Выбрать типы этих элементов.

12 Проверить рассчитанный усилитель на соответствие его параметров техническому заданию.

U1m, мВ

U2m, В

Fповт, кГц

tu, мкс

tу, мкс

d, %

D, %

l, м

Rвх, кОм

tср. мин, °С

tср. макс, °С

10

40

2,5

12

£ 0,2

£ 2,5

£ 4

1,5

³ 40

-25

+55

НГТУ. ХХХХХХ.007.ПЗ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб

Разинкин.

Лит

Лист

Листов

Пров

Дуркин

3

Т. контр

РТ5 – 14

Утвер.

1 Выбор транзистора в выходном каскаде

1.1. По граничной частоте усиления fгр ( должна быть не менее fгр ).

(1)

1.2. По максимальному напряжению коллектор-эмиттер Uкэ ( в 1.2...1.5 раза больше U2m ).

(2)

1.3 По максимальному току коллектора Ikm.

Выберем транзистор КТ601А и пересчитаем емкость коллектора для напряжения UКЭ = 48 В.

(4)

Теперь рассчитаем ток I2m.

(5)

Рассчитаем импульсный коллекторный ток транзистора.

(6)

Выбранный транзистор КТ601А наиболее хорошо подходит для найденных значений. Его параметры указаны в приложении I.

2 Расчет режима работы выходного каскада по постоянному току

2.1 Выбираем ток рабочей точки исходя из условия, что ток потребления усилителя от источника питания без входного сигнала будет минимален и должен быть меньше 0,1I2m и больше h21IКБО.

(7)

(8)

(9)

(10)

Отметим на статической ВАХ ток рабочей точки:

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

4

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Рисунок 1.

Выходная ВАХ транзистора с импульсом тока и напряжения

Ток рабочей точки равен 0,8 мА при UКЭ = 46,67 В.

Найдем напряжение питания усилителя, для этого сначала определим сопротивление нагрузки переменному току:

(11)

Так как нагрузка усилителя - радиотехнический кабель, то считаем, что сопротивление коллектора равно сопротивлению нагрузки переменному току.

Теперь, выразив из формулы (12) напряжение источника питания, найдем его.

(12)

(13)

Ближайшее стандартное напряжение питания равно 60 В. Зная напряжение питания из формулы (13) найдем сопротивление в цепи эмиттера.

(14)

(15)

Построим нагрузочную прямую, для чего найдем ток, протекающий через сопротивления коллектора и эмиттера:

(16)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

5

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Рисунок 2. Выходная ВАХ транзистора с построенной

на ней нагрузочной прямой.

3 Расчет выходного каскада по переменному току

Рассчитаем g-параметры для средины рабочего участка. (для характеристики IБ = 110 мкА). Необходимые построения приведены в приложении I.

(17)

(18)

(19)

В целях улучшения характеристик предварительных каскадов входное сопротивление необходимо увеличить.

Для увеличения входного сопротивления выходного каскада применяем схему с активной отрицательной обратной связью по току.

Найдем сопротивление RO.

(20)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

6

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Зная сопротивление RО, найдем коэффициент усиления каскада.

(21)

Так как KО=170,91, а должен быть KО < 20…30, то применим эмиттерную коррекцию и зададимся коэффициентом усиления Ко = 18, вычислим сопротивление RО. Затем из формулы (24) выразим RОС и вычислим его. Чтобы не менять режим работы транзистора по постоянному току, разобьем RЭ на два сопротивления, одно из которых будет сопротивлением обратной связи.

(22)

(23)

(24)

(25)

Рассчитаем время установления выходного реостатного каскада, нагруженного на емкость. Найдем напряжение на коллекторе в средине рабочего участка. Uср. т = 26,67 В.

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

Время установления выходного каскада меньше времени установления, равного 0,6tу = 0,12 мкс., что нас и удовлетворяет.

4. Расчет элементов стабилизации выходного каскада

Зададимся коэффициентом нестабильности N равным 0,15.

Рассчитаем максимальную и минимальную температуру перехода транзистора.

(33)

(34)

(35)

(36)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

7

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(37)

Максимальная температура перехода в рабочем состоянии меньше максимальной температуры перехода, заданной в технических характеристиках транзистора.

Найдем нестабильность статического коэффициента усиления по току h21.

(38)

(39)

(40)

Найдем изменение обратного тока коллектора в пределах изменения температуры среды.

Найдем изменение обратного тока коллектора в пределах изменения температуры среды. Для этого по трем имеющимся значениям обратного тока коллектора при различных температурах построим график, используя линейную аппроксимацию.

2,887

0,772

 

25 64,15 85

Рис 2. График зависимости обратного тока

коллектора от температуры.

Изменение обратного тока коллектора

DIКБО = 2,887 – 0,772 = 2,16 мкА.

(41)

Находим нестабильность напряжения база-эмиттер при изменении температуры окружающей среды от минимальной до максимальной заданных в задании.

(42)

Найдем параметр g21 в рабочей точке и с помощью него вычислим h11.

(43)

(44)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

8

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Найдем Rб при нестабильности коллекторного тока N = 0,15.

(45)

(46)

(47)

(48)

Находим плечи делителя.

(49)

(50)

Определяем ток делителя. Он должен быть меньше тока коллектора рабочей точки.

(51)

Условие выполняется, ток в делителе меньше, чем ток коллектора в рабочей точке, при этом обеспечивается необходимая стабилизация тока коллектора.

5. Расчет входной емкости и входного сопротивления выходного каскада

Найдем входное сопротивление и емкость для предварительного каскада.

Рисунок 6. Входное сопротивление

и емкость выходного каскада.

Входное сопротивление получается из параллельно включенных сопротивлений делителя в цепи базы и проводимости транзистора g11.

Рисунок 7.Включение сопротивлений и проводимостей

на входе выходного каскада.

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

9

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Вычислим входное сопротивление.

(52)

Входная емкость выходного каскада состоит из емкости, связанной со временем переключения транзистора с учетом комплексной отрицательной обратной связи и емкостью коллектора с учетом коэффициента усиления каскада.

(53)

6. Выбор транзистора для предварительных усилителей

Найдем значение амплитуды тока импульса, который должен обеспечить предварительный каскад на входе выходного.

(54)

(55)

Так как амплитуда импульса тока больше тока коллектора рабочей точки в выходном каскаде, то при том же типе транзистора, что и в выходном каскаде, ток рабочей точки получается большой (сумма минимального тока коллектора, при токе базы не равном нулю, и амплитуды импульса тока на входе выходного каскада), это не экономично с точки зрения потребления энергии от источника питания в режиме холостого хода. Выбираем другой тип транзистора, то есть в нашем случае это p-n-p.

Наиболее близко по параметрам подходит транзистор ГТ310Б.

Параметры транзистора приведены в «Приложении II».

7. Определение количества предварительных каскадов

Найдем значение емкости в рабочей точке.

(56)

(57)

Средне геометрическое значение статического коэффициента передачи по току:

(58)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

10

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Рабочую точку в предварительных каскадах выбираем из условия, чтобы ток в рабочей точки предварительных каскадов был меньше тока рабочей точки выходного каскада.

Найдем g-параметры транзистора предварительного усилителя.

(59)

(60)

(61)

Найдем коэффициент усиления и время установления, отведенное под все предварительные каскады.

(62)

(63)

(64)

Определяем добротность каскадов.

(65)

Находим произведение Dt.

(66)

По графику из “Расчет и проектирование импульсных усилителей” получаем 2 предварительных каскада.

8. Полный расчет предварительных каскадов по постоянному и переменному току

Найдем время установления одного предварительного каскада, коэффициент усиления и сопротивление R0.

(67)

(68)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

11

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(69)

Расчет второго предварительного каскада проведем отдельно от первого, так как нагрузкой является сопротивление и емкость выходного каскада, а первый предварительный каскад нагружены на свое же сопротивление и свою емкость входа.

(70)

(71)

Ближайшее стандартное напряжение питания равно 9 В. Зная напряжение питания найдем сопротивление в цепи эмиттера.

(72)

(73)

Рассчитаем время установления второго предварительного каскада.

(74)

(75)

(76)

(77)

Время установления укладывается в заданные пределы.

Рассчитаем элементы стабилизации второго предварительного каскада.

(78)

(79)

(80)

(81)

Максимальная температура перехода в рабочем состоянии меньше максимальной температуры перехода, заданной в технических характеристиках транзистора.

Найдем нестабильность статического коэффициента усиления по току h21.

(82)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

12

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(83)

(84)

Найдем изменение обратного тока коллектора в пределах изменения температуры среды.

Найдем изменение обратного тока коллектора в пределах изменения температуры среды. Для этого по трем имеющимся значениям обратного тока коллектора при различных температурах построим график, используя линейную аппроксимацию.

10

0,5

 

25 55

Рис 2. График зависимости обратного тока

коллектора от температуры.

Изменение обратного тока коллектора

DIКБО =10 – 0,5 = 9,2 мкА.

(85)

Находим нестабильность напряжения база-эмиттер при изменении температуры окружающей среды от минимальной до максимальной заданных в задании.

(86)

Найдем параметр g21 в рабочей точке и с помощью него вычислим h11.

(87)

Найдем Rб при нестабильности коллекторного тока N = 0,15.

(88)

(89)

(90)

(91)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

13

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Находим плечи делителя.

(92)

(93)

Определяем ток делителя. Он должен быть меньше тока коллектора рабочей точки.

(94)

Условие выполняется, ток в делителе меньше, чем ток коллектора в рабочей точке, при этом обеспечивается необходимая стабилизация тока коллектора.

Найдем входное сопротивление и емкость для второго предварительного каскада.

Вычислим входное сопротивление.

(95)

(96)

Рассчитаем первый предварительный каскад.

Проверим, если импульс тока, который должен обеспечить второй предварительный каскад меньше разницы тока рабочей точки и тока при токе базы, равном нулю, то можно для всех двух предварительных каскадов оставить рассчитанный выше режим по постоянному току и пересчитать только время установления первого каскада с учетом нагрузки на свое входное сопротивление.

(97)

(98)

Как видно, импульс тока в два раза меньше , так что режим по

постоянному току сохраняется. Пересчитаем сопротивление в цепи коллектора и проверим напряжение источника питания.

(99)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

14

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(100)

Ближайшее стандартное напряжение питания равно 9 В. Зная напряжение питания найдем сопротивление в цепи эмиттера.

(101)

(102)

Рассчитаем время установления второго предварительного каскада.

(103)

(104)

(105)

(106)

Время установления укладывается в заданные пределы, т. е.

Элементы стабилизации второго предварительного каскада и сопротивление Rб такие же как у первого.

(107)

(108)

9. Расчет входного каскада.

Для входного каскада подходит транзистор КП302А, характеристики которого приведены в приложении 3.

По выходной статической характеристике выберем следующую рабочую точку.

Uси. рт=18В Iс. рт=0,8мА Uзи. рт=1,5В

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

(114)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

15

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(115)

(116)

Время установления входного каскада меньше требуемого, т. е 30нс

10. Расчет вспомогательных цепей.

Зададимся емкостями в цепи эмиттера и разделительными емкостями равными:

(117)

Рассчитаем спад в выходном каскаде за счет емкости эмиттера.

(118)

Рассчитаем спад в выходном каскаде за счет разделительной емкости.

(119)

Спад в выходном каскаде.

(120)

С помощью предварительных каскадов необходимо уменьшить спад на

(121)

Рассчитаем спад во втором предварительном каскаде.

(122)

(123)

(124)

(125)

Выберем спад во втором предварительном каскаде 0,7 %.

(126)

(127)

(128)

Выбираем стандартное значение емкости.

(129)

(130)

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

16

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

(131)

Рассчитаем спад в первом предварительном каскаде за счет емкости эмиттера.

(132)

Рассчитаем спад в первом предварительном каскаде за счет разделительной емкости.

(133)

Выберем спад в первом предварительном каскаде 0,7 %.

(134)

(135)

Выбираем стандартное значение емкости.

(136)

(137)

(138)

Так как для уменьшения спада плоской вершины импульса в схему была введена фильтрующая ячейка, то для сохранение режима работы транзистора необходимо пересчитать напряжение питания предварительных каскадов.

(139)

Оставляем напряжение питания тем же.

11. Определение суммарных показателей рассчитываемого усилителя.

Полное время установления определяется всеми каскадами, входящими в усилитель.

Определим полное время установления усилителя.

(140)

Определим общий коэффициент усиления усилителя.

(141)

Определим спад плоской вершины который создает весь усилитель

(142)

В рассчитываемом усилителе выброс отсутствует, так как в каждом каскаде переходный процесс является монотонным.

Как видно из расчета суммарные показатели соответствуют техническому заданию.

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

17

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

12. Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах и напряжений действующих на конденсаторах и определение типов этих элементов.

Зная ток протекающий через сопротивления в каждом каскаде, найдем мощности, рассеиваемые на сопротивлениях в цепи коллектора, эмиттера и фильтра

Найдем рассеиваемые мощности на резисторах выходного каскада

(143)

(144)

(145)

(146)

(147)

Определим мощности рассеиваемые на резисторах второго предварительного каскада

(148)

(149)

(150)

(151)

(152)

Поскольку токи в первом предварительном каскаде и во входном гораздо меньше рассчитанных, то рассеиваемые мощности на резисторах этих каскадов не превысят рассчитанных выше.

Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,125Вт

Так как в схеме максимальное напряжение 60В то выбираем конденсаторы с допустимым напряжением 60В.

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

18

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Приложение I. Параметры транзистора КТ601А

Параметр

Обозначение

Значение

максимальное

минимальное

Обратный ток коллектор – эмиттер (RБ≤100 кОм), мкА

при Tс = -40…+25°С

при Tс = +85°С

IКЭ R

500

50

200

Обратный ток эмиттера, мкА

IЭБО

50

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ

при Tс = +85°С

при Tс = -40°С

h21Э

16

16

16

300

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте

|h21Э|

2

11,5

Емкость коллекторного перехода, пФ

СК

15

Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, нс

tК

600

Максимальный постоянный ток коллектора, мА

IК. MAX

30

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер ( RБ≤100 кОм), В

UКЭ Rmax

100

Постоянное напряжение эмиттер – база, В

UЭБmax

2

Выходная характеристика транзистора.

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

19

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Выходная характеристика транзистора с необходимыми построениями импульса тока и напряжения и построениями, необходимыми для вычисления g-параметров

Входная характеристика транзистора с построенным на ней треугольником для определения g-параметров

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

20

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Приложение 2. Параметры транзистора ГТ310Б

Параметр

Обозначение

Значение

максимальное

минимальное

Обратный ток коллектор – эмиттер (RБ≤100 кОм), мкА

при Tс = 55°С

при Tс = -40°С

IКЭ R

5

120

5

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ

при Tс = +55°С

при Tс = -40°С

h21Э

60

60

30

180

360

180

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте

|h21Э|

8

Емкость коллекторного перехода, пФ

СК

4

Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, нс

tК

300

Максимальный постоянный ток коллектора, мА

IК. MAX

10

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер ( RБ≤100 кОм), В

UКЭ Rmax

10

Выходная характеристика транзистора с необходимыми построениями импульса тока и напряжения и построениями, необходимыми для вычисления g-параметров.

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

21

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

Приложение 3. Параметры полевого транзистора КП302А.

Транзистор с p-n затвором и каналом n-типа.

Параметр

Значение

Начальный ток стока

IС = 3…24 мА

Крутизна характеристики при Uзи = 0 В

S = 12,5 мА/В

Напряжение отсечки

Uзи. отс = 5 В

Ток утечки через затвор

Iз. ут = 10 нА

Обратный ток сток – затвор

IСЗ. обр = 1 мкА

Коэффициент шума

КШ = 3 дБ

C22 = 7,1 пФ

Максимальное напряжение затвор - исток

Uзи = -10 В

Максимальное напряжение сток - затвор

UСЗ = 20 В

Максимальное напряжение сток - исток

UСИ = 20 В

Максимальный ток стока

IСmax = 24 мА

Рабочий диапазон температур

Tср = -60°С … +100°С

Максимальная рассеиваемая мощность

PMAX = 300 мВт

Выходная статическая характеристика

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

22

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб

Разинкин

Схема

Лит

Лист

Листов

Пров

Дуркин

23

Т. контр

РТ5 –14

Утвер.

Обозна

чение

Наименование

Кол

во

Примечание

Резисторы: ГОСТ7113-75

R1

МЛТ-0,125-40кОм + 10%

1

R2

МЛТ-0,125-56Ом + 10%

1

R3

МЛТ-0,125-130Ом + 10%

1

R4

МЛТ-0,125-1,8кОм + 10%

1

R5

МЛТ-0,125-22кОм + 10%

1

R6

МЛТ-0,125-13кОм + 10%

1

R7

МЛТ-0,125-75Ом + 10%

1

R8

МЛТ-0,125-56Ом + 10%

1

R9

МЛТ-0,125-3кОм + 10%

1

R10

МЛТ-0,125-22кОм + 10%

1

R11

МЛТ-0,125-13кОм + 10%

1

R12

МЛТ-0,125-75Ом + 10%

1

R13

МЛТ-0,125-56Ом + 10%

1

R14

МЛТ-0,125-3кОм + 10%

1

R15

МЛТ-0,125-120кОм + 10%

1

R16

МЛТ-0,125-43кОм + 10%

1

R17

МЛТ-0,125-666,67Ом + 10%

1

R18

МЛТ-0,125-620Ом + 10%

1

R19

МЛТ-0,125-16кОм + 10%

1

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЭ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб

Разинкин

Импульсный усилитель

Лит

Лист

Листов

Пров

Дуркин

24

Т. контр

РТ5 – 14

Утвер.

Обозна

чение

Наименование

Кол

во

Примечание

Конденсаторы: ОЖО.464.708.001ТУ

С1

К76,5 мкФ

1

С2

К76,5 мкФ

1

С3

К5мкФ х 100 В

1

С4

К76нФ

1

С5

К76,5 мкФ

1

С6

К5мкФ х 60 В

1

С7

К76нФ

1

С8

К76,5 мкФ

1

С9

К5мкФ х 60 В

1

С10

К76нФ

1

С11

К76пФ

1

С12

К5мкФ х 60 В

1

Транзисторы : ЖК3.365.200.ТУ

VT1

КТ601А

1

VT2,VT3

ГТ310Б

2

VT4

КП320А

1

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЭ

Изм

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб

Разинкин

Импульсный усилитель

Лит

Лист

Листов

Пров

Дуркин

25

Т. контр

РТ5 – 14

Утвер.

Список использованной литературы

1.Варшавер. Б.А. «Расчет и проектирование импульсных усилителей». Москва: Высшая школа, 1967

2.Перельман. Б.Л. Справочник «Транзисторы для аппаратуры широкого применения»

Москва: Радио и связь, 1981

3.Валитов. Р.А. «Апериодические усилители на полупроводниковых приборах»

Москва : Советское радио, 1968

НГТУ. ХХХХХХ.004.ПЗ

Лист

3

26

Изм.

Лист

№докум.

Подп.

Дата