Курсовая работа (т): Схема группового усилителя

Схема группового усилителя

Введение

Основные особенности групповых усилителей:

. В зависимости от назначения, пропускной способности МСП с частотным разделением каналов работают в диапазоне рабочих от 12кГц до 60 МГц и более. Известно, что затухание линии (симметричного или коаксиального кабеля) растет с повышением частоты. Поэтому линейный (групповой) усилитель содержит корректор амплитудно-частотной характеристики (КАЧХ), с помощью которого усиление на верхней рабочей частоте по сравнению с усилением на нижней рабочей частоте поднимается в несколько десятков раз.

. Абсолютная величина затухания в линии зависит от расстояния между двумя усилительными пунктами. Для его компенсации в усилителях устанавливается частотно-зависимые регуляторы усиления (РРУ); иначе их называют удлинителями или выравнивателями. Обычно они выполняются в виде ступенчатых регуляторов усиления.

В состав линейных усилителей вводится также автоматический регулятор усиления (АРУ). Он управляется датчиком температуры грунта либо сигналами специальных контрольных частот. Его назначение - поддержание необходимого усиления и формы АЧХ независимо от климатических условий. Вход и выход усилителя защищаются от мощных импульсных помех (например, грозовые разряды) включением полупроводниковых диодов.

. Питание НУП осуществляется постоянным напряжением, усилители по цепи питания включаются последовательно.

. Одним из важнейших требований, предъявляемых к линейным усилителям, является стабильность параметров. Стабильность достигается с помощью различных цепей ООС. Используются как местные обратные связи, так и обязательно - общая ООС, охватывающая весь усилитель. На входе и выходе усилителя применяются дифференциальные системы - шестиполюсники, которые позволяют реализовать комбинированную ООС.

. С целью повышения устойчивости линейного усилителя их полоса пропускания в области верхних частот ограничивается. Для этого вход, выход и цепь ООС шунтируются емкостями высокочастотного обхода. Расчет цепей общей ООС в курсовой работе не производится.

Задание

Необходимо выбрать тип усилительных элементов и режим работы, рассчитать принципиальную схему. Принципиальная схема группового усилителя приведена на рис.1

Рис. 1. Принципиальная схема группового усилителя с ОУ на входе.

Исходные данные

Количество каналов ТЧ                          ;

Максимальная температура грунта                ;

Уровень передачи УП                                      ;

Требуемое затухание нелинейности       ;

;

Питание усилителя                                  ;

Допустимый коэффициент частотных

искажений на нижней рабочей частоте ;

Волновое сопротивление кабеля            ;

Рабочее усиление                                    .

1. Принципиальная схема усилителя

Принципиальная схема линейного усилителя приведена на рис.1 Особенностью этой упрощенной схемы является использование интегральной микросхемы в качестве каскада предварительного усиления. Наиболее эффективными оказались операционные усилители (ОУ). Выходной каскад реализован на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. В каскаде используется эмиттерная стабилизация. На входе и выходе усилителя включены трехобмоточные трансформаторы. Комбинированная ООС реализуется с помощью обмоток обратной связи и балансных сопротивлений (Woc и Rбл - на входе и W´oc и R´бл - на выходе усилителя). Четырехполюсник общей ООС содержит КАЧХ, РРУ и систему АРУ. Для повышения устойчивости линейного усилителя в области верхних частот - входной, выходной трансформаторы и цепь Общей ООС шунтируются емкостями высокочастотного обхода Са. Конденсатор Ср в цепи является разделительным, конденсатор Сэ в цепи эмиттера устраняет местную ООС по переменному току. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. На этот же вход подается и сигнал общей ООС. С целью согласования большого входного сопротивления ОУ с волновым сопротивлением линии используется шунт Rш.

В цепях питания ОУ включены цепи Rф и Сф. Они рассчитываются из условия сглаживания пульсаций питающего напряжения. Для более эффективного использования ОУ применяются два источника питания Еп/2. Местная ООС в ОУ обеспечивается с помощью делителя R1и R2. Балансировка схемы ОУ осуществляется с помощью переменного резистора R3. Внешняя коррекция ОУ обычно осуществляется с помощью емкости Ск. На рис. 1 эта емкость не показана.

2. Расчет рабочих частот усилителя

По заданным техническим условиям необходимо определить нижнюю ƒн и верхнюю ƒв рабочие частоты усилителя.

Для сравнительно небольшого числа каналов тональной частоты Nтч, полоса усиливаемых частот усилителя равна

.

Нижняя рабочая частота определяется по формуле

.

Тогда верхняя рабочая частота равна

.

3. Выбор и обоснование схемы выходного каскада усилителя (ВКУ)

В ВКУ аппаратуры МСП при наивысшей частоте, не превышающей 1 - 1,5 МГц, целесообразно использовать трансформаторные схемы связи с нагрузкой. Трансформатор, преобразуя эквивалентное сопротивление нагрузки, позволяет сделать его оптимальным, при котором транзистор обеспечивает получение заданной выходной мощности более экономичным способом при наименьших нелинейных искажениях. Кроме преобразования нагрузки трансформатор исключает прохождение через нагрузку постоянной составляющей выходного тока транзистора и обеспечивает более высокий к.п.д., благодаря лучшему использованию напряжения источника питания.

Для сравнительно маломощных усилителей систем передачи с ЧРК вопросы экономии электрической энергии не играют решающей роли, поэтому предпочтение отдается однотактной схеме усилителя, которая может работать только в режиме класса А. В этом режиме проще обеспечить малые нелинейные искажения, причем уровень этих искажений резко уменьшается при неполном использовании транзистора по току и напряжению, в том числе и при средних уровнях сигнала.

Двухтактные схемы выходных каскадов в групповых усилителях на дискретных элементах, как правило, не используются, так как схема каскада усложняется и труднее обеспечить общую ООС.

В настоящее время биполярные транзисторы по отдаваемой мощности, диапазонам рабочих частот и температур, линейности характеристик и усилению являются более подходящими для выходных каскадов групповых усилителей.

Включение транзистора в ВКУ по схеме с общим эмиттером обеспечивает большее усиление, облегчает реализацию глубокой ООС, делает возможным для связи с предварительным усилителем использование более простых схем связи. Однотактная трансформаторная схема ВКУ приведена на рис.2.

Рис. 2. Трансформаторная схема ВКУ на БТ

В схеме используется эмиттерная стабилизация. Сопротивления R´б и R”б включаются в цепь базы при наличии на входе разделительной емкости. На рис.2 показан один из способов комбинированного подключения цепи ООС к выходу. Напряжение ООС снимается с части витков первичной обмотки выходного трансформатора W´ос (ООС по напряжению) и с сопротивления R´бл (ООС по току). Для увеличения выходной мощности можно использовать параллельное включение двух транзисторов.

4. Выбор транзистора

Биполярные транзисторы для ВКУ выбираются по допустимой мощности рассеяния и высшей граничной частоте. Чтобы обеспечить получение заданной выходной мощности, рассеиваемая в режиме класса А на транзисторе мощность, должна быть не меньше величины:

,

Где отдаваемая транзистором мощность в милливаттах должна учитывать потери части энергии в элементах цепи ООС и выходном трансформаторе, т.е. должна быть более мощности в нагрузке Рн:

.

Потери в цепи ООС могут составлять от 5% до 20% (λ = 1,05-1,2). Коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформатора легче обеспечить более высоким с увеличением низшей частоты рабочего диапазона ƒн. К.п.д. выходного трансформатора можно принять близким к единице ηтр=0,92-0,95. В выходных каскадах используем один (N=1) транзистор. В схеме с общим эмиттером транзисторы используются на 80-90%. В групповых усилителях из-за очень жестких требований к затуханию нелинейности следует принять ξ = ψ = 0,7.

Поскольку номинальная выходная мощность (уровень передачи) задается в децибелах (Рн=13дБ) (по отношению к нулевому уровню Р0 = 1мВт), то

Рн = 10 0,1 Рн, дБ мВт.

В справочных данных допустимая мощность рассеяния обычно соответствует температуре 20 - 25оС. Реальная окружающая температура может быть выше. По этой причине обычно выбирают транзистор, у которого допустимая мощность рассеяния равна

Рк. доп ≥ 1,5 Рк           (4.1)

Отметим, что допустимую мощность рассеяния можно увеличить с помощью теплоотвода [1].

Учитывая вышесказанное вычисляем:

,

,

,

.

Предельная частота транзистора в схеме с общим эмиттером должна удовлетворять соотношению:h 21 э мин ≥ 3 fв,

ƒв=247,2кГц -верхняя частота рабочего диапазона. При выполнении этого условия в рабочем диапазоне частот искажения не превышают 0,5 дБ и легче обеспечить устойчивую работу усилителя при общей глубокой ООС.

Для среднечастотных и высокочастотных транзисторов, используемых в групповых усилителях, в справочниках приводится минимальное значение модуля статического коэффициента усиления по току | h21Эмин | на достаточно высокой частоте ƒ´. В этом случае предельная частота транзистора в схеме с общим эмиттером равна:

                      (4.2)

где h21 э мин - приводится в справочнике.

Для некоторых типов транзисторов в справочниках дается предельная частота в схеме с общим эмиттером или предельная частота в схеме с общей базой f h 21 бмин

Тогда

                      (4.3)

Из транзисторов, отвечающих условиям (4.1 - 4.3), выбираем транзистор, имеющий:

меньший обратный ток коллекторного перехода I КБ 0;

малые тепловые сопротивления Rт.пк и Rт.пс и более высокую температуру перехода Тп. макс. доп.;

большие значения статистических коэффициентов усиления h21 э и меньший разброс этих параметров;

максимально допустимое мгновенное напряжение на коллекторе желательно иметь в пределах

к. макс = (1-1,5) Eп

Выбираем транзистор КТ3102Б, удовлетворяющий всем вышеперечисленным требованиям. Основные параметры и характеристики выбранного транзистора приведены в приложении 1.

Для выбранного транзистора > 144мВт.

 ≥ .

Окончательно вопрос о выборе определенного транзистора решается после рассмотрения его характеристик и выбора режима работы.

Для выбора режима используется семейство выходных характеристик для схемы с ОЭ, параметром является ток базы. Они приводятся в справочниках для наиболее линейной области, где значения токов, напряжений и мощности рассеяния не превышают максимально допустимых.

При одинаковом использовании транзисторов по току и напряжению значения  и  в рабочей точке не должны превышать половины максимально допустимых, т.е. для обеспечения гарантированной надежности транзистора должны выполняться условия:

Напряжение на транзисторе ВКУ должно составлять не более 0,8 Еп. При выбранном , для получения требуемой выходной мощности, значение тока в рабочей точке:

                       (5.1)

Увеличение  необходимо для использования более линейной части характеристики. Окончательное положение рабочей точки уточняют по семейству выходных характеристик. Наиболее целесообразным является выбор р.т. в средней части рабочего поля характеристик. Положение р.т. можно выбирать и несовпадающим с одной из показанных статистических характеристик семейства.

Выбираем рабочую точку на семействе выходных характеристик (рис. 3) при  и . Определяем значение тока коллектора в рабочей точке . Проверяем условие (10.1):

.

Рис. 3 Выходные статические характеристики транзистора

Критерием правильности выбора р.т. являются также максимальные значения температуры p-n перехода:

                        (5.2)

которая не должна превышать максимально допустимое для данного транзистора значение Тп.макс.доп.

Выполним проверку (максимальная температура среды составляет +33ºС): .

Нагрузочные прямые (рис.3) строятся следующим образом. Общей точкой является рабочая точка (р.т.). Другая точка для Rн= равна (точка 1):к1=Еп=17В; iк1 = 0

Для Rн~ (точка 2):

к2=2 Uк0=24В; iк2 = 0.

Указанные значения точек 1 и 2 отмечаем на оси напряжений и проводим соответствующие нагрузочные прямые.

Для дальнейших расчетов ВКУ определяются статические параметры транзистора:

статический коэффициент усиления по току в рабочей точке

;

выходное сопротивление транзистора в режиме насыщения:

.

Так как величина  выбрана больше величины, определяемой соотношением (5.1), фактический коэффициент использования транзистора получается меньше 0,7: