Усилитель приемной антенной решетки

Министерство образования Российской Федерации.

Томский государственный университет систем

управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

  Усилитель приемной антенной решетки.

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

“Схемотехника АЭУ”

РТФ КП 468740.009 ПЗ

Выполнил: студент гр.148-3

________ Вахрушев С.С.

“____”___________2001г

Руководитель: доцент кафедры РЗИ

___________ Титов А.А.

“____”___________2001г

Томск 2001

РЕФЕРАТ

В курсовой работе производился расчет усилителя фазированной антенной решетки на биполярных транзисторах.

Цель работы – приобрести необходимые навыки расчета усилительных устройств на основе биполярных транзисторов.

В процессе проектирования производился расчет элементов принципиальной схемы усилителя, которые обеспечивают необходимый режим работы транзисторов, а также расчет элементов схемы термостабилизации и цепей коррекции.

Получена принципиальная схема усилителя приемной антенной решетки, которая может быть реализована на практике и применена в реальных системах радиолокации.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 7.0. Схемы и рисунки выполнены в графическом редакторе Paint Brush.

Задание

Исходные данные для проектирования:

1) Диапазон рабочих частот 100 – 1000 МГц

2) Допустимые частотные искажения МН = 1,5дБ, МВ = 1,5дБ

3) Коэффициент передачи усилителя SУ = 15дБ

4) Выходное напряжение UВЫХ = 0,2В

5) Сопротивление генератора RГ = 50Ом

6) Сопротивление нагрузки RН = 50Ом

7) Согласование по входу и по выходу

Введение

Во многих областях современной науки и техники часто встречается необходимость усиления электрических колебаний (сигналов) различных видов с сохранением их формы.

Усилители имеют широкое и разностороннее применение: в радиосвязи и радиовещании, телевидении, звуковом кино, устройствах записи и воспроизведения звука, дальней проводной связи, измерительной аппаратуре, а также в телемеханике, автоматике и т.д.

Приемные антенные решетки используются в радиолокации для электронного сканирования пространства без механического перемещения антенны. Положение цели в пространстве, при этом, определяется по разности фаз сигналов, пришедших от каждого из элементов антенной решетки.

Одним из основных узлов таких систем являются широкополосные усилители, обеспечивающие усиление сигналов поступающих с антенных решеток.

Для обеспечения высокой точности работы системы радиолокации, необходима полная идентичность характеристик широкополосных усилителей. Кроме того, усилители должны быть согласованы по входу и выходу, иметь линейную амплитудно-частотную характеристику, параметры усилителей не должны изменяться во времени и при изменении температуры окружающей среды.

1. Определение числа каскадов

Т.к. заданное усиление равное 15дБ не может быть достигнуто одним маломощным транзистором в широком диапазоне частот, то целесообразно коэффициент усиления распределить на несколько каскадов усиления, например, по 5дБ на каждый:

2. Распределение искажений в области ВЧ

Определим неравномерность частотной характеристики на рабочем диапазоне частот, приходящуюся на один каскад:

3. Расчет оконечного каскада

3.1. Расчет рабочей точки и построение нагрузочных прямых

Резистивный каскад

В разрабатываемом усилителе будет использован каскад с комбинированной отрицательной обратной связью, схема которого по переменному току приведена на рис. 3.1.1.1.

Т.к. часть выходной полезной мощности рассеивается на резисторах обратной связи Rэ, Rос, то для предварительного расчета рабочей точки выходного транзистора напряжение, которое он должен выдавать, необходимо брать удвоенным, т.к. заранее эти потери неизвестны. Потом эти потери можно уточнить. Координаты рабочей точки приближенно можно рассчитать по формулам [1]:

где Iвых – выходной ток оконечного транзистора;

Uвых – выходное напряжение транзистора;

Pвых – мощность, выдаваемая транзистором на выходе

Схема резистивного каскада по постоянному току приведена на рис. 3.1.1.2.

Рис. 3.1.1.2 Резистивный каскад

Пусть Rн=Rк=50 Ом, тогда выходной ток транзистора будет равен:

Обычно остаточное напряжение Uост и ток Iост выбирают в пределах:

Тогда рабочая точка транзистора:

где UКЭ0 – напряжение на переходе коллектор-эммитер в рабочей точке;

IК0 – ток коллектора в рабочей точке транзистора

Напряжение источника питания:

Построим нагрузочные прямые постоянного и переменного токов для резистивного каскада:

- уравнение нагрузочной прямой по постоянному току

Для переменного тока:

Рис. 3.1.1.3 Нагрузочные прямые для резистивного каскада

У резистивного каскада сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току меньше, чем постоянному, и нагрузочная прямая постоянного тока проходит через точку покоя более полого, чем нагрузочная прямая переменного тока.

3.1.2. Дроссельный каскад

Дроссельный усилительный каскад представлен на рисунке 3.1.2.1. Здесь вместо резистора RК ставят дроссель LДР, для увеличения КПД каскада.

Рис. 3.1.2.1 Дроссельный усилительный каскад

Резисторами Rб1 и Rб2 (базовые делители) устанавливают рабочую точку каскада.

Тогда рабочая точка транзистора:

Питание:

По переменному току:

Тогда нагрузочные прямые по постоянному и переменному току для дроссельного каскада выглядят следующим образом:

Рис. 3.1.2.2 Нагрузочные прямые для дроссельного каскада

Т.к. сопротивление дросселя по постоянному току эквивалентно короткому замыканию, нагрузочная прямая по постоянному току есть вертикальная линия

3.1.3. Расчет мощностей

Произведем расчет потребляемой и рассеиваемой мощностей для резистивного и дроссельного каскадов выбор каскада по энергетическим параметрам:

Для резистивного каскада:

где Рк – мощность, рассеиваемая на коллекторе;

Рпотр – потребляемая транзистором мощность.

Для дроссельного каскада:

Полученные результаты представлены в таблице 3.1.3.1:

Таблица 3.1.3.1 Энергетические параметры усилительных каскадов

В результате анализа полученных результатов можно прийти к выводу, что более экономичным по энергетическим параметрам является дроссельный каскад. К тому же КПД такого каскада больше резистивного в 2 раза.

3.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора производится в справочнике [2] по следующим параметрам, которые необходимо взять с небольшим запасом в 20 %:

Лучше всего по этим параметрам подходит транзистор КТ3101А-2.

Паспортные данные транзистора КТ3101А-2

Электрические параметры:

Граничная частота при Uкб=5В, Iэ=10мА не менее…………………….4,0ГГц

Максимальный коэффициент усиления по мощности

при Uкб=5В, Iэ=10мА, f=2,25ГГц типовое значение…………….8,2 – 9,8дБ

Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте

при Uкб=5В………………………………………………………………..5пс

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эммитером

при Uкб=1В, Iк=5мА, Т=298К………………………………………35 – 300

Емкость коллекторного перехода при Uкб=5В………………………..0,65пФ

Емкость эммитерного перехода при Uэб=1В……………………………..1пФ

Индуктивность вывода базы……………………………………………..2нГн

Индуктивность вывода эммитора………………………………………..2нГн

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-эммитер…………………………….15В

Постоянный ток коллектора……………………………………………..20мА

Постоянная рассеиваемая мощность при Т=213…318К…………….100мВт

Расчет эквивалентной схемы транзистора

3.3.1. Эквивалентная схема Джиаколетто

Значения элементов схемы Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим формулам [3]:

=3 - для планарных кремниевых транзисторов,

=4 - для остальных транзисторов,

В справочной литературе значения и часто приводятся измеренными при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер . Поэтому при расчетах значение следует пересчитать по формуле [3]

, (3.3.1.1)

где - напряжение , при котором производилось измерение ; - напряжение , при котором производилось измерение .

где - емкость коллекторного перехода; - постоянная времени цепи обратной связи; - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером; - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером; - ток коллектора в рабочей точке в миллиамперах.

Крутизна транзистора:

3.3.2 Расчет элементов однонаправленной модели биполярного транзистора

Расчет усилительных каскадов также основан на использовании однонаправленной модели транзистора [4], справедливой в области частот более , где = ( - граничная частота коэффициента передачи тока, - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером) и приведенной на рисунке 3.3.2.1.

Рис. 3.3.2.1 Однонаправленная модель биполярного транзистора

Элементы схемы замещения могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4]:

где - индуктивность вывода базы; - индуктивность вывода эмиттера; - предельное значение напряжения ; - предельное значение постоянного тока коллектора.

При расчетах по эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 3.3.2.1, вместо используют параметр - коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования [5], равный

= (3.3.2.1)

где - частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования равен единице; - текущая частота.

3.4 Расчет цепей термостабилизации

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования к термостабильности. В данной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: пассивная коллекторная, активная коллекторная и эмиттерная.

3.4.1. Эммитерная термостабилизация

Транзисторный каскад с эммитерной термостабилизацией приведен на рисунке 3.4.1.1

Рис. 3.4.1.1 Усилительный каскад с эммитерной стабилизацией

Расчет элементов схемы эммитерной термостабилизации производится по формулам в [6].

Напряжение на эммитерном сопротивлении обычно выбирают:

Тогда сопротивление Rэ будет равно:

Напряжение источника питания:

Расчет базового делителя:

Ток делителя:

Мощность, рассеиваемая на RЭ:

Пассивная коллекторная стабилизация.

Данный вид термостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4) используется на малых мощностях и