Видеоусилитель - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Московский ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Авиационный
Институт имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
(технический университет)
Кафедра 407
“ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РЭС”
Курсовая работа
на тему
|Видеоусилитель |
| |
| |
|Выполнил: |студент группы |
| |04-320 |
| |Гуренков Дмитрий |
|Проверил: |преподаватель |
| |Игнатьев Ф. Н. |
Москва 2002 год
Содержание
Задание. 3
Введение. 3
Расчет многокаскадного усилителя. 4
Расчет апериодических и импульсных усилителей. 5
Расчет "Y"-параметров транзистора. 7
Высокочастотная эмиттерная коррекция. 9
Низкочастотная коррекция цепочкой [pic]. 10
Выбор и стабилизация режимов работы усилительных каскадов на транзисторах.
11
Расчет. 15
Расчет необходимого количества каскадов. 15
Расчет оконечного усилительного каскада. 16
Расчет Y-параметров. 16
Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию. 17
Низкочастотна коррекция цепочкой [pic]. 18
Стабилизация режима работы усилительного каскада. 18
Расчет предоконечных усилительных каскадов. 19
Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию. 20
Низкочастотна коррекция цепочкой [pic]. 20
Стабилизация режима работы усилительного каскада. 20
Эксплуатационные данные. 21
Видео усилитель. Принципиальная схема. 23
Перечень элементов. 24
Литература. 25
Задание
Разработать принципиальную схему и рассчитать видеоусилитель со следующими
характеристиками:
- коэффициент усиления по напряжению [pic];
- длительность импульса [pic] мкс;
- относительный скол вершины импульса – не более [pic];
- относительная длительность фронта – не более [pic];
- сопротивление нагрузки усилителя [pic] кОм;
- емкость нагрузки усилителя - [pic] пФ.
Введение
Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала. Увеличение
мощности происходит за счет преобразования энергии источника питания в
сигнал на заданной частоте. Функцию преобразователя выполняет активный
прибор, управляемый входным сигналом. Таким образом, в усилителе
относительно маломощный входной сигнал управляет передачей большой мощности
на частоте сигнала от источника питания в нагрузку, причем выходной сигнал
является непрерывной функцией входного. Сам механизм преобразования энергии
источника питания в энергию сигнала зависит от физической природы активного
прибора.
Существует большое количество различных видов усилителей по активному
прибору, в частности: на трех активных полюсных приборах, на активных
двухполюсных приборах, усилители на ЛБВ и ЛОВ. В зависимости от вида
усиливаемого сигнала различают усилители непрерывных и импульсных сигналов.
Усилители импульсов, не имеющих высокочастотного заполнения
(видеоимпульсов), обычно относятся к видео усилителям, или точнее говоря к
видео импульсным усилителям. Усиление низкочастотных непрерывных и
импульсных (как в нашем случае) сигналов осуществляется апериодическими
импульсными усилителями.
Будем рассматривать апериодический усилитель с емкостной связью на трех
активном полюсном приборе. Основным свойством апериодического усилителя
является отсутствие ярко выраженных резонансных явлений. Нагрузкой этого
усилителя, как правило, является резистор. Расчеты усилительных устройств,
обычно, выполняются покаскадно с дальнейшим нахождением параметров
многокаскадных усилителей. Эффективность усиления можно оценить по величине
коэффициента усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току
и мощности. Основным, обычно, считается коэффициент усиления по напряжению:
[pic], который далее будет именоваться просто коэффициентом усиления [pic]
без индекса «U». Коэффициенты усиления являются комплексными величинами.
Модуль коэффициента усиления определяет соотношение входной и выходной
амплитуд, на данной частоте.
В качестве принципиальной схемы усилителя выберем схему, состоящую из N
каскадов на однотипных, активных приборах с одинаковыми параметрами. В
таком случае общий коэффициент усиления будет находиться как произведение
коэффициентов усиления каждого из каскадов.
Выберем схему включения активного прибора:
1. Схема включения с общей базой (ОБ) обладает сравнительно малым, входным
и большим выходным сопротивлением, но имеет малую зависимость параметров
от температуры и более равномерную частотную характеристику. В схеме с ОБ
достигаются максимальные значения коллекторного напряжения, что важно при
использовании мощных транзисторов.
2. Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) обладает наибольшим усилением по
мощности, что уменьшает количество каскадов в схеме, но неравномерная
частотная характеристика, большая зависимость параметров от температуры и
меньшее максимальное коллекторное напряжение снижают преимущества этой
схемы. Входные и выходные сопротивления усилителя на транзисторах,
включенных в схему с ОЭ отличаются меньше, чем в схеме с ОБ, что
облегчает построение многокаскадных усилителей.
3. Схема включения с общим коллектором (ОК) обладает большим входным и
малым выходным сопротивлением. Это свойство находит применение в
согласующих каскадах (эмиттерный повторитель). Частотная характеристика
схожа с частотной характеристикой включения с ОЭ.
Как видно из приведенных выше характеристик различных включений, схема
с ОЭ по большинству показателей занимает промежуточное положение между
схемами ОБ и ОК. В то же время она обладает максимальным усилением по
мощности и удобна в использовании в много каскадных усилителях. Именно по
этому она считается наиболее универсальной.
Как следует из вышесказанного, в качестве схемы включения нашего
активного прибора будем использовать схему с общим эмиттером.
Активными основными приборами современных усилительных устройств
являются биполярные и полевые транзисторы. В качестве активного прибора
будем использовать биполярный транзистор.
Расчет многокаскадного усилителя
Как правило, усилительные устройства являются многокаскадными, так как
с помощью одного каскада обычно не удается обеспечить необходимое усиление.
Основное усиление по напряжению обеспечивается в каскадах предварительного
усиления. Из них обычно выделяют входной каскад, схема которого зависит от
требований по сопряжению с источником сигнала, допустимому дрейфу нуля и
т.п. Спецификой выходного каскада является обеспечение заданной мощности
или амплитуды выходного сигнала, ограничения по допустимому уровню
искажений, работа на низкоомную нагрузку и т.д. Предоконечный каскад также
может иметь специфические особенности, связанные с условием работы
выходного каскада, например, с требованием обеспечить на его входе
значительную мощность сигнала.
При построении широкополосных усилителей на биполярных транзисторах
основное внимание уделяют их частотным свойствам, позволяющим при заданном
коэффициенте усиления одного каскада в области средних частот [pic]
обеспечить требуемую верхнюю граничную частоту [pic], а, следовательно, и
площадь усилителя одного каскада
[pic]. (1.1)
Если многокаскадный усилитель с верхней граничной частотой [pic]
содержит [pic] одинаковых каскадов, а искажения на верхних частотах
распределены между каскадами равномерно, то связь между [pic] и [pic]
устанавливается соотношением
[pic], (1.2)
где [pic] - функция, учитывающая уменьшение [pic] с ростом числа каскадов.
Если отдельные однотипные каскады развязаны между собой по постоянному
току, что приводит к искажения в области нижних частот, то нижняя граничная
частота одного каскада [pic] связана с [pic] всего усилителя соотношением
[pic]. (1.3)
Общий коэффициент усиления N-каскадного усилителя с учетом (1.1) и
(1.2)
[pic]. (1.4)
Максимальная площадь усиления дифференциального каскада или каскада с
общим эмиттером на биполярном транзисторе может быть оценена по формуле
[pic], (1.5)
где высокочастотный параметр [pic] определяется паспортными параметрами
транзистора.
Если заданы [pic] и [pic], то, используя выражение (1.4) и ориентируясь
на максимальную площадь усилителя [pic], можно оценить необходимое
количество каскадов усилителя, подобрав [pic], удовлетворяющее условию:
[pic]. (1.6)
Полутора кратный запас по усилению учитывает, в частности, потери
сигнала во входной цепи усилителя. Коэффициент [pic] следует брать [pic] -
для простейших резистивных каскадов; [pic] - для случая применения во всех
каскадах высокочастотной коррекции. Последнее позволяет ослабить требования
к частотным свойствам транзистора и обеспечить необходимый коэффициент
усиления и заданную полосу пропускания меньшим числом каскадов.
В импульсных усилителях основное внимание уделяется переходным
искажениям, в частности, времени установления усилителя [pic]. Для
усилителя из [pic] однотипных каскадов [pic] связано с требуемым временем
установления [pic] каждого из каскадов соотношением
[pic]. (1.7)
Формула (1.7) справедлива, если величина относительного выброса на один
каскад не превышает критического [pic].
Поскольку усилитель обычно содержит один или несколько одинаковых
предварительных каскадов, а также выходной каскад и входную цепь с временем
установления соответственно [pic] и [pic], то общее время установления
[pic].
Величина общего относительного скалывания и времени запаздывания N-
каскадного усилителя определяется соответствующими параметрами каждого
каскада и оценивается по формуле
[pic]; [pic]. (1.8)
Расчет апериодических и импульсных усилителей
Усиление низкочастотных и импульсных сигналов осуществляется
апериодическими усилителями. Типовая схема двухкаскадного резистивного
усилителя представлена на Рисунок 1.
[pic]
Рисунок 1
Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:
- [pic], [pic], [pic] обеспечивают выбранное положение рабочей точки (РТ) и
температурную стабилизацию транзистора;
- [pic], [pic] осуществляют развязку каскада в диапазоне усиливаемых частот
и повышают устойчивость работы усилителя;
- [pic] разделяет усилительные каскады по постоянному току;
- [pic] является коллекторной нагрузкой транзистора;
- [pic] устраняет отрицательную обратную связь по переменному току;
- [pic] проводимость потребителя.
При условии слабых сигналов, когда выходное напряжение [pic]
существенно меньше напряжения [pic], можно считать, что каскад работает в
линейном режиме. В этом случае расчет усилителя сводится к следующему.
Исходными данными для оконечных усилительных каскадов непрерывных
сигналов являются: [pic] - коэффициент усиления; [pic] и [pic] - верхняя и
нижняя граничные частоты; [pic] и [pic] - уровень линейных искажений на
частотах [pic] и [pic]; [pic] и [pic] - проводимость и сопротивление
потребителя; [pic] - выходное напряжение.
Расчет производится в следующей последовательности.
1. Выбирают тип биполярного транзистора, позволяющего реализовать требуемый
коэффициент усиления и полосу пропускания при заданных частотных
искажениях:
[pic], (2.1)
где [pic], [pic].
Определяют параметры транзистора [pic], [pic], [pic], [pic], [pic], [pic]
и [pic] на средней частоте усиления.
2. Находят нагрузочную коллекторную проводимость [pic] для обеспечения
заданного усиления и полосы пропускания:
[pic], (2.2)
[pic], (2.3)
[pic]. (2.4)
3. Вычисляют входную проводимость и емкость усилительного каскада.
[pic] (2.5)
[pic] (2.6)
4. Разделительную емкость [pic] определяют по заданным искажениям [pic] на
нижней граничной частоте:
[pic], (2.7)
где [pic].
5. И наконец находят емкость [pic]:
[pic]. (2.8)
При расчете усилителей импульсных сигналов с длительностью [pic]
задаются обычно временем установления фронта импульса [pic] и его
скалыванием [pic]. В этом случае элементы схемы [pic] и [pic] находятся из
соотношений (2.3) и (2.7):
[pic], (2.9)
[pic]. (2.10)
Особенность расчета промежуточных каскадов заключается в том, что их
потребителем является последующий усилитель, входная проводимость [pic] и
емкость [pic] которого находятся с помощью выражений (2.5) и (2.6).
При решении ряда задач возникает необходимость усиливать сигналы в
широкой полосе частот, и, если полоса пропускания обычного апериодического
усилителя оказывается недостаточной, ее стараются расширить, используя ВЧ-
и НЧ-коррекции. Частотная коррекция обычно осуществляется одним из двух
методов:
1. введением в цепь коллекторной (стоковой) нагрузки частотно-зависимых
элементов (L-коррекция в области ВЧ и цепочка [pic] - в области НЧ);
2. использованием частотно-зависимой отрицательной обратной связи (ООС)
(эмиттерная коррекция в области ВЧ).
Расчет "Y"-параметров транзистора
Основными активными приборами усилительных устройств радиочастотного
диапазона являются биполярные и полевые транзисторы. Расчет характеристик
усилителей умеренно высоких частот удобно проводить по Y-параметрам
транзисторов, определенным для выбранной рабочей точки (РТ) по постоянному
ток и схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК, ОИ, ОЗ, ОС).
В инженерной практике широко используется физическая эквивалентная
схема биполярного транзистора, представленная на Рисунок 2, которая
достаточно точно отражает его свойства в частотном диапазоне до [pic], где
[pic] - граничная частота усиления тока базы в схеме с общим эмиттером
(ОЭ).
[pic]
Рисунок 2
Рассчитывают элементы эквивалентной схемы и Y-параметры биполярного
транзистора по справочным данным, где для типового режима работы (заданной
РТ) обычно приводятся следующие электрические параметры:
- [pic] - постоянное напряжение коллектор-эмиттер;
- [pic] - постоянный ток коллектора;
- [pic] - статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ.
- [pic] - модуль коэффициента усиления тока базы на частоте [pic] или
[pic].
- [pic] - постоянная времени цепи обратной связи [pic], где [pic] -
технологический параметр, лежащий в пределах 3…4 для мезатранзисторов и
4…10 для планарных;
- [pic] - емкость коллекторного перехода.
Элементы эквивалентной схемы определяется с помощью следующих
соотношений.
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода [pic]:
[pic]. (3.1)
Параметр [pic], характеризующий активность транзисторов:
[pic].
Сопротивление растекания базы [pic]:
[pic]. (3.2)
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода [pic]:
[pic]. (3.3)
Емкость эмиттерного перехода [pic]:
[pic]. (3.4)
Собственная постоянная времени транзистора [pic]:
[pic]. (3.5)
Для удобства часто пользуются расчетами активных и реактивных составляющих
проводимостей по формулам, максимально использующим данные транзисторов.
При этом предварительно вычисляют входное сопротивление в схеме ОБ на
низкой частоте:
[pic], (3.6)
и граничную частоту по крутизне
[pic]. (3.7)
Вводя обозначения [pic] и [pic], расчет Y-параметров ведут по следующим
формулам:
[pic], [pic]; (3.8)
[pic]; (3.9)
[pic], [pic]; (3.10)
[pic]; (3.11)
[pic], [pic]; (3.12)
|
