Видеоусилитель

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)

[pic]; (3.13)

[pic], [pic]; (3.14)

[pic]. (3.15)

Высокочастотная эмиттерная коррекция

В некоторых случаях использование индуктивной коррекции оказывается

неудобным. Так, в частности, при микросхемном исполнении усилителя

затруднительно реализовывать корректирующую катушку [pic]. В этом случае

целесообразно воспользоваться схемой с частотно-зависимой ООС (Рисунок 3).

[pic]

Рисунок 3

В этой схеме роль частотно-зависимой цепи выполняют элементы [pic] и

[pic]. Величина емкости [pic] обычно выбирается таким образом, чтобы в

диапазоне НЧ и СЧ она мало шунтировала резистор [pic]. При этом за счет

[pic] на НЧ и СЧ образуется ООС по току. В области ВЧ из-за уменьшения

сопротивления цепи [pic], [pic] действие ООС ослабевает, что приводит к

подъему усиления на ВЧ.

Модуль коэффициента передачи схемы Рисунок 3 в области ВЧ описывается

выражением:

[pic], (4.1)

где [pic] - постоянная времени в области ВЧ каскада без коррекции; [pic] -

постоянная времени цепи эмиттерной коррекции:

[pic]; (4.2)

[pic] - глубина ООС:

[pic].

Для получения максимально широкой и плоской АЧХ при [pic] постоянную

времени цепи коррекции необходимо выбирать из условия:

[pic]. (4.3)

При этом верхняя граничная частота:

[pic]. (4.4)

Из выражений (4.2) и (4.4) следует, что расширение полосы пропускания

осуществляется за счет уменьшения коэффициента усиления. Это означает, что

площадь усиления каскада с эмиттерной коррекцией остается постоянной.

Расчет схемы производится следующим образом.

1. Задают значения коэффициента усиления [pic] и частота [pic], которые

должны обеспечивать рассчитываемый каскад, параметры нагрузки [pic],

[pic] и параметры транзистора [pic], [pic], [pic].

2. Определяют эквивалентную емкость [pic]:

[pic].

3. Рассчитывают необходимое значение глубины ООС:

[pic]. (4.5)

4. Находят необходимое значение коллекторного сопротивления:

[pic] (4.6)

5. Рассчитывают элементы цепи коррекции:

[pic]; (4.7)

[pic]. (4.8)

6. Сопротивление [pic], шунтируемое емкостью большого номинала [pic],

выбирается таким образом, чтобы суммарное сопротивление [pic] было равно

сопротивлению [pic]рассчитываемому исходя из требований термостабилизации

рабочей точки.

Низкочастотная коррекция цепочкой [pic]</