Усилитель вертикального отклонения

Тип:
Добавлен:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет – УПИ”

Физико-технический факультет

Кафедра экспериментальной физики

Оценка проекта

Члены комиссии

УСИЛИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

140306 620000 005 ПЗ

Руководитель

доцент

Н.Ф. Школа

Нормоконтролер

ст. преподаватель

Е.Г. Новиков

Студент

Фт-438

С.К. Гриценко

2005

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Уральский государственный технический университет

Физико-технический факультет

Кафедра экспериментальной физики

ЗАДАНИЕ № _____

по курсовому проектированию

Студент группы__Фт-438________специальность______200.600________

Фамилия__Гриценко__________Имя_Сергей_________Отчество_Константинович

Руководитель курсового проектирования____Школа Н.Ф._________________

Срок проектирования с _______07.11.2005 по 29.12.2003_______

1. Тема курсового проекта ___ Усилитель вертикального отклонения _______ электронно-лучевого осциллографа_ _________

2. Содержание проекта (какие графические работы и расчеты должны быть выполнены)

2.1. Разработать электрическую принципиальную схему УВО.

2.2. Рассчитать элементы электрической принципиальной схемы УВО.

2.3. Разработать перечень элементов к электрической принципиальной схеме.

2.4. Оформить пояснительную записку.

2.5. Выполнить чертеж электрической принципиальной схемы УВО.

3. Особые дополнительные сведения

3.1. Сведения о входном сигнале: форма экспоненциальная, полярность - ,

амплитуда 0,01- 20 В, длительность 0,3 - 30 мкс,

скважность 5 .

3.2. Сведения о нагрузке: ЭЛТ 11ЛО3И ,

3.3. Требования к входным параметрам УВО: входная емкость, не более 20 пФ,

входное сопротивление, не менее 1000 кОм.

3.4. Сведения об источнике сигнала: внутреннее сопротивление 50 Ом.

3.5. Условия эксплуатации: температурный диапазон tmin= 10 C, tmax= 35 C.

4. План выполнения курсового проекта:

№ п/п

Наименование этапов проектной работы

Сроки

Примечание

Отметка о выполнении

1.

Разработка структурной схемы УВО, формулирование технических условий к каскадам, выбор схемотехники, задание регулировок.

7.11.05- 12.11.05

2.

Выбор принципиальной схемы оконечного каскада УВО и ее расчет

14.11.05- 20.11.05

3.

Выбор принципиальной схемы фазоинвертора и ее расчет

21.11.05- 27.11.05

4.

Выбор принципиальной схемы предварительного усилителя и ее расчет

28.11.05- 10.12.05

5.

Расчет входного каскада, аттенюатора, вспомогательных схем

12.12.05- 18.12.05

6.

Оформление ПЗ, чертежа ПС и ПЭ, Проведение нормоконтроля

19.12.05- 26.12.05

5. Курсовое проектирование закончено ____________________________

6. Оценка проекта _______________________________________________

Руководитель ______________Н.Ф.Школа

Утверждаю: Зав. кафедрой ____________А.В.Кружалов

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2. ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

3. ВВЕДЕНИЕ

4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Разработка структурной схемы УВО

4.2. Задание технических требований к УВО

4.3. Распределение параметров УВО по каскадам

4.4. Выбор схемотехники и расчет ОК

4.5. Выбор схемотехники и расчет фазоинверсного каскада

4.6. Выбор схемотехники и расчет каскада задержки

4.7. Выбор схемотехники и расчет предварительного усилителя

4.8. Выбор схемотехники и расчет входного каскада

4.9. Выбор схемотехники и расчет аттенюатора

4.10. Расчет диодного ограничителя

4.11. Расчет элементов питания ЭЛТ

4.12. Моделирование УВО в среде Micro-Cap 7

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2

4

5

6

6

8

10

12

25

28

31

36

38

43

44

45

47

48

49

52

54

55

56

57

60

2. ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ДК

КУ

ЛЗ

ОК

ОУ

ПУ

ПХ

ТВО

ТГО

ТЗ

УВО

ЧКД

ЭЛО

ЭЛТ

- дифференциальный каскад

- коэффициент усиления

- линия задержки

- оконечный каскад

- операционный усилитель

- предварительный усилитель

- переходная характеристика

- тракт вертикального отклонения

- тракт горизонтального отклонения

- техническое задание

- усилитель вертикального отклонения

- частотно-компенсированный делитель

- электронно-лучевой осциллограф

- электронно-лучевая трубка

3. ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта является проектирование тракта вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа. Проектируемый усилитель должен удовлетворять техническому заданию, содержащим сведения об источнике сигнала, условиях эксплуатации, нагрузке, требования к входным параметрам усилителя.

Проектируемый УВО может иметь широкое практическое применение. Так, например, в роли источника сигнала может выступать какой-либо датчик, параметры которого (форма, амплитуда, длительность, скважность сигнала) заранее известны. Для визуального наблюдения принятого сигнала используется ЭЛТ осциллографа.

4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Разработка структурной схемы УВО.

С целью реализовать требования ТЗ была выбрана структурная схема, представленная на рис. 4.1.

Рис.4.1. Структурная схема УВО

В соответствии с рисунком УВО содержит:

4.1.1. Входной аттенюатор – делитель напряжения, предназначенный для дискретного изменения масштаба (коэффициента отклонения) по вертикали на экране ЭЛТ. Основное требование к аттенюатору: обеспечение заданного коэффициента деления входного напряжения с требуемой точностью в полосе пропускания УВО.

4.1.2. Входной каскад является согласующим, служит трансформатором сопротивления и должен обеспечивать высокое входное сопротивление и малую входную емкость в любом положении аттенюатора, низкое выходное сопротивление каскада, широкую собственную полосу пропускания.

4.1.3. Предварительный усилитель обеспечивает усиление входного сигнала до величины, достаточной для работы оконечного усилителя. В этом блоке ТВО осуществляется управление сдвигом постоянного уровня усиливаемого сигнала, дискретная регулировка усиления, а также плавная регулировка усиления, предназначенная для предэксплуатационной настройки осциллографа.

4.1.4. Узел задержки обеспечивает возможность наблюдать передний фронт импульса, для чего он задерживается в цепи ТВО на время срабатывания ТГО, с тем, чтобы вертикальное отклонение луча не опережало горизонтальную развертку осциллографа.

4.1.5. Фазоинверсный каскад предназначен для согласования несимметричного выхода предварительного усилителя с дифференциальным выходом оконечного каскада. Фазоинвертор позволяет получить два выходных сигнала, равные по амплитуде и противоположные по фазе.

4.1.6. Оконечный каскад УВО нагружен на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ. Его коэффициент усиления задают максимально возможным для исключения режима большого сигнала предоконечного каскада. Требования к ОК предъявляются противоречивые: он должен обеспечивать широкую полосу и большую амплитуду импульсов на емкостной нагрузке.

4.2. Задание технических требований к УВО.

Исходя из ТЗ, сформулируем технические требования, предъявляемые ко всему проектируемому усилителю:

4.2.1. Выходное напряжение усилителя Uвых.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

Uвых = A/SY,

(1)

где Uвых – выходное напряжение, В;

А – размер изображения, мм;

SY – чувствительность пластин ЭЛТ, мм/В.

А = 50 мм;

SY = 0,7 мм/В – значения берем из документации к ЭЛТ ;

Uвых = 71,43 В.

Возьмем выходное напряжение с 10 %-м запасом:

Uвых = 80 В.

4.2.2. Коэффициент усиления номинальный K0.

К0 = Uвых max/Uвх min,

(2)

где К0 – номинальный коэффициент усиления;

Uвых max – максимальное выходное напряжение, В;

Uвх min – минимальная амплитуда входного импульса, В.

Uвых max = 80 В – значение рассчитано в п.4.2.1.;

Uвх min = 0,01 В – берем из ТЗ;

К0 = 8000.

4.2.3. Допустимые искажения tф.

tф < 0,1tи min ,

(3)

где tф – длительность фронта, мкс;

tи min – минимальная длительность входного импульса, мкс.

tи min = 0,3 мкс – берем из ТЗ;

tф< 0,03 мкс.

4.2.4. Верхняя граничная частота fв.

fв > 0,35/tн ,

(4)

где fв – верхняя граничная частота УВО, МГц;

tн – время нарастания ПХ, мкс.

tн = tф = 0,03 мкс – значение рассчитано в п. 4.2.3.;

fв> 11,67 МГц.

Примечание. Расчет нижней граничной частоты fн не проводился, т.к. по проектируемой схемотехнике УВО связь между каскадами – гальваническая, а все каскады являются усилителями постоянного тока.

4.2.5. Параметры нагрузки УВО Rн и Сн.

Rн = Rвх ЭЛТ – входное сопротивление ЭЛТ;

Rн = 1000 кОм – задали самостоятельно, т.к. нагрузка – емкостная.

Сн = Свз + 2Спл ,

(5)

где Сн – емкость нагрузки УВО, пФ;

Свз – емкость взаимосвязи пластин ЭЛТ;

Спл – емкость пластин ЭЛТ.

Свз = 4 пФ;

Спл = 4 пФ – значения берем из документации на ЭЛТ;

Сн = 12 пФ.

4.2.6. Входные параметры УВО Rвх и Свх.

Rвх< 1000 кОм – берем из ТЗ;

Свх < 20 пФ – берем из ТЗ.

4.2.7. Рабочий диапазон температур окружающей среды:

Берем значения из ТЗ:

tсрmin = 10 ºC– минимальная температура окружающей среды;

tсрmax = 35 ºC– максимальная температура окружающей среды.

4.3. Распределение параметров УВО по каскадам.

Проектирование и расчет будут проводиться последовательно для каждого из звеньев УВО. Поэтому, необходимо знать технические требования для каждого из каскадов в отдельности. Получим их, исходя из технических требований к УВО, рассчитанных в п.4.2.

4.3.1. Коэффициенты усиления каскадов.

КУ многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов каждого из каскадов в отдельности. Поэтому, в данном случае он рассчитывается по формуле:

Кобщ = КВХКПУКЛЗКФИКОК ,

(6)

где Кобщ – КУ номинальный УВО;

КВХ – КУ входного каскада;

КПУ – КУ предварительного усилителя;

КЛЗ – КУ линии задержки;

КФИ – КУ фазоинверсного каскада;

КОК – КУ оконечного каскада.

КУ оконечного каскада выбрали наибольшим, исходя из требования, что на его входе должен быть малый сигнал, значение которого приняли равным 1,2 В. Коэффициенты усиления последующих каскадов выбирали исходя из прогнозируемой схемотехники и условия обеспечения заданного КУ всего усилителя.

Рассчитанные КУ для каждого из каскадов приведены в табл. 4.1. наряду с выходными напряжениями и другими техническими требованиями. Отметим, что общий КУ, рассчитанный по формуле (6) составляет: Кобщ = 8147, что с небольшим запасом превышает значение, рассчитанное в п. 4.2.2. Превышение вызвано тем, что при вычислениях округления проводили в большую сторону.

4.3.2. Допустимые искажения.

Верхняя граничная частоты многокаскадного усилителя определяется выражением:

fвобщ = ,

(7)

где fвобщ – верхняя граничная частота всего УВО, МГц;

fвi – верхняя граничная частота i-го каскада, МГц.

Искажения определяются подкоренным выражением в формуле (7). Наибольшие искажения вносят оконечный каскад – 60% и предварительный усилитель – 30%. Фазоинверсный каскад вносит примерно 5% искажений. Оставшиеся распределим поровну между входным каскадом и линией задержки.

Отметим, что ПУ будет двухкаскадным, исходя из большого коэффициента усиления и прогнозируемой схемотехники. Поэтому искажения, вносимые им, распределим поровну между его каскадами.

Длительность фронта, определяемая временем нарастания ПХ, рассчитывалась по формуле (4). Верхняя граничная частота и длительность фронта для каждого из каскадов представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Вход. каскад

ПУ

ЛЗ

ФИ

ОК

УВО

К1

К2

Uвых, В

0,009375

0,06

0,6

0,3

1,2

80

80

K0

0,95

6,4

10

0,5

4

67

8000

fв, МГц, не менее

73,8

30,2

30,2

73,8

52,2

15,07

11,67

tф, нс, не более

5

12

12

5

7

23

30

4.4. Выбор схемотехники и расчет ОК.

Для реализации требований к ОК выполним его по схеме каскодного дифференциального каскада с эмиттерной коррекцией, как представлено на рис.4.2.

Рис. 4.2. Каскодный ДК с эмиттерной коррекцией

4.4.1. Определение выходного напряжения ОК.

Выходное напряжение с плеча каскодного ДК – максимальная амплитуда сигнала с одного плеча ДК:

,

(8)

где Uпл, вых – максимальная амплитуда сигнала с плеча ДК, В;

Uоткл – максимальное выходное напряжение, отклоняющее луч по оси Y, В.

Uоткл = 80 В – выходное напряжение УВО, рассчитанное в п.4.2.1.

Uпл, вых = 40 В.

Максимальное напряжение одного плеча каскодного ДК Uпл, max – напряжение линейного диапазона одного плеча ДК:

,

(9)

где Uпл, max– максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

Uпл, вых = 40 В – значение рассчитано в п.4.4.1;

Uпл, max = 120 В.

4.4.2. Выбор транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4.

Транзисторы VT1 и VT2 выбираем из числа ВЧ- транзисторов средней или большой мощности по условию:

Uke max > Uпл, max ,

(10)

где Ukemax – максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора, В;

Uпл, max– максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

Выберем транзисторы VT1 и VT2: BF257 фирмы SGS-THOMSON, параметры которого представлены в приложении 2.

Транзисторы VT3 и VT4 выбираем с минимальным значением τß по условию:

fT > 3/tн ОК ,

(11)

где fT – частота единичного усиления транзистора, МГц;

tн – заданное время нарастания ОК, мкс.

tн = 0,023 мкс;

fT > 130 МГц.

Выберем транзисторы VT3 и VT4: 2SC3597 фирмы SANYO, параметры которых представлены в приложении 3. Максимально-допустимые коллекторные токи транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4 должны быть примерно равны.

4.4.3. Задание изменения коллекторного тока в нагрузке и выбор коллекторной нагрузки.

Коллекторные сопротивления R2 и R3 выбираем из условия:

Rk > Uпл max / Iвых max ,

(12)

где Rk – сопротивление в цепи коллектора, кОм;

Uпл max– максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

Iвых max – максимальный выходной ток, определяемый максимальным коллекторным током транзисторов, мА.

Uпл max = 120 В – значение рассчитано в п. 4.4.1;

Iвых max = 65 мА – берем из технической документации на транзисторы в приложениях 2 и 3 с 35%-м запасом.

Rk > 1,84 кОм.

Выберем значение 1,87 кОм из ряда номинальных значений E96.

R2 = R3 = 1,87 кОм.

4.4.4. Задание рабочих точек транзисторов.

Рассчитаем ток коллектора Iк2р транзисторов VT1 и VT2 в рабочей точке из условия:

,

(13)

где Iкр – ток коллектора в рабочей точки транзисторов VT1 и VT2, мА;

Iвых max – максимальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2, мА;

ΔIкдоп – допустимое изменение тока рабочей точки от дестабилизирующих факторов, в т.ч. от температуры, мА.

Iвых max = 65 мА;

ΔIкдоп = 0,0001 мА – берем из технической документации на транзистор BF257, представленной в прил.2;

Iк2р > 32 мА.

Выберем Iк2р = 30 мА.

Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер Uke транзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:

,

(14)

Ukemax = Uпл max = 120 В – рассчитано в п.4.4.1;

Uke < 60 В.

Выберем Uke = 42 В.

Вычислим ток коллектора Iк1р транзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:

Iк1р = Iк2р2 = Iк2р (1+ß2)/ß2 ,

(15)

где ß2 – коэффициент передачи тока базы транзисторов VT1 и VT2.

Iк2р = 32 мА;

ß2 = 25 – берем из технической документации на транзистор BF257, представленной в прил.2;

Iк1р = 31,2 мА.

Зададим постоянное напряжение Eb1 на базе транзисторов VT3 и VT4 исходя из предполагаемой схемы предшествующего каскада:

Eb1 = 0 В.

Выберем постоянное напряжение Eb2 на базе транзисторов VT1 и VT2, обеспечивающее паспортный режим транзисторов VT3 и VT4:

Eb2 = 5 В.

Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер Uke1 транзисторов VT3 и VT4 по формуле:

Uke1 = Eb2 - Eb1

(16)

Uke1 = 5 В.

4.4.5. Расчет напряжения между шиной питания и эмиттером транзисторов VT3, VT4.

Рассчитаем напряжение E*k по формуле:

,

(17)

где E*k – напряжение между шиной питания и эмиттером транзисторов, В;

Uke = 5 В – рассчитано в п.4.4.4;

Uke = 42 В – рассчитано в п.4.4.4;

Rk = 1,87 кОм – рассчитано в п. 4.4.3;

Ik = 30 мА – рассчитано в п. 4.4.4;

E*k = 101 В.

4.4.6. Расчет параметров транзисторов.

Рассчитаем параметры rb re, Si, S, h11e, h22e, Ck, tb,tT транзисторов VT1, VT2 (BF257).

Входное сопротивление рассчитывается по формуле:

,

(18)

где rb - объемное сопротивление базы, Ом;

rbe- сопротивление внутренняя база - эмиттер, Ом;

re - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, Ом.

h11e = 227,8 Ом.

Сопротивление базы:

rb = 10 Ом – берем из справочных данных на транзистор (см. прил.2.).

Сопротивление эмиттера рассчитывается по формуле:

,

(19)

Где - температурный потенциал, мВ;

Iep- ток эмиттера в рабочей точке, мА.

= 26 мВ

Iep= Ik1p = 31,2 мА,

re = 0,833 Ом.

Крутизна прямой передаточной характеристики:

(20)

Si = 1154 мА/В.

Внутренняя (физическая) крутизна транзистора:

(21)

S = 789 мА/В.

Емкость коллекторного перехода транзистора в р.т.:

,

(22)

где Сk0 – значение емкости коллекторного перехода при Uke= Uke0;

Uke0 – напряжение коллектор-эмиттер;

Uke – напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке.

Сk0 = 10,3 пФ,

Uke0 = 1 В – значения берем из технической документации на транзистор (см. прил.2.);

Uke = Uke = 42 В – рассчитано в п.4.4.4;

Сk = 1,59 пФ.

Частота единичного усиления транзистора:

fТ = 90 МГц – берем из технической документации (см. прил.2)

.

(23)

Из формулы следует, что τТ = 1,769 нс.

Граничная частота коэффициента передачи тока базы:

.

(24)

fß = 3,46 МГц.

τß= 46 нс.

Диффузионная емкость эмиттера:

.

(25)

Cbe = 2,12 нФ.

Граничная частота крутизны транзистора:

,

(26)

где = 2 нс.

fs = 160 МГц.

Граничная частота передачи тока эмиттера:

.

Рассчитаем параметры rb re, Si, S, h11e, h22e, Ck, tb,tT транзисторов VT3, VT4 (2sc3597).

Входное сопротивление рассчитывается по формуле (18):

h11e = 76,5 Ом.

Сопротивление базы:

rb = 10 Ом – берем из справочных данных на транзистор (см. прил.3.).

Сопротивление эмиттера рассчитывается по формуле (19):

= 26 мВ

Iep= Ik1p= 30 мА,

re = 0,867 Ом.

Крутизна прямой передаточной характеристики рассчитывается по формуле (20):

Si = 1200 мА/В.

Внутренняя (физическая) крутизна транзистора рассчитывается по формуле (21):

ß = 110 – берем из технических характеристик транзистора (см. прил.3)

S = 1035мА/В.

Внутреннее сопротивление транзистора ОЭ при управлении от идеального источника напряжения (внутреннее сопротивление источника Rg = 0)

,

(27)

где rk* - сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ, Ом

Ua – напряжение Эрли, обусловленное крутизной транзистора, В.

Ua = 80,7 В – значение получено при создании SPICE-модели транзистора;

Ikр = Ik = 30 мА – рассчитано в п.4.4.4.

rk* = 2,69 кОм.

Отсюда получаем значение:

h22e = 0,37 мА/В.

Внутренняя проводимость транзистора в каскаде ОЭ при управлении от источника напряжения с ненулевым внутренним сопротивлением ():

,

(28)

где Rg – сопротивление генератора.

Rg = 51 Ом -задаем низкое выходное сопротивление предшествующего каскада;

gig = 0,15 мА/В.

Емкость коллекторного перехода транзистора в р.т. рассчитываем по формуле (22):

Сk0 = 14,57 пФ,

Uke0 = 0,6 В – значения берем из технической документации на транзистор (см. прил.3.);

Uke = Uke = 5 В – рассчитано в п.4.4.4;

Сk = 5,05 пФ.

Частота единичного усиления транзистора:

fТ = 800 МГц – берем из технической документации (см. прил.3)

Из формулы (23) следует, что τТ = 200 пс.

Граничная частота коэффициента передачи тока базы рассчитывается по формуле (24):

fß = 7,27 МГц.

Из формулы (24) следует: τß= 21 нс.

Диффузионная емкость эмиттера рассчитывается по формуле (25):

Cbe = 218 пФ.

Граничная частота крутизны транзистора рассчитывается по формуле (26):

где = 2,74 нс.

fs = 58 МГц.

Граничная частота передачи тока эмиттера:

.

4.4.7. Расчет емкости нагрузки.

Согласно формуле (5) емкость нагрузки равна:

Сн = 12 пФ.

4.4.8. Выбор сопротивления Rg источника сигнала ОК.

Сопротивление источника сигнала – выходное сопротивление предшествующего каскада. Исходя из предполагаемой схемотехники:

Rg = 50 Ом.

4.4.9. Выбор эмиттерного сопротивления R7 и R8 в цепи коррекции.

Выбираем из условия отсутствия выброса на ПХ оконечного каскада в апериодическом режиме:

,

(29)

где Rbg –сопротивление источника сигнала, Ом;

Re < 84,8 Ом.

Выберем R7 и R8 = 23,7 кОм из ряда E96.

4.4.10. Выбор емкости С1 коррекции.

Рассчитаем емкость коррекции по формуле:

,

(30)

С1 = 624 пФ. Выберем эту емкость подстроечной.

4.4.11. Определение верхней граничной частоты каскада.

Постоянная времени каскада в области ВЧ для режима компенсации полюса нулем:

,

(31)

τbpz = 2,4 нс.

Время нарастания ПХ определяем по формуле:

τнар = 2,2τbpz,

(32)

τнар = 5,28 нс.

Из полученного значения получаем верхнюю граничную частоту исходя из выражения:

,

(33)

fв = 30,1 МГц.

4.4.12. Расчет КУ в области СЧ.

Вычислим КУ по формуле:

,

(34)

K=71,2.

4.4.13. Расчет каскада по постоянному току.

Рассчитаем изменение напряжения база-эмиттер Ube при изменении температуры в заданном интервале:

,

(35)

Где - температурный коэффициент;

t1 = 10 ºC;

t2 = 35 ºC – значения берем из ТЗ.

ΔUbe = 55 мВ.

Рассчитаем изменение коэффициента передачи тока базы ß при изменении температуры в заданном интервале:

,

(36)

где а = 1%/ ºC.

Δß=30.

Рассчитаем изменение теплового тока коллекторного перехода ΔIkT при изменении температуры в заданном диапазоне:

,

(37)

где IkT (t0) – обратный тепловой ток коллекторного перехода при температуре окружающей среды t0 = 25 ºC.

IkT (t0) = 0,1 мкА – значение берем из технической документации на транзистор (см. прил. 3);

ΔIkT = 0,24 мкА.

Рассчитаем полное сопротивление эмиттерной цепи, необходимое для достижения требуемой температурной стабильности:

,

(38)

где = 0,37 мкА;

Rbe – внешнее сопротивление цепи базы (сопротивление генератора)

Ni – коэффициент температурной нестабильности.

Зададим значение Ni = 3.

Rэр = 398 Ом.

Выбор режимного сопротивления R9:

,

(39)

R9 = 187 Ом. Выберем значение R9 = 182 Ом из ряда номинальных значений Е96.

Определение входного импеданса каскада:

Входное сопротивление оценим по формуле:

,

(40)

Rвх = 280 Ом.

Входная емкость определяется по формуле:

,

(41)

где Co – эквивалентная входная динамическая емкость каскада, вычисляемая по формуле:

,

(42)

F – фактор связи, определяемый выражением:

,

(43)

F = 22,87

Ck – емкость коллекторного перехода;

Сk = 1.5пФ

C0 = 3,34 нФ.

Свх = 147 пФ.

4.4.14. Расчет режимных параметров каскада.

Мощности резисторов

1. Коллекторная цепь (R2, R3):

PRk= Ikp2Rk = 1,683 Вт.

2. Эмиттерная цепь:

PRe = IRpt2Rpt+IRoc2Roc = 0,677 Вт.

3. Общая потребляемая мощность от источника питания:

P = PRk+ PRe = 2,36 Вт.

4. Рабочие напряжения конденсаторов:

Для ёмкости цепи обратной связи:

UCe = IerRer = 0,711 В.

5. Ток потребления от источника питания:

Iпот = 2Ikr = 60 мА

6. Расчет цепи базы транзисторов VT1 и VT2.

Потенциал базы определяется выражением:

Uб = Eп1*R4/(R1+R4),

(44)

где Eп1 – напряжение «верхнего» источника питания, В. (см. рис. 4.2.).

Eп1 = 100 В.

Исходя из этого, выберем следующие значения сопротивлений:

R1 = 33 кОм из ряда номинальных значений E24;

R1 = 2 кОм из ряда номинальных значений E24.

При этом ток делителя должен быть много больше тока базы. Ток базы является микроамперным. Ток делителя определяется выражением:

Iдел = Eп1/(R1+R4).

(45)

Iдел = 2,86 мА.

Таким образом, условие Iдел >> Iб выполняется.

4.5. Выбор схемотехники и расчет фазоинверсного каскада.

4.5.1. Выбор схемотехники.

Требования к параметрам ФИ приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Требования, накладываемые на ФИ

Uвых, В

К0

fв, МГц, не менее

tф, нс, не более

1,2

4

50

200

Для реализации требований к ФИ выполним его по схеме двух усилителей на ОУ, один из которых является инвертирующим, другой – неинвертирующим (см. рис.4.3). Ознакомившись с характеристиками современных ОУ, было решено построить фазоинверсный каскад на операционных усилителях LM7171A_NS фирмы National Semiconductor. Параметры используемых ОУ приведены в приложении 4.

Рис. 4.3. Фазоинверсный каскад

4.5.2. Выбор сопротивлений R2 и R3 неинвертирующего усилителя.

Параметры неинвертирующего усилителя на ОУ определяются исходя из выражения:

Kн = R3/R2 + 1,

(46)

где Kн – КУ неинвертирующего усилителя;

R2, R3 – сопротивления в цепи обратной связи (см. рис. 4.3), Ом.

Кн = 2;

R2 = R3 = 511 Ом из ряда номинальных значений E96.

4.5.3. Выбор сопротивлений R4 и R5 инвертирующего усилителя.

Параметры инвертирующего усилителя на ОУ определяются исходя из выражения:

Kи = - R5/R4 ,

(47)

где Kи – КУ инвертирующего усилителя;

R4, R5 – сопротивления в цепи обратной связи (см. рис. 4.3), Ом.

Ки = -2;

R5 = 1,5 кОм из ряда номинальных значений E96;

R4 = 750 Ом из ряда номинальных значений E96.

4.5.4. Оценка погрешности по постоянному току неинвертирующего усилителя.

Оценим погрешность по постоянному току для DA1 по формуле:

Eош.вх = Uсм+Jсм + Jсдв,

(48)

где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое выражением:

Uсм = Uсм0+CDT,

(49)

где Uсм0 – справочное значение напряжения смещения нуля, 4мВ; С– дрейф нуля, мкВ/°С;

DT – диапазон рабочих температур, °С; Jсм – ток смещения, мкА;

Jсдв – ток сдвига, мкА. DT = 25°С;

Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:

Uсм0 = 4мВ;

С = 35мкВ/°С; Jсм = 4мкА;

Jсдв = 10мкА;

Eош.вх.DA1 = 8,452 мВ.

4.5.5. Оценка погрешности по постоянному току инвертирующего усилителя.

Оценим погрешность по постоянному току для DA2 по формуле:

Eош.вх = Uсм+Jсм + Jсдв,

(50)

DT = 25°С;

Uсм0 = 4мВ;

С = 35мкВ/°С; Jсм = 4мкА;

Jсдв = 10мкА;

Eош.вх.DA2 = 11,875 мВ.

Примечания:

1. Погрешности обоих ОУ малы по сравнению с амплитудой сигнала на выходе ФИ, которая составляет 1,2 В (см. табл. 4.1).

2. Требуемую верхнюю граничную частоту и длительность фронта фазоинверсного каскада обеспечивают соответственно частота единичного усиления и скорость нарастания выходного напряжения используемого ОУ (см. прил.4).

4.5. Выбор схемотехники и расчет каскада задержки.

4.5.1. Выбор схемотехники.

Требования к параметрам каскаду линии задержки приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Требования, накладываемые на ЛЗ

Uвых, В

К0

fв, МГц, не менее

tф, нс, не более

0,3

0,5

73,8

5

Для реализации требований, накладываемых на ЛЗ, была выбрана схемотехника согласованной линии задержки, представленной на рис. 4.4.

Рис.4.4. Каскад задержки

4.5.2. Исходные данные для расчета ЛЗ.

§ Волновое сопротивление ρ = 100Ом;

§ Время задержки τз = 100нс;

§ Число рядов n = 2;

§ Толщина подложки d =0,22мм;

§ Диэлектрическая проницаемость ε = 2;

§ Ширина звена а = 1мм;

§ Высота звена b = 2мм;

§ Расстояние между рядами у = 3мм.

4.5.3. Расчет параметров ЛЗ.

Определение погонной емкости:

С0 = 10-11 ∙ε (1+a/d).

(51)

С0 = 110,909пФ.

Определение погонной индуктивности.

L0 = ρ2 ∙C0.

(52)

L0 = 1,109мкГн

Коэффициент связи между звеньями:

Ксв = 0,5∙exp(107∙L0/8).

(53)

Кcв = 2.

Высота звена:

m = 1/(π∙fs∙(L0∙C0)0.5).

(54)

m = 42мм.

Время задержки сигнала обусловленное одним звеном:

Тзв = m∙(L0∙C0)0.5.

(55)

Тзв = 0,4684нс.

Общее число звеньев:

s = τз/Тзв.

(56)

s = 213,503.

4.5.4. Расчет условий согласования ЛЗ.

Условием согласования ЛЗ является равенства выходного сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки волновому сопротивлению ЛЗ.

Источником сигнала является ОУ предшествующего каскада, выходное сопротивление которого является бесконечно малым по отношению к волновому сопротивлению ρ линии задержки (см. п.4.5.2.). Поэтому последовательно с источником сигнала ставится резистор, значение сопротивления которого составляет:

R1 = 100 Ом.

Выходное сопротивление каскада задержки – входное сопротивление фазоинверсного каскада. Напомним, что на входе последнего стоят два ОУ, у которых входное сопротивление бесконечно большое по отношению к волновому сопротивлению ЛЗ. Поэтому параллельно ФИ ставят резистор с сопротивлением, равным волновому:

R2 = 100 Ом.

Значения R1 и R2 выберем из ряда номинальных значений E24.

4.6. Выбор схемотехники и расчет предварительного усилителя.

Требования к предварительному усилителю приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Требования, накладываемые на ПУ

Uвых, В

К0

fв, МГц, не менее

tф, нс, не более

0,6

64

21,35

17

4.6.1. Выбор схемотехники.

Для реализации требований, накладываемых на ОУ, было принято решение выполнить его по схеме двухкаскадного усилителя на ОУ. При этом схема должна осуществлять дискретную регулировку усиления (с коэффициентами деления 1:1, 1:2 и 1:5), плавную регулировку усиления – для настройки всего УВО, а также систему, осуществляющую сдвиг постоянного уровня для обеспечения сдвига наблюдаемого сигнала «вверх-вниз» на экране ЭЛТ. Последняя реализована по схеме сумматора. Вся схема представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Предварительный усилитель

Для достижения необходимых частотных свойств усилителя в нем применен ОУ LM7171A_NS фирмы National Semiconductor, параметры которого приведены в прил. 4.

4.6.2. Расчет каскада на ОУ DA1.

Каскад выполнен по схеме неинвертирующего каскада, КУ которого определяется по формуле (45). Требуемый коэффициент:

Kн = 6,4.

Исходя из этого, выбрали следующие значения сопротивлений из ряда номинальных значений E96.

R1 = 511 Ом;

R2 = 2,74 кОм.

Оценим погрешность по постоянному току для DA1 по формуле:

Eош.вх = Uсм+Jсм + Jсдв,

(57)

где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).

Jсм – ток смещения, мкА;

Jсдв – ток сдвига, мкА. DT = 25°С;

Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:

Uсм0 = 4мВ;

С = 35мкВ/°С; Jсм = 4мкА;

Jсдв = 10мкА;

Eош.вх.DA1 = 10,91 мВ.

На выходе УВО будем иметь погрешность:

Eош.вх.DA1*10*0,5*4*67 = 14,6 В.

4.6.3. Расчет каскада на ОУ DA2.

Каскад выполнен по схеме инвертирующего каскада, КУ которого определяется по формуле (46). В этом каскаде осуществляется дискретная регулировка усиления, кратная соотношению 1:2:5. Максимальный КУ усилителя составляет:

K1и = 10.

Следовательно:

K2и = 5;

K3и = 2,5.

Исходя из этого, выбрали следующие значения сопротивлений из ряда номинальных значений E96.

R4 = 511 Ом;

R5 = 1,02 кОм (КУ = K3и = 2,5);

R6 = 2,04 кОм (КУ = K2и = 5);

R7 = 5,11 кОм (КУ = K1и = 10);

Максимальная погрешность будет при КУ = K1и = 10. Оценим ее:

Eош.вх = Uсм+Jсм + Jсдв,

(58)

где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).

Jсм – ток смещения, мкА;

Jсдв – ток сдвига, мкА. DT = 25°С;

Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:

Uсм0 = 4мВ;

С = 35мкВ/°С; Jсм = 4мкА;

Jсдв = 10мкА;

Eош.вх.DA2 = 11,38 мВ.

На выходе УВО будем иметь погрешность:

Eош.вх.DA2*0,5*4*67 = 1,52 В.

Смещение, вносимое ОУ DA1 и DA2, можно скомпенсировать схемой сдвига уровня, реализованной по схеме сумматора на ОУ DA3.

4.6.4. Расчет каскада на ОУ DA3.

Каскад выполнен по схеме инвертирующего усилителя. В этом каскаде осуществляется плавная регу

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.