Усилитель мощности

Министерство путей сообщения  Российской Федерации

Дальневосточный государственный  университет 

путей сообщения

 

 

 

 

 

Кафедра: «Телекоммуникации»

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 На тему «Усилитель  мощности»

 

КП         2107          15        237

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Титов А.М.

Проверил: Михеев А.И.

 

 

 

 

 

Хабаровск

2004

 

 

Содержание

Содержание……………………………………………………………………..2

Введение…………………………………………………………………….......3

Исходные данные……………………………………………………………...4

Выбор принципиальной схемы………………………………………….......5

1.Расчет усилителя мощности……………………………………………….6

   1.1Схема усилителя мощности……………………………………………....6

   1.2Расчет режима работы  и энергетический расчет......................................7

   1.3Расчет цепи питания  усилителя мощности..............................................10

   1.4Расчет цепи  смещения усилителя мощности...........................................11

2.Расчет выходной нагрузочной  системы усилителя мощности.............11

   2.1Электрический расчет  нагрузочной системы...........................................12

   2.2Конструктивный расчет  элементов нагрузочной системы.....................14

3.Связь с антенной............................................................................................16

Заключение.........................................................................................................17

Список литературы...........................................................................................18

Приложение 1......................................................................................................19

Приложение 2......................................................................................................20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Усилитель мощности

     Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В состав усилителя мощности входят активный элемент, согласующие цепи, цепи питания и смещения. Чтобы обеспечить максимальный к.п.д и максимальную мощность необходима произвести расчет усилитель мощности в оптимальном режиме. Для реализации такого режима необходимо правильно спроектировать внешние цепи усилителя – питания, смещения и согласования.

 

Усилители и  согласующие цепи

     Усилители необходимы, чтобы обеспечить требуемую мощность возбуждения каскадов, следующих за ними. Их необходимость определяется схемами реализации всех каскадов.

Согласующие цепи делятся на входные, выходные и межкаскадные.

Входная согласующая  цепь преобразует входное сопротивление  активного элемента в сопротивление  возбуждения (сопротивление необходимое  для нормальной работы возбудителя) при этом от возбудителя передается максимальная мощность. Так же входная согласующая цепь играет роль фильтра, обеспечивающего гармоническую форму напряжения или тока на входе активного элемента.

Выходная согласующая  цепь преобразует сопротивление  нагрузки усилителя в критическое  сопротивление на выходных электродах активного элемента, которое требуется для получения оптимального режима работы усилителя. Также выходная цепь применяется для фильтрации выходного напряжения активного элемента от высших гармонических составляющих.

Межкаскадные согласующие цепи применяются в многокаскадных радиопередатчиках для преобразования входного сопротивления АЭ последующего каскада в оптимальное сопротивление на выходных электродах АЭ предыдущего каскада.

 

Связь с антенной

     В диапазоне коротких волн используется очень большое количество разнообразных антенн направленных и ненаправленных. Для обеспечения работы антенны в диапазоне частот необходимо использоваться антенно – согласующее устройство связь с которым осуществляется фидером. Фидер предназначен для передачи высокочастотной энергии от источника к нагрузке. Исходя из технического задания в качестве фидера может использоваться коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, например РК-75.

Исходные данные

Задание: Спроектировать усилитель мощности радиостанции в диапазоне 150 МГц.

Р_вых= 10 Вт

Нагрузка : антенна-полуволновый вибратор с волновым сопротивлением 50 Ом

Выбор принципиальной схемы

Усилителями мощности называются схемы, которые, прежде всего, должны обеспечивать высокую выходную мощность; усиление по напряжению здесь является второстепенным фактором. Как правило, усиление по напряжению мощных каскадов близко к 1. Таким образом, усиление по мощности определяется в основном коэффициентом усиления по току. Выходное напряжение и выходной ток должны принимать как положительные, так и отрицательные значения. В своем курсовом проекте я выбрал схему, в которой транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Это обусловлено тем, что нам нужно получить в первую очередь усиление по мощности. Схема с общим эмиттером для этого подходит больше, нежели остальные схемы включения. К тому же при таком включении мы можем наблюдать высокое входное сопротивление. Схема усилителя мощности содержит нагрузочную систему. Тип транзистора,  по своим техническим характеристикам, полностью удовлетворяет наши требования.

1. Расчет усилителя  мощности

 

Требования к усилителю  мощности:

 

рабочая частота – 150 МГц;

выходная мощность –10 Вт.

 

В качестве активного  элемента в усилителе мощности будет  использоваться биполярный транзистор КТ930А т. к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на требуемой частоте. Параметры транзистора приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

 

1. Схема усилителя мощности.

 

Схема усилителя мощности приведена на рисунке 1.

 

 

Рис.1.

 

Назначение элементов схемы  усилителя мощности:

R1 и R2 - используются как делитель напряжения для обеспечения фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют частотную характеристику;

С1 и С5 – разделительные емкости;

L2 – блокировочная индуктивность;

С3 – блокировочная емкость;

L1 и С2 – входная согласующая цепь;

L3 и С3 – выходная согласующая цепь.

 

 

 

2. Расчет режима работы и энергетический расчет

 

Выбираем амплитуду  импульсов коллекторного тока i_{k max} из условия:

 

i_{k max} ≤ (0.8 … 0.9) ∙ i_{k доп},

 

где i_{k доп} – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.);

 

i_{k max} ≤ 0.8 ∙ 10 = 8 А.

 

Выбираем напряжение источника питания из условия:

 

Е_п ≤ U_{к доп} /2,

где U_{к доп} – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);

 

Е_п ≤ 50 / 2 = 25,           выбираем   Е_п = 10 В.

 

Рассчитываем напряженность  граничного режима работы активного  элемента ξ_гр

 

ξ_гр = 1- i_{к max} / S_гр∙ Е_п = 1- 8 / 1,6 ∙ 10 = 0.5,

 

где S_гр – крутизна граничного режима (справ.).

 

Найдем амплитуду импульсов  первой гармоники коллекторного  напряжения

 

U_k1 = ξ_гр ∙ Е_п = 0.5 ∙ 10 = 5 В.

 

Определим амплитуду  импульсов первой гармоники коллекторного  тока

 

I_k1 = α₁(θ)∙ i_{k max} = 0.5 ∙ 8 = 4 А,

 

где α₁(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора

 

I_k0 = α₀(θ)∙ i_{k max} = 0.318 ∙ 8 = 2.54 А,

 

где α₀(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Найдем мощность первой гармоники

 

P₁ = I_k1 ∙ U_k1 / 2 = 4 ∙ 5 / 2 = 10 Вт.

 

Определим мощность, потребляемую от источника питания

 

P₀ = I_k0 ∙ E_п = 2.54 ∙ 10 = 25,4 Вт.

 

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе

 

P_рас = Р₀ – Р₁ = 25,4 – 10 = 15,4 Вт.

 

Найдем к.п.д. усилителя

 

η = Р₁ / Р₀ = 10 / 25,4 = 0.394,  т.е 39,4%.

 

Определим амплитуду  управляющего заряда

 

Q_y1 = i_{k max} / [ω_гр ∙ ( 1- cos θ )]= 8 / [2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ ( 1- cos 90˚ )] = 12.73 ∙ 10^-9 Кл,

где ω_гр – граничная частота работы транзистора, θ – угол осечки коллекторного тока.

Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода

 

U_эп = u_отс – γ₀ (π –θ) ∙ Q_y1 /C_э = 1 – 0.5 ∙ 12.73 ∙ 10^-9 / 930 ∙ 10^-12 = -5,84 В,

 

где u_отс – напряжение отсечки,  γ₀ - коэффициент Берга, C_э – емкость эмиттерного перехода (справ.).

 

Определим минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе

 

u_{э min} = u_отс – (1 – cos (π –θ) ) ∙ Q_y1 / C_э = 1 – 12.73 ∙ 10^-9 / 930 ∙ 10^-12 = - 12.68 В.

 

Рассчитаем выходное сопротивление транзистора

 

R_k = U_k1 / I_k1 = 5 / 4 = 1,08 Ом.

 

Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается  входная емкость транзистора счет паразитной емкости коллекторного перехода

 

æ = 1 + γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ С_к ∙R_k = 1 + 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙60 ∙ 10^-12 ∙ 1,08 = 1.02,

 

где С_к – емкость коллекторного перехода.

 

Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость С_к

 

I_б1 = ω ∙ Q_y1 ∙ æ = 2 ∙ π ∙ 150 ∙ 10⁶ ∙ 12.73 ∙ 10^-9 ∙ 1.02 = 12,23 A.

 

Рассчитаем сопротивление  корректирующего резистора, подключаемого  параллельно входу транзистора, служащего для симметрирования  импульсов коллекторного тока

 

R_З = 1 / ω_β ∙ C_э = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ ∙ 930 ∙ 10^-12 = 34,24 Ом,

 

где ω_β – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле           ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока (15…30).

 

Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении

 

= 1,36 Вт.

 

Найдем входное сопротивление  транзистора

 

R_вх = γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ L_э / æ =  0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-9 / 1.02 = 0.3 Ом,

 

где L_э – индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).

 

Определим мощность, обусловленную  прямым прохождением мощности в нагрузку через L_э и связанную с R_вх

 

P^’’_вх =I²_б1 ∙ R_вх / 2 = 12,23² ∙ 0.3 / 2 = 22,43Вт.

 

Рассчитаем входную  мощность, требуемую для обеспечения заданной выходной мощности

 

P_вх = P^’_вх + P^’’_вх = 0.55 + 0.76 = 23,79Вт.

 

Найдем коэффициент  передачи по мощности усилителя

 

K_p = (P₁ + P^’’_вх) / P_вх = ( 10 + 22,43 ) / 23,79 = 1,36

 

Определим входную индуктивность  усилителя

 

L_вх = L_б + L_э / æ = 1 ∙ 10^-9 + 2 ∙ 10^-9 / 1.02 = 2нГн,

 

где L_б – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).

 

Рассчитаем входную  емкость усилителя

 

С_вх = æ ∙ С_э / γ₁ (π - θ) = 1.02 ∙ 930 ∙ 10^-12 / 0.5 = 1 нФ.

 

Найдем усредненное за период колебаний  сопротивление коррекции R_пар

 

R_пар = R_З ∙ γ₁ (π - θ) = 34,24 ∙ 0.5 = 17,12 Ом.

 

1.3  Расчет цепи питания усилителя мощности.

 

Выбор схемы цепи питания.

 

Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные  элементы. Благодаря блокировочным  элементам исключаются потери высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная связь между каскадами через источник питания.

В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему (рис. 2.), когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться, потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный ток.

 

 

Рис. 2.

 

Емкость С_бл с индуктивностью L_бл и емкостью С_р образуют колебательный контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют антипаразитный резистор R_ап и проектируют цепь питания как ФНЧ.

 

Определим блокировочную индуктивность из условия

 

ω_min ∙ L_бл >> R_k

 

L_бл >> R_k / ω_min = 1,08 / 2 ∙ π ∙ 150 ∙ 10⁶ = 29.3 ∙ 10^-9

 

L_бл = 1нГн.

 

Рассчитаем сопротивление  антипаразитного резистора из условия 

 

R_ап << 0.1 ∙ R_k = 0.1 ∙ 1,08 = 0.1

Определим емкость блокировочного и разделительного конденсаторов

 

С_бл = С_р = L_бл / 2 ∙ R_ап = 1 ∙ 10^-9 / 2 ∙ 0.1 = 5нФ.

 

 

1.4  Расчет цепи смещения усилителя мощности.

 

Выбор схемы цепи смещения.

 

Напряжение смещения биполярного транзистора в оптимальном  режиме зависит от входного напряжения, а следовательно от входной мощности.