По курсу «Схемотехника аналоговых устройств»

Курсовой проект

По курсу «Схемотехника аналоговых устройств»

 

«Проектирование усилителя – фотоприёмника ВОСПИ»

 

Выполнил

Студент группы Р-07

Сорокопуд Андрей

Проверил:

Профессор А.Г.Алексеев

 

Санкт-Петербург

 

2012 г.

Содержание проекта

 

Требования к проектируемому устройству

Содержанием курсового проекта является проектирование широкополосного RC-усилителя, источником сигнала которого является генератор тока. Подобные усилители находят широкое применение помимо оптической связи в видеоаппаратуре, а также в блоках управления радио- и видеотехникой. Особенность проектирования заключается в том, что по ряду показателей – стабильности коэффициента усиления, динамическому диапазону входных сигналов и полосы пропускания, к усилителям предъявляются достаточно высокие требования.

1.2. Проектное задание

Задание на курсовой проект представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать устройство, работающее в режиме малого сигнала.

 

Требования технического задания

Классификационный индекс полевого транзистора КП 307 и его параметры:

· Uзи = –1В

· полевой транзистор КП 307Г

· нач. ток стока I_{c нач} = 16мА

· крутизна максимальная S_max = 12мА/В

· напряжение отсечки U_отс = –3,5В

· входная емкость Cзи = 5пФ

· проходная емкость Сзс = 1,5 пФ

Параметры биполярных транзисторов малой мощности типа n-p-n:

· тип транзистора – КТ 382 Б

· Р_к = 250мВт

· U_{кэ max} = 25В

· I_{к max} = 50мА

· h_21max = 500

· h_21min = 200

· f_т = 300МГц

· С_к = 8пФ

· τ_к = 300пс

Напряжение источника питания Eо, величина действующего значения выходного напряжения U_2Н и полоса пропускания:

· Источник питания Е₀ = 10В

· Выходное напряжение U_2Н = 2.5В

· Нижняя частота fн = 30кГц

· Верхняя частота fв = 2МГц

Тип микросхемы AD1 операционного усилителя (ОУ):

· тип ОУ OPA655

· частота единичного усиления f1=400МГц

· коэффициент усиления ОУ 55дБ

Конденсаторы С1 – С8 выбираются равными 3мкФ

Ток источника сигнала I_m1 = 1мкА

Сопротивление внешней нагрузки R_2Н=3кОм

Табл.1

Предварительный расчет резисторов по постоянному току

Предварительный расчет резисторов диода V1

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рис.2. Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода. На рис.2,б показана также нагрузочная линия. При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток. Он практически не создаёт падения напряжения на резисторах R1,R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается всё напряжение питания Е₀. При заданном уровне фототока исходная рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в точку А. Сопротивление фотодиода постоянному току в этой точке с координатами (I1, Uак) R_Д = Uак/I1 составяет несколько мегаом. Выберем напряжение анод-катод фотодиода |Uак|<E0, Uак=6В. Тогда на резисторах (R1+R2) должно быть падение напряжения, равное Eо–Uак. Задав напряжение на аноде Uа = 0,1Eо = 1В, определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде Uк = Uа+Uак = 7В. Зная фототок, вычисляем сопротивления резисторов R1 и R2:

Округлив значения резисторов по шкале номинальных значений (ШНЗ), получим:

R1 = 1МОм

R2 = 3,3МОм

Рис.3 Принципиальная схема цепей питания фотодиода а) и его типовая ВАХ б)

3.2 Предварительный расчет по постоянному току каскада на ПТ V2 (рис.3)

Справочные данные транзистора КП307, не указанные в исходных данных:

• ток утечки затвора: I_УТ.З = 1 нА
• сопротивление затвор-исток rзи = U_ЗИ/ I_УТ.З =1000 МОм.

Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис.3.

а) б)

Рис. 3 Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 а) и типовая ВАХ полевого транзистора с n-каналом б)

 

Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: начального тока стока Ic нач, максимальной крутизны Smax и напряжения отсечки Uотс.

Выбираем напряжение затвор-исток Uзи = -1 В. Определим ток покоя стока:

 

Выберем напряжение на истоке Uи = 0.2Eo = 2В, а напряжение сток-исток Uси = E0/2 = =5В. Тогда напряжение на стоке равно Uc = Uи+Uси = 7В. Отсюда сопротивления в цепи истока и стока:

Напряжение на затворе Uз = Uи + Uзи = 1В. Рассчитаем сопротивление R4, исходя из заданной верхней частоты fв . Так как частота верхнего среза входной цепи fвх должна быть больше fв , а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью С = Сд+Свх+См, где Сд – проходная емкость диода, Свх – входная емкость транзистора V2, См – емкость монтажа,

суммарная емкость С = 18 пФ,можно заключить, что необходимо взять

Примем R4 = 220Ом. Определим ток делителя I_Д2= U_З/R4 = 4,5мА. Находим сопротивление резистора R3 = (E0 – U_З)/I_Д2 = 2кОм.

Округлим значения резисторов по ШНЗ:

R3 = 2,2 кОм

R4 = 220 Ом

R5 = 390 Ом

R6 = 240 Ом

Расчет по сигналу

Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока. Учитывая, что сопротивление источника питания Е0 переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1, V2, V3, V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе.

Источником сигнала является фототок I_m1 диода V1. Сопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольт-амперной характеристике в точке А. Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току r_Д=∆u/∆i оказывается значительно больше, чем сопротивление постоянному току R_Д, и r_Д достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока. Чрезвычайно большое сопротивление r_Д учитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается учесть лишь ёмкость фотодиода С_Д (рис.9,а). На рис.8,б изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

а) б)

Рис.8 Модель фотодиода на переменном токе а) и эквивалентная схема входной цепи б)

Биполярные транзисторы V3 и V4 заменяем каждый активным четырехполюсником типа ИТУТ – источник тока, управляемый током (рис.9,б). Здесь выходной ток i_К управляется током базы i_б, т.е. i_к = -h₂₁ i_б.

В этой модели r_б’б – объёмное сопротивление базового слоя, Ом. Находим его из выражения r_б’б = τ_К/C_К. C_К – ёмкость коллекторного перехода, пФ, приводится в справочниках. r_б’э – сопротивление перехода база-эмиттер, Ом. Оно вычисляется по формуле:

,

где h₂₁- коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Cб’э –емкость перехода база-эмиттер, пФ. Она вычисляется по выражению:

,

где f _т – частота единичного усиления из справочника.

Применяем формулы к схеме:

Округляем значения по ШНЗ:

R16 = R18 = 39 Ом

R17 = 2,2 кОм

R19 = 1.5 кОм

C12 = 82 пФ

С14 = 120 пФ

АЧХ усилителя

 

Определим частотные свойства всего усилителя с помощью программы fastmean. Для этого найдем частотную функцию R(f)= U_ВЫХ/I1.

Рис.11 R(f)=U_ВЫХ/I1

Расчет показал, что fн ≤ fн т.з., а fв ≥ fв т.з., где fн т.з. = 30кГц, а fв т.з.=2МГц, значит спроектированный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания.

Литература:

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронныхустройств: Учебник для вузов. –2-е изд., исправ. – М.: Горячая линия – Телеком 2001.

2. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений.– М.: Издательский центр “Академия“,2008“.

3. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов/ В.А. Андреев и др.; под ред. О.В. Головина – М.: Радио и связь, 1993.

4. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. – 2е изд. – перераб. и доп. – М.: Радио и связь. 1983.

5. Алексеев А.Г., Климова П.В. К расчету резисторных каскадов. Методические указания. 2011. www.seusut.narod 2.ru

6. www. fastmean.ru. Официальный сайт программы FASTMEAN.

7. Алексеев А.Г., Климова П.В. Методические указания к курсовому проектированию предварительных каскадов RС – усилителей систем передачи информации. 2010. www.mts.sut.ru

 

 

Курсовой проект

По курсу «Схемотехника аналоговых устройств»

 

«Проектирование усилителя – фотоприёмника ВОСПИ»

 

Выполнил

Студент группы Р-07

Сорокопуд Андрей

Проверил:

Профессор А.Г.Алексеев

 

Санкт-Петербург

 

2012 г.

Содержание проекта

 

Требования к проектируемому устройству

Содержанием курсового проекта является проектирование широкополосного RC-усилителя, источником сигнала которого является генератор тока. Подобные усилители находят широкое применение помимо оптической связи в видеоаппаратуре, а также в блоках управления радио- и видеотехникой. Особенность проектирования заключается в том, что по ряду показателей – стабильности коэффициента усиления, динамическому диапазону входных сигналов и полосы пропускания, к усилителям предъявляются достаточно высокие требования.

1.2. Проектное задание

Задание на курсовой проект представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать устройство, работающее в режиме малого сигнала.

 

Требования технического задания

Классификационный индекс полевого транзистора КП 307 и его параметры:

· Uзи = –1В

· полевой транзистор КП 307Г

· нач. ток стока I_{c нач} = 16мА

· крутизна максимальная S_max = 12мА/В

· напряжение отсечки U_отс = –3,5В

· входная емкость Cзи = 5пФ

· проходная емкость Сзс = 1,5 пФ

Параметры биполярных транзисторов малой мощности типа n-p-n:

· тип транзистора – КТ 382 Б

· Р_к = 250мВт

· U_{кэ max} = 25В

· I_{к max} = 50мА

· h_21max = 500

· h_21min = 200

· f_т = 300МГц

· С_к = 8пФ

· τ_к = 300пс

Напряжение источника питания Eо, величина действующего значения выходного напряжения U_2Н и полоса пропускания:

· Источник питания Е₀ = 10В

· Выходное напряжение U_2Н = 2.5В

· Нижняя частота fн = 30кГц

· Верхняя частота fв = 2МГц

Тип микросхемы AD1 операционного усилителя (ОУ):

· тип ОУ OPA655

· частота единичного усиления f1=400МГц

· коэффициент усиления ОУ 55дБ

Конденсаторы С1 – С8 выбираются равными 3мкФ

Ток источника сигнала I_m1 = 1мкА

Сопротивление внешней нагрузки R_2Н=3кОм

Табл.1