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 2011 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 .................................................................................. 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 ...................................................................................................... 18

Стабилизация режима работы усилительного каскада................................................................................ 18

Расчет предоконечных усилительных каскадов.......................................................................................... 19

Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию................................................................................ 20

Низкочастотна коррекция цепочкой ...................................................................................................... 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 ;

-      длительность импульса  мкс;

-      относительный скол вершины импульса – не более ;

-      относительная длительность фронта – не более ;

-      сопротивление нагрузки усилителя  кОм;

-      емкость нагрузки усилителя -  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: , который далее будет именоваться просто коэффициентом усиления  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  обеспечить требуемую верхнюю граничную частоту , а, следовательно, и площадь усилителя одного каскада

. (1.1)

Если многокаскадный усилитель с верхней граничной частотой  содержит  одинаковых каскадов, а искажения на верхних частотах распределены между каскадами равномерно, то связь между  и  устанавливается соотношением

, (1.2)

где  - функция, учитывающая уменьшение  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  связана с  всего усилителя соотношением

. (1.3)

Общий коэффициент усиления N-каскадного усилителя с учетом (1.1) и (1.2)

. (1.4)

Максимальная площадь усиления дифференциального каскада или каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе может быть оценена по формуле

, (1.5)

где высокочастотный параметр  определяется паспортными параметрами транзистора.

Если заданы  и , то, используя выражение (1.4) и ориентируясь на максимальную площадь усилителя , можно оценить необходимое количество каскадов усилителя, подобрав , удовлетворяющее условию:

. (1.6)

Полутора кратный запас по усилению учитывает, в частности, потери сигнала во входной цепи усилителя. Коэффициент  следует брать  - для простейших резистивных каскадов;  - 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 . Для усилителя из  однотипных каскадов  связано с требуемым временем установления  каждого из каскадов соотношением

. (1.7)

Формула (1.7) справедлива, если величина относительного выброса на один каскад не превышает критического .

Поскольку усилитель обычно содержит один или несколько одинаковых предварительных каскадов, а также выходной каскад и входную цепь с временем установления соответственно  и , то общее время установления .

Величина общего относительного скалывания и времени запаздывания N-каскадного усилителя определяется соответствующими параметрами каждого каскада и оценивается по формуле

; . (1.8)

Расчет апериодических и импульсных усилителей

Усиление низкочастотных и импульсных сигналов осуществляется апериодическими усилителями. Типовая схема двухкаскадного резистивного усилителя представлена на Рисунок 1.

Рисунок 1

Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:

-      , ,  обеспечивают выбранное положение рабочей точки (РТ) и температурную стабилизацию транзистора;

-      ,  осуществляют развязку каскада в диапазоне усиливаемых частот и повышают устойчивость работы усилителя;

-       разделяет усилительные каскады по постоянному току;

-       является коллекторной нагрузкой транзистора;

-       устраняет отрицательную обратную связь по переменному току;

-       проводимость потребителя.

При условии слабых сигналов, когда выходное напряжение  существенно меньше напряжения , 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:  - коэффициент усиления;  и  - верхняя и нижняя граничные частоты;  и  - уровень линейных искажений на частотах  и ;  и  - проводимость и сопротивление потребителя;  - выходное напряжение.

Расчет производится в следующей последовательности.

1.    Выбирают тип биполярного транзистора, позволяющего реализовать требуемый коэффициент усиления и полосу пропускания при заданных частотных искажениях:

, (2.1)

где , .

Определяют параметры транзистора , , , , ,  и  на средней частоте усиления.

2.    Находят нагрузочную коллекторную проводимость  для обеспечения заданного усиления и полосы пропускания:

, (2.2)

, (2.3)

. (2.4)

3.    Вычисляют входную проводимость и емкость усилительного каскада.

(2.5)

(2.6)

4.    Разделительную емкость  определяют по заданным искажениям  на нижней граничной частоте:

, (2.7)

где .

5.    И наконец находят емкость :

. (2.8)

При расчете усилителей импульсных сигналов с длительностью  задаются обычно временем установления фронта импульса  и его скалыванием . В этом случае элементы схемы  и  находятся из соотношений (2.3) и (2.7):

, (2.9)

. (2.10)

Особенность расчета промежуточных каскадов заключается в том, что их потребителем является последующий усилитель, входная проводимость  и емкость  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: