Введение
Аппаратура систем передачи содержит большое число усилителей электрических сигналов. Наиболее сложными являются линейные усилители, которые устанавливаются на промежуточных усилительных пунктах и служат для компенсации затухания прилегающих к усилительному пункту участков линии связи. Параметры линейных усилителей в значительной степени определяют основные качественные показатели системы передачи в целом.
Исходными данными для проектирования линейных усилителей служат следующие основные параметры, задаваемые в технических требованиях; рабочий диапазон частот, номинальное усиление, входные и выходные сопротивления, затухание нелинейности, нестабильное усиление и др.
Рабочий диапазон частот линейных усилителей определяется линейным спектром системы передачи. Так, в системе передачи К-60П линейный усилитель работает в диапазоне 12–125 кГц, в системе передачи К-120 усилитель в одном направлении работает в диапазоне 60–552 кГц, а в другом – в диапазоне 812–1304 кГц (в задании в учебных целях рассматривается не один, а два усилителя – для каждого направления передачи).
Под номинальным усилением усилителя S понимается: то усиление усилителя, которое соответствует затуханию усилительного участка номинальной длины на верхней частоте рабочего диапазона частот усилителя. В линейных усилителях предусмотрена установочная регулировка усиления при отклонении длины усилительного участка от номинального значения. Для этого в цепь общей ООС усилителя включен переменный удлинитель.
В технике связи в качестве меры усиления усилителя пользуется значением величины его рабочего усиления. При согласованных сопротивлениях 
рабочее усиление определяется по формуле:
, дБ
где 
напряжение на выходе усилителя; 
напряжение на входе усилителя.
Наличие нелинейных искажений в линейных, усиливающих одновременно сигналы различных каналов, приводит к тому, что паразитные нелинейные продукты могут попадать из одних каналов в другие. Взаимные помехи каналов проявляются в этих случаях в виде шума, мешающего качественной передаче.
Количественно оценить нелинейные искажения, можно с помощью коэффициента нелинейных искажений 
или коэффициента затухания нелинейности а 
по формуле а 
= 20 lg 
, Дб.
Примечание. В каскадах предварительного усиления для унификации расчётов используются транзисторы того же типа, что и в оконечном каскаде.
Обычно наибольшее значение в усилителях имеют вторые и третьи гармоники основного сигнала, поэтому в линейных усилителях величина затухания нелинейности задается по второй и третьей гармоникам:
A2г=20lg 1/K2г, дБ; а3г=20lg 1 /K3u,дБ
где К2г и К3г – коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам.
Величина нелинейных искажений нормируется обычно при выходной мощности усилителя, равной мощности 1 мВт (при нулевом уровне на выходе); тогда затухание нелинейности по второй гармонике обозначается а 
, а по третьей а 
.
Весьма существенной является высокая стабильность величины и частотной зависимости усиления усилителя во времени. Как известно, причинами нестабильности во времени характеристик усилителя являются старение транзисторов, их замена, изменение напряжения питания усилителя и температуры окружающей среды.
Нестабильность усилителя 
определяется по формуле
=20lg*(1+ 
), дБ.
Где 
- изменение коэффициента усиления, отн. ед.; 
- коэффициента усиления, отн. ед.
Входные и выходные сопротивления линейных усилителей должны быть согласованны с сопротивлениями подключаемых к ним цепей. Степень несогласованности входного сопротивления усилителя 
и сопротивления источника 
, а также выходного сопротивления усилителя 
и сопротивления нагрузки 
определяется коэффициентом отражения 
и 
= 
и = 
.
Требования к коэффициенту отражении должны выполняться во всём рабочем диапазоне частот.
Собственные помехи усилителя нормируются величиной допустимого уровня собственных помех, приведённых ко входу усилителя Р 
.Собственные помехи усилителя, как правило, определяются входным каскадом, поэтому входной каскад должен быть малошумящим и иметь возможно большие усиление по мощности.
Затухание линии возрастает с повышением частоты и зависит от типа линии и длины участка. Кроме того, затухание участков линии не остаётся постоянным во времени, а изменяется при изменение внешних условий, воздействующих на параметры линии.
При этом затухание на разных частотах изменяется различным образом, т.е. изменяется не только его величина, но и форма частотной характеристики затухания. Для подземных кабельных линий изменение внешних условий заключается в изменении температуры почвы. Таким образом, линейный усилитель должен не только компенсировать затухание прилегающего участка линии, но и корректировать вносимые линией амплитудно-частотные искажения.
Цепь отрицательной обратной связи (ООС) содержит: переменный удлинитель, обеспечивающий частотно-независимое ручное регулирование усилителя под длину усилительного участка, так называемое установочное усиление 
;
частотно-зависимый четырехполюсник с постоянными параметрами, обеспечивающий заданную амплитудно-частотную характеристику, иначе называемый контуром начального наклона (КНН);
частотно-зависимый четырехполюсник с переменными параметрами, обеспечивающий плавную регулировку усиления в соответствии с температурными изменениями затухания цепи (контур автоматической регулировки АРУ).
Поскольку к качественным показателям линейного усилителя предъявляются высокие требования, это предопределяет использование в их схемах достаточно глубокой общей ООС, которая организуется помощью дифференциальных систем на входе и выходе усилителя (рис. 2).
Дифференциальные системы представляют собой шестиполюсники мостового типа, позволяющие реализовывать комбинированную обратную связь. Трансформаторная дифференциальная система содержит дифференциальный (трёх обмоточный) трансформатор и балансное сопротивление, которое является опорным при сбалансировании дифференциальной системы. Так как выход цепи ООС и источника сигнала подключены к различным диагоналям входной дифференциальной системы, а вход цепи ООС и сопротивление нагрузки – к различным диагоналям выходной дифференциальной системы, при изменение глубины ООС входное и выходное сопротивление усилителя практически не будет меняться.
Использование глубокой ООС, вводимой с помощью дифференциальных трансформаторов, позволяет помимо всего согласовывать входное и выходное сопротивления усилителя с сопротивлениями внешних цепей.
Расчет оконечного каскада
Оконечный каскад обеспечивает получение заданной мощности сигнала в нагрузке, при этом он должен вносить допустимые нелинейные искажения. В линейных усилителях аппаратуры систем передачи используются однотактные трансформаторные оконечные каскады с включением транзистора по схеме с ОЭ. Усилительный элемент (транзистор) в таких каскадах работает в режиме А, что позволяет получить сравнительно небольшие нелинейные искажения.
Тип транзистора оконечного каскада выбирается по максимальной допустимой рассеиваемой мощности коллектора Рk max и граничной частоте коэффициента передачи тока fгр в схеме с ОЭ. При этом должны выполняться условия: fгр ≥(40÷100) fв; Рк мах ≥(4÷5) Рн, где Рн – мощность, отдаваемая в нагрузку.
fгр ≥ 80*552 = 4416 кГц; Рк мах ≥ 5*45 = 225 мВт.
Параметры транзистора ГТ312А
| Структура транзистора | n-p-n |
| Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ƒгр, МГц | 80 |
| Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора P к max, мВт | 225 |
| Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ: h21э min | 10 |
| h21э max | 10 |
| Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ mах, В | 20 |
| Максимально допустимый постоянный ток коллектора I k max, мA | 30 |
| Объемное сопротивление базы на высоких частотах rб', Oм | 100 |
Из проведенных расчетов выбирается транзистор типа ГТ312А.
Определяется рабочая область характеристики транзистора. Для этого на выходных характеристиках транзистора строится характеристика максимально допустимой мощности рассеяния:
Iк1 = 
= 
= 45 мA
Iк2 = 
= 22,5 мA
Iк3 = 
= 15 мA
Iк4 = 
= 11,25 мA
Для построения этой характеристики задается значения Uкэ для транзистора ГТ312А от 5 В до 25 В.
На оси напряжений отмечаются эти значения и восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с соответствующим каждому значению Uкэ току Iк. Затем полученные точки соединяются плавной линией, (Рис. 3.) далее проводятся линии, соответствующие Uкэ мах и Uост. Значение Uост определяется графически, для этого опускается на ось напряжений перпендикуляр из точки перегиба верхней вольт – амперной характеристики.
Определение рабочей области характеристик транзистора ГТ312А
Определяется напряжение покоя транзистора по максимально допустимому напряжению Uкэ мах:
Uко ≤ 
= 
= 10,63 ≈ 11B;
Определяется мощность, отдаваемая транзистором с учетом заданного КПД трансформатора ηтр = 0,9:
Р'~ = 
= 
= 50 мВт;
Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора:
Рко = 
= 
= 138,9 мВт;
где ηА – максимальный КПД каскада в режиме А, принимается равным 0,4;
ηос – коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала в цепи обратной связи, принимается равным 0,9;
Ток покоя рассчитывается, исходя из мощности рассеяния на коллекторе транзистора:
Iко = 
= 
= 12,6 мА;
На семействе выходных характеристик транзистора (Рис. 4.) отмечаются выбранные Uко, Iко и определяется соответствующей точке покоя ток базы Iбо (входной ток) Полученное значение Iбо отмечается на входной характеристике и определяется соответствующее ему напряжение смещения Uбо.
Uко = 11 В;
Iко = 12,6 мА
Iбо = 0,22 мА;
Uбо = 0,4 В;
Определяется амплитуда напряжения выходного сигнала:
Uкm ≤ Uко - Uост = 11 – 1,25 = 9,75 В;
Определяется амплитуда тока выходного сигнала:
Iкm = 
= 
= 10,26 мА;
Строится нагрузочная прямая переменного тока. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора от координаты точки покоя на оси токов вниз откладывается амплитуда тока Iкм, а от координаты точки покоя вправо – амплитуда напряжения Uкм. Пересечением уравнений Iко – Iкм и Uко + Uкм определяется точка М. Через точку М и точку покоя проводим нагрузочную прямую переменного тока.
Iко – Iкm = 12,6 – 10,26 = 2,34 мА;
Uко + Uкm = 11 + 9.75 = 20,75 ≈ 21 В;
На семействе выходных характеристик транзистора отмечается точка N на нагрузочной прямой переменного тока, соответствующая пересечению уровня Uост и нагрузочной прямой.
Определяется соответствующий точкам M и N входной ток. Точке М будет соответствовать минимальный входной ток Iбmin, а точке N – Iб max максимальный.
Iбmin = 0, 08 мА;
Iб max = 0,5 мА;
Определяется амплитуда тока входного сигнала:
Iбm = 
= 
= 0,23 мА;
Определяется мощность, отдаваемая транзистором в выбранном режиме:
Р~ = 
= 
= 50,1 мВт;
Сравниваются полученная величина Р~ с Р'~. Условие соблюдается:
Р~ ≥ Р'~ = 50,1 мВт ≥ 50 мВт
На входной характеристике транзистора отмечаются токи Iб max, Iбо, Iбmin, и определяется соответствующие этим токам значения входного напряжения.
Uбэ мах = 0,6 В;
Uбэ min =0,38 В;
Определяется амплитуда напряжения входного сигнала:
Uбm = 
= 
= 0,14 В;
Определяется коэффициент усиления по напряжению:
К = 
= 
= 69,6 ≈ 70 раз;
Определяется входное сопротивление транзистора:
Rвх = 
= 
= 608 Ом;
Определяется сопротивление нагрузки выходной цепи:
R~ = 
= 
= 950 Ом;
Определяется мощность, потребляемая выходной цепью транзистора от источника питания:
Р 
= Iко * Uко = 12,6 *11= 138,6 мВт;
Определяется фактический коэффициент полезного действия выходной цепи:
ηф = 
= 
= 0,36;
Входная характеристика транзистора ГТ312А
Таблица 1
| Nкаск | Uко3, В | Iко3, mА | Uбо3, В | Iбо3, mА | К3 | Rвх 3, Ом | R~ 3, Ом | ηф |
| 3 | 11 | 12,6 | 0,42 | 0,22 | 70 | 608 | 950 | 0,36 |
Заключение по результатам расчетов
Мы выбрали транзистор ГТ312А со структурой типа n-p-n, произвели соответствующие расчеты усилителя и получили ожидаемое усиление.
Число каскадов = 3.
| fгр мГц | Рк мах | Uбо3 | Iбо3 | К3 | Rвх 3 | R~ 3,= | ηф |
| 44,1 | 225 мВт | 0,42 В | 0,22 мА | 70 | 608 Ом | 950 Ом | 0,36 |
Сравнив К 
и заданный К я получила отношение в 3 раза. Поэтому ввёла местную ООС во втором каскаде.
Использованная литература
1. Электронные усилители. Методическая разработка для выполнения контрольных работ, курсового и дипломного проектов для учащихся ВЗТС и заочных отделений техникумов связи. – М.: Радио и связь, 1982.
2. Мурадян А.Г., Разумихин В.М., Творецкий М.С. Усилительные устройства. – М.: Связь, 1976.
3. Цыкина А.В. Усилители. Учебное пособие. – М.: Радио и связь, 1982.
4. Основные правила выполнения схем и графиков. – М.: Связь, 1976.
5. Дипломное проектирование. Методические указания для дипломного проектирования. – М.: Радио и связь, 1983.
6. Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Москва 2002.
Введение
Аппаратура систем передачи содержит большое число усилителей электрических сигналов. Наиболее сложными являются линейные усилители, которые устанавливаются на промежуточных усилительных пунктах и служат для компенсации затухания прилегающих к усилительному пункту участков линии связи. Параметры линейных усилителей в значительной степени определяют основные качественные показатели системы передачи в целом.
Исходными данными для проектирования линейных усилителей служат следующие основные параметры, задаваемые в технических требованиях; рабочий диапазон частот, номинальное усиление, входные и выходные сопротивления, затухание нелинейности, нестабильное усиление и др.
Рабочий диапазон частот линейных усилителей определяется линейным спектром системы передачи. Так, в системе передачи К-60П линейный усилитель работает в диапазоне 12–125 кГц, в системе передачи К-120 усилитель в одном направлении работает в диапазоне 60–552 кГц, а в другом – в диапазоне 812–1304 кГц (в задании в учебных целях рассматривается не один, а два усилителя – для каждого направления передачи).
Под номинальным усилением усилителя S понимается: то усиление усилителя, которое соответствует затуханию усилительного участка номинальной длины на верхней частоте рабочего диапазона частот усилителя. В линейных усилителях предусмотрена установочная регулировка усиления при отклонении длины усилительного участка от номинального значения. Для этого в цепь общей ООС усилителя включен переменный удлинитель.
В технике связи в качестве меры усиления усилителя пользуется значением величины его рабочего усиления. При согласованных сопротивлениях рабочее усиление определяется по формуле:
, дБ
где напряжение на выходе усилителя; напряжение на входе усилителя.
Наличие нелинейных искажений в линейных, усиливающих одновременно сигналы различных каналов, приводит к тому, что паразитные нелинейные продукты могут попадать из одних каналов в другие. Взаимные помехи каналов проявляются в этих случаях в виде шума, мешающего качественной передаче.
Количественно оценить нелинейные искажения, можно с помощью коэффициента нелинейных искажений или коэффициента затухания нелинейности а по формуле а = 20 lg , Дб.
Примечание. В каскадах предварительного усиления для унификации расчётов используются транзисторы того же типа, что и в оконечном каскаде.
Обычно наибольшее значение в усилителях имеют вторые и третьи гармоники основного сигнала, поэтому в линейных усилителях величина затухания нелинейности задается по второй и третьей гармоникам:
A2г=20lg 1/K2г, дБ; а3г=20lg 1 /K3u,дБ
где К2г и К3г – коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам.
Величина нелинейных искажений нормируется обычно при выходной мощности усилителя, равной мощности 1 мВт (при нулевом уровне на выходе); тогда затухание нелинейности по второй гармонике обозначается а , а по третьей а .
Весьма существенной является высокая стабильность величины и частотной зависимости усиления усилителя во времени. Как известно, причинами нестабильности во времени характеристик усилителя являются старение транзисторов, их замена, изменение напряжения питания усилителя и температуры окружающей среды.
Нестабильность усилителя определяется по формуле
=20lg*(1+ ), дБ.
Где - изменение коэффициента усиления, отн. ед.; - коэффициента усиления, отн. ед.
Входные и выходные сопротивления линейных усилителей должны быть согласованны с сопротивлениями подключаемых к ним цепей. Степень несогласованности входного сопротивления усилителя и сопротивления источника , а также выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки определяется коэффициентом отражения и
= и = .
Требования к коэффициенту отражении должны выполняться во всём рабочем диапазоне частот.
Собственные помехи усилителя нормируются величиной допустимого уровня собственных помех, приведённых ко входу усилителя Р .Собственные помехи усилителя, как правило, определяются входным каскадом, поэтому входной каскад должен быть малошумящим и иметь возможно большие усиление по мощности.
Затухание линии возрастает с повышением частоты и зависит от типа линии и длины участка. Кроме того, затухание участков линии не остаётся постоянным во времени, а изменяется при изменение внешних условий, воздействующих на параметры линии.
При этом затухание на разных частотах изменяется различным образом, т.е. изменяется не только его величина, но и форма частотной характеристики затухания. Для подземных кабельных линий изменение внешних условий заключается в изменении температуры почвы. Таким образом, линейный усилитель должен не только компенсировать затухание прилегающего участка линии, но и корректировать вносимые линией амплитудно-частотные искажения.
Цепь отрицательной обратной связи (ООС) содержит: переменный удлинитель, обеспечивающий частотно-независимое ручное регулирование усилителя под длину усилительного участка, так называемое установочное усиление ;
частотно-зависимый четырехполюсник с постоянными параметрами, обеспечивающий заданную амплитудно-частотную характеристику, иначе называемый контуром начального наклона (КНН);
частотно-зависимый четырехполюсник с переменными параметрами, обеспечивающий плавную регулировку усиления в соответствии с температурными изменениями затухания цепи (контур автоматической регулировки АРУ).
Поскольку к качественным показателям линейного усилителя предъявляются высокие требования, это предопределяет использование в их схемах достаточно глубокой общей ООС, которая организуется помощью дифференциальных систем на входе и выходе усилителя (рис. 2).
Дифференциальные системы представляют собой шестиполюсники мостового типа, позволяющие реализовывать комбинированную обратную связь. Трансформаторная дифференциальная система содержит дифференциальный (трёх обмоточный) трансформатор и балансное сопротивление, которое является опорным при сбалансировании дифференциальной системы. Так как выход цепи ООС и источника сигнала подключены к различным диагоналям входной дифференциальной системы, а вход цепи ООС и сопротивление нагрузки – к различным диагоналям выходной дифференциальной системы, при изменение глубины ООС входное и выходное сопротивление усилителя практически не будет меняться.
Использование глубокой ООС, вводимой с помощью дифференциальных трансформаторов, позволяет помимо всего согласовывать входное и выходное сопротивления усилителя с сопротивлениями внешних цепей.
Обоснование выбора структурной схемы усилителя
Структурная схема линейного усилителя представлена на рис. В качестве входного и выходного устройства линейного усилителя используются трансформаторные дифференциальные системы.
Оконечный каскад (ОК) усилителя обеспечивает заданную мощность сигнала в нагрузке при допустимых, с учетом действия ООС, нелинейных искажений.
Достаточная величина тока (напряжения) сигнала, необходимого для управления оконечным каскадом, обеспечивается каскадами предварительного усиления (КПУ).
Значения качественных показателей (затухания нелинейности, нестабильность и т.д.). Определяются максимальной глубиной ООС, которая охватывает все каскады усиления.
В цепь общей ООС для компенсации затухания усилительного участка и коррекции вносимых линий амплитудно–частотных
Искажений включаются: переменный удлинитель (дБ); контур начального наклона (КНН), контур автоматической регулировки (АРУ). Источником сигнала и нагрузки служит линия связи.
Дата: 2019-07-30, просмотров: 221.
