Импульсный усилитель

Введение

низкоомный нагрузка электронный сигнал

Для усиления электрических сигналов преимущественно применяют электронные усилители, в усилительных элементах которых используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках, т. е. в этом случае усилительными элементами являются электронные лампы и транзисторы — последние в виде дискретных приборов или ИМС. Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами и осуществляют преобразование энергии источника питания под управлением входного сигнала. В зависимости от вида усиливаемых сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов (импульсные усилители). Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы.

Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Усилители электрических сигналов применяются в широкой области современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звукового вещания, радиолокации, ЭВМ. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Дифференциальный усилитель (ДУ) — одна из важнейших разновидностей транзисторных усилителей, которая широко применяется в аналоговых схемах различного типа. Вопросы построения устройств с широкой и сверхширокой полосой пропускания (шире 150 МГц), малыми искажениями и стабильным усилением приобрели особую актуальность в настоящее время в связи с переходом к разработке радиоэлектронной аппаратуры на основе интегральных схем. К ним относятся универсальные усилители с плоской амплитудно-частотной характеристикой, компараторы, широкополосные усилители промежуточной частоты, видеоусилители, усилители вертикального отклонения осциллографов, измерительные усилители с электронным управлением усиления в широких пределах. В частотных пределах 0 — 1000 МГц схема ДУ способна выполнять самые разнообразные и сложные радиотехнические и другие аналоговые функции. Ее хорошие высокочастотные свойства, высокая стабильность режима, что позволяет соединять каскады последовательно без переходных конденсаторов, служат основанием того, что линейная интегральная схемотехника основана на их различных вариантах.

В зависимости от задач на импульсные усилители накладываются различные требования, которым они должны отвечать. Поэтому усилители могут различаться между собой как по элементной базе, особенностям схемы, так и по конструкции.

Выбор и обоснование структурной схемы

При проектировании импульсных усилителей (видеоусилителей) разработка структурной схемы (рис.1) включает в себя выбор выходного, входного и промежуточных каскадов, предварительный выбор типов транзисторов и интегральных микросхем, определение числа каскадов и необходимости применения корректирующих цепей, распределение заданных искажений по каскадам.

Рис.1

Выбор типа оконечного (выходного) каскада зависит от вида выходной нагрузки. Видеоусилители имеют два основных вида нагрузки, для которых рекомендуются существенно различные типы оконечных каскадов.

1. Низкоомная нагрузка представляет собой сравнительно малое активное сопротивление (порядка десятков — сотен Ом), шунтированное либо малой емкостью, либо большой емкостью. В этом случае в качестве оконечного каскада может быть рекомендован эмиттерный повторитель.

2. Высокоомная нагрузка представляет собой параллельное соединение сравнительно большого активного сопротивления и сравнительно небольшой емкости, порядка десятков пикофарад, и требуется для нормального функционирования выходного прибора. В этом случае в качестве оконечного каскада может быть рекомендована симметричная или несимметричная схема выходного каскада. Симметричная схема используется при работе на пластины вертикального отклонения электронно-лучевых трубок, что позволяет реализовывать заданный размах выходного напряжения без смещения линии развертки на экране осциллографической трубки. Несимметричная схема используется при работе на управляющий электрод электронно-лучевой трубки.

Выбор типа входного каскада зависит от вида источника входного сигнала. Характерными являются два основных вида источников, требующих различных типов каскадов.

1.Источник с большим выходным сопротивлением порядка десятков-сотен килоом. В этом случае в качестве входного каскада можно рекомендовать эмиттерный повторитель или каскад на полевом транзисторе по схеме ОИ.

2.Источник с малым или умеренным выходным сопротивлением. В этом случае в качестве входного каскада можно использовать усилительный каскад ОЭ такого же типа, что и в промежуточных каскадах, и иногда каскад ОБ.

Выбор типов промежуточных каскадов зависит от требований к коэффициенту усиления и полосе пропускания усилителя, поскольку эти качественные показатели в основном определяются промежуточными каскадами.

При выборе типов промежуточных каскадов следует определить целесообразность применения в них высокочастотной коррекции и способ этой коррекции.

При повышенных требованиях к полосе пропускания и к коэффициенту усиления по напряжению целесообразны корректированные каскады. Из возможных способов высокочастотной коррекции наиболее характерными являются способы коррекции за счет отрицательной обратной связи и за счет реактивных элементов.

Количество каскадов определяется вначале ориентировочно, исходя из требуемого коэффициента усиления по напряжению

Таблица

значит количество каскадов N = 3

Рис.

При заданных искажениях ПХ для заданной величины выброса П _пк находим коэффициент коррекции m и нормированное время установления .

_пк=4%/1,41=2,8

m=0.42

После предварительного определения числа каскадов многокаскадного усилителя проводится распределение заданных искажений между его отдельными звеньями или каскадами, что основывается на законах суммирования этих искажений.

Суммарные частотные искажения в логарифмических единицах равны сумме искажений отдельных каскадов.

В области больших времен спад ПХ усилителя приближенно равен сумме спадов ПХ, вносимых отдельными разделительными цепями усилителя.

Первоначально может быть проведено равномерное распределение по каскадам заданных скажений на верхних частотах или в области малых времен. Однако для оконечных или предоконечных каскадов, обеспечивающих заданное выходное напряжение, целесообразно искажения задавать меньшими, чем в предыдущих каскадах.

Расчёт оконечного каскада (эмиттерный повторитель).

Низкоомная нагрузка представляет собой сравнительно малое активное сопротивление (порядка десятков — сотен Ом). Такая нагрузка требует сравнительно большого сигнального тока, для обеспечения в ней необходимой амплитуды напряжения.

В этом случае в качестве оконечного каскада может быть использован эммитерный повторитель (рис.2).

1. Рассчитаем необходимый размах тока эмиттера (коллектора) :

2. Определим постоянный ток

3. Определим верхнюю граничную частоту усилителя

Рис.2

4. Исходя из значения предельной частоты и максимального тока коллектора выбираем транзистор p-n-p типа КТ363А

5. Рассчитаем высокочастотное значение сопротивлении базы Среднее значение параметра

Определим дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер

(Ом)

6. Рассчитаем сквозную крутизну транзистора, называемую далее крутизной

7.

R'_г=1…2 кОм R'_г=1 кОм.

8. Вычислим коэффициент передачи эмиттерного повторителя

9. Определим входное сопротивление:

Расчет промежуточного каскада

Рис. 3

В качестве промежуточного каскада (рис.3), схема которого приведена ниже, выбираем несимметричный дифференциальный усилитель (ДУ) с комплементарной каскадной схемой.

1. Выбираем напряжение источника питания

2. Исходя из значения предельной частоты выбираем выходной транзистор VT3 каскадной схемы p-n-p типа 2ТС3103А.

3. Рассчитаем высокочастотное сопротивление базы

Среднее значение параметра Рис.

4. Зависимости нормированного времени установления и выброса от коэффициента коррекции m представлены на рисунке.

При заданных искажениях ПХ для заданной величины выброса _пк находим коэффициент коррекции m и нормированное время установления .

_пк=2,8

% m=0.42

5. Определим паразитную емкость, нагружающую каскад

С_м=2…4 пФ примем С_м=2,5 пФ С₀=С_к+С_м+С_{вх эп}=1,3+2+8,8=12,1 (пФ)

Сопротивление нагрузки каскада

6. Выходное напряжение промежуточного каскада Амплитуда коллекторного тока каскада

7. Постоянный ток транзистора VT3

Базовый ток

8. Исходя из значения предельной частоты выбираем транзистор VT1 и VT2 дифференциального усилителя n-p-n типа 2ТС398А

9. Высокочастотное значение сопротивления базы Среднее значение параметра

10. Дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер

11. Крутизна транзистора VT1

выбираем

12. Коэффициент усиления промежуточного каскада

13. Входное сопротивление каскада

14. Входная емкость усилительного плеча ДУ

15. Граничная частота крутизны рассчитанного каскада

16. Стабилитрон VD — КС147А

17. Сопротивление резисторов R1 и R3

18. Постоянное напряжение на базе выходного транзистора VT4

где

19. Задаваясь постоянным током через резистор R4 примерно равным постоянному току транзистора VT3 и учитывая, что данный ток течет через резистор R2 в одном направлении с постоянным током транзистора VT3, суммируясь с ним, в первом приближении

20. Учитывая, что

Для R4 находим

).

Генератор стабильного тока промежуточного каскада.

Схема ГСТ приведена на рисунке 4. Ток ГСТ Для ГСТ выбираем сборку транзисторов КТС395А.

Рис.

Среднее значение параметра

1. Напряжение Ток базы транзистора VT2

Ток

Сопротивление резистора

2. Из условия сопротивление резистора

Сопротивление резистора

Входной каскад В качестве входного каскада (рис.5) выбираем аналогичный предоконечному каскад на основе несимметричного ДУ с комплементарной каскадной схемой.

Рис. 5

Напряжение источника питания

Исходя из значения предельной частоты выбираем выходной транзистор VT3 каскадной схемы p-n-p типа КТ363А.

Рассчитаем высокочастотное сопротивление базы Среднее значение параметра Рис.

При заданных искажениях ПХ для заданной величины выброса вк находим коэффициент коррекции m и нормированное время установления .

_вк=2,8%

m=0.42

=1.2

Определим паразитную емкость, нагружающую каскад

С_м=2…4 пФ примем С_м=4пФ С₀=С_к+С_м+С_{вх пк} = 2+4+9=15 (пФ)

Сопротивление нагрузки каскада

(мкГн) Выходное напряжение входного каскада Амплитуда коллекторного тока каскада

=

Постоянный ток транзистора VT3

Базовый ток

9.Исходя из значения предельной частоты выбираем транзистор VT1 и VT2 дифференциального усилителя n-p-n типа 2ТС398А Высокочастотное значение сопротивления базы Среднее значение параметра Дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер Крутизна транзистора VT1

Коэффициент усиления входного каскада

Входное сопротивление каскада Входная емкость усилительного плеча ДУ Граничная частота крутизны рассчитанного каскада Стабилитрон VD — КС147А Сопротивление резисторов R1 и R3

Сопротивление токозадающего резистора R2 (

Учитывая, что

Для R4

Результирующий коэффициент усиления Регулятор усиления Максимальное значение регулятора усиления (рис.5)

D=17.5 (дБ) (дБ) Генератор стабильного тока входного каскада.

Схема ГСТ приведена на рисунке 6. Токи ГСТ. Для ГСТ выбираем сборку транзисторов КТС395А.

Среднее значение параметра

Напряжение

Токи базы транзисторов VT2 и VT3

Ток

Сопротивление резистора Из условия сопротивление резистора

Сопротивление резистора

Разделительный конденсатор.

R0=5

Входное сопротивление усилителя Емкость конденсатора

Заключение

В ходе данной курсовой работы в соответствии с техническим заданием был спроектирован импульсный усилитель. Так как по техническому заданию коэффициент усиления оказался равным 925, обошлись тремя каскадами: входным, оконечным и промежуточным. Расчет каскадов вели с учетом статических характеристик транзистора.

Список используемой литературы

1.Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учебник для вузов. — М.: Горячая линия-Телеком, 2001.-320с

2.Усилительные устройства: учеб. пособие для вузов/В.А. Андреев, Г. В. Войшвилло, О. В. Головин и др.;под.ред. О. В. Головина. -М: Радио и связь, 1993;352с.

3.Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие;

РГРТУ. -Рязань, 2011;76с.

4.Петухов В. М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение первое: справочник. — М.: Радио и связь, 1989.-272с.

5.Петухов В. М. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги: справочник. Т.1. — М.: КУбК-а, 1997.-688с.