Расчет и проектирование импульсного усилителя

Задание на проектирование Рассчитать и спроектировать импульсный усилитель, отвечающий основным требованиям, представленным в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики разрабатываемого усилителя

1. Исходя из технических характеристик разрабатываемого усилителя, выбрать транзистор в выходной каскад по граничной частоте, максимальному напряжению коллектор-эмиттер и максимальному току коллектора.

2. Выбрать режим работы транзистора выходного каскада по постоянному току и рассчитать элементы, обеспечивающие стабилизацию этого режима.

3. Рассчитать выходной каскад по постоянному и переменному току.

4. Определить низкочастотные (g₁₁, g₁₂, g₂₁, g₂₂) и высокочастотные (r_Б, С_К, ф) параметры транзистора выходного каскада в средней точке, соответствующей половине импульса коллекторного тока.

5. Рассчитать коэффициент усиления и время установления выходного каскада.

6. Окончательно рассчитать выходной каскад по переменному току с учетом введенных цепей обратной связи и коррекции.

7. Определить входное сопротивление и входную емкость выходного каскада, т. е. определить параметры нагрузки, на которую будет работать предвыходной каскад.

8. Выбрать транзистор для каскадов предварительного усиления по граничной частоте, максимальному напряжению коллектор-эмиттер и максимальному току коллектора.

9. Выбрать режим работы транзисторов в каскадах предварительного усиления.

10. Определить высокочастотные и низкочастотные параметры транзисторов предвыходных каскадов в рабочей точке.

11. Определить количество каскадов предварительного усиления.

12. Полностью рассчитать каскады предварительного усилению по постоянному и переменному току, аналогично расчету выходного каскада.

13. Выбор схемы входного каскада в зависимости от требуемого входного сопротивления усилителя.

14. Выбор режима работы транзистора в входном каскаде.

15. Рассчитать элементы стабилизации, время установления, входное сопротивление и входную емкость входного каскада.

16. Рассчитать вспомогательные цепи: фильтры питания, разделительные и блокировочные конденсаторы.

17. Определить суммарные параметры усилителя и сравнить их с техническим заданием.

18. Рассчитать мощности, рассеиваемые на резисторах, напряжения, действующие на конденсаторы, и токи, протекающие через катушки индуктивности. Выбрать типы этих элементов.

Введение

Проектирование заключается в разработке и полном расчете электрической схемы усилителя импульсных сигналов с последующим моделированием разработанной схемы в программе схемотехнического моделирования MicroCap.

Области использования импульсных усилителей весьма многочисленны. Особенно широко импульсные усилители применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики и вычислительной техники, в приборах экспериментальной физики и в измерительных приборах.

Проектирование многокаскадного усилителя характеризуется в первую очередью тем, что решение не является однозначным. В связи с этим возникает задача выбора оптимального варианта. При проектировании всегда возникает вопрос между качеством и ценой. Нам необходимо достичь оптимального варианта.

Общей задачей проектирования является отыскание наиболее экономичного решения. Сложность проектирования как раз и заключается в том, чтобы найти это относительно простое решение.

При проектировании усилителя задачу следует рассматривать как частную, подчинив ее общей задаче — выполнению технических требований к усилителю в целом. Поэтому рационально, исходя из общих технических требований, формулировать частные технические требования к отдельным каскадам усилителя или к усилительным секциям и вести их расчет на основании этих частных условий, которые должны находиться в определенной связи друг с другом.

1. Расчет выходного каскада

1.1 Выбор транзистора в выходном каскаде Выбор типа биполярного транзистора для выходного каскада осуществляется по трем основным параметрам:

1) По граничной частоте транзистора ()

2) По максимальному допустимому напряжению коллекторэмиттер транзистора ()

где — коэффициент запаса; - минимальное напряжение на нагрузке. Для нашего транзистора выберем и .

.

3) По максимальному току коллектора транзистора ()

где — импульс тока коллектора; - импульс тока в нагрузке; - коэффициент, учитывающий наличие в каскаде активной коллекторной нагрузки .

Величина импульса тока в нагрузке для активной нагрузки рассчитывается по формуле.

.

Возьмем и коэффициент запаса, т.к. (), () и (?C), тогда максимальный ток коллектора равен

.

.

Этим требованиям отвечает транзистор MJE253 структуры p-n-p. Данный транзистор имеет необходимые характеристики для работы в выходном каскаде. Данный транзистор имеет большой запас по току и напряжению и необходимый запас по граничной частоте. Этот транзистор обеспечивает малое время установления при большом усилении, что дает возможность сократить число каскадов в усилителе и этим уменьшить его стоимость и массогабаритные показатели. Особенно важна малая емкость коллектора и малый обратный ток коллекторного перехода для уменьшения входной емкости и, соответственно, количества каскадов, нагрузки на предвыходной каскад. Перечень основных параметров транзистора приведен в таблице 2 (см. ниже).

Таблица 2. Основные электрические параметры транзистора MJE253

Значения g — параметров транзистора измерены при и

1.2 Выбор режима работы выходного каскада по постоянному и переменному току Важной задачей этого пункта является выбор режима работы выходного каскада. Пусть выходной транзистор будет включен по схеме общий эмиттер. Необходимо выбрать рабочую точку (А) на семействе выходных статических характеристик транзистора. Для того чтобы выбрать режим работы по постоянному току, необходимо выбрать ток коллектора () и напряжение () в рабочей точке. Величина тока коллектора выбирается из выходной вольт-амперной характеристики Диапазон значений тока коллектора, в которых он может находиться определяется следующей системой неравенств где — диапазон разброса параметра и определяется как среднее геометрическое Пусть рабочая точка (А) имеет координату по оси тока коллектора равную, а по оси напряжения коллектор — эмиттер равную где — минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения.

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора и величину импульса напряжения на нагрузке, определим режим работы по переменному току, построив рабочий отрезок нагрузочной прямой АБ на выходных статистических ВАХ транзистора, по которому перемешается рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис. 1.2.1.)

Выбор рабочего отрезка нагрузочной прямой транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя.

Проверим тепловой режим транзистора. Для этого определим максимальную температуру перехода транзистора где — средняя мощность, рассеиваемая транзистором, которую можно рассчитать где — скважность импульсов, тогда средняя мощность равна Подставляя значение находим максимальную температуру перехода транзистора

.

Полученное значение максимальной температуры перехода не превышает максимально допустимой для выбранного транзистора: ().

1.3 Расчет выходного каскада по постоянному и переменному току, включающий расчет элементов задания и стабилизации режима Расчет элементов стабилизации режима работы транзистора начинается с определения величины коллекторной нагрузки. Величина определяется из полного сопротивления нагрузки каскада по переменному току, которое представляет собой параллельное соединение с активной составляющей нагрузки каскада

Полное сопротивление нагрузки по переменному току определяется наклоном нагрузочной прямой на выходных ВАХ транзистора (см. рис. 3.2.1.) и рассчитывается как Определив величину, рассчитаем сопротивление коллекторной нагрузки Таким образом, нагрузочная прямая переменного тока описывается уравнением прямой, проходящей через заданную точку (А), а ее наклон определяется величиной активного сопротивления для переменного тока, и имеет вид (см. ниже рис. 3.3.2.)

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузки, падения напряжения на сопротивлении обратной связи и напряжения на коллектор эмиттер в рабочей точке Поскольку ток базы транзистора в меньше тока коллектора, им пренебрегаем и считаем, что ток эмиттера равен току коллектора. Кроме того компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается, когда на падает 10…15 от всего напряжения питания. Тогда напряжение питания каскада равно Из стандартного ряда напряжений выберем напряжение питания. .

Зная напряжение питания каскада и координаты рабочей точки рассчитаем величину сопротивления

Округлим до ближайшего значения

Зная сопротивление находим сопротивление нагрузки для постоянного тока и составим уравнение нагрузочной прямой для постоянного тока Построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току. Нагрузочная прямая по постоянному току пересекается с нагрузочной прямой переменного тока в рабочей точке (А). Они изображены на рис. 1.3.1.

каскад усилитель импульсный сигнал Рис. 1.3.1. Нагрузочные прямые по постоянному и переменному току.

Ток базы в рабочей точке находим по семейству выходных статистических ВАХ транзистора (см. выше рис. 1.3.1.)

.

Для расчета сопротивлений базового делителя необходимо задаться током делителя. Чем больше ток делителя, тем выше стабильность режима работы, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами и, и тем выше входное сопротивление каскада. Для получения приемлемой стабильности режима ток делителя должен как минимум в несколько раз превосходить ток базы в рабочей точке. Обычно величина тока базового делителя должна удовлетворять условию Выберем ток делителя .

Используя семейство входных статистических ВАХ транзистора, по известному току и напряжению находим напряжение база — эмиттер в рабочей точке (рис. 1.3.2.).

Рис. 1.3.2. Выбор напряжения база — эмиттер в рабочей точке

.

По известному току делителя и напряжению база — эмиттер в рабочей точке находим сопротивление резисторов делителя, обеспечивающие это напряжение Округлим до ближайшего номинального значения .

Током базы пренебрегаем т.к.

Номинальное значение в ряду стандартных сопротивлений

В итоге получили следующие параметры По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора где — абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; - абсолютное изменение напряжения база — эмиттер при изменение температуры перехода на величину; - абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; , — коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора; - общее сопротивление в цепи базы; и — g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре.

Взяв максимальную температуру перехода транзистора определим минимальную температуру перехода Изменение температуры перехода транзистора Абсолютное изменение напряжения база — эмиттер Рис. 1.3.3. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры

определим используя типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры, приведенные на рис. 1.3.3.

На рис. 1.3.3. — обратный ток коллектора при температуре перехода; - обратный ток коллектора при комнатной температуре (берем из табл. 2); зависимость 1 соответствует кремниевым транзисторам малой мощности (), по которой находим нормированное значение изменения обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры перехода на величину

Тогда абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода

.

Для нахождения коэффициентов и рассчитаем g — параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре, используя справочные значения, и — табл.2

И общее сопротивление в цепи базы равно Зная и g — параметры найдем коэффициенты и

Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора транзистора, по уже известным значениям (для каскадов импульсных усилителей она не должна превышать 0,25)

1.4 Определение низкочастотных и высокочастотных параметров транзистора выходного каскада в средней точке Для расчета выходного каскада импульсного усилителя необходимо определить четыре низкочастотных () и три высокочастотных () параметра транзистора в средней точке. Для определения g — параметров в средней точке можно воспользоваться входными и выходными статистическими характеристиками, а также справочными значениями (см. табл. 2) g — параметров, пересчитав их к нужному положению рабочей точки транзистора. В нашем случае возьмем справочные значения и пересчитаем их в средней точке. Для этого найдем координаты средней точки по выходным статистическим ВАХ транзистора (рис. 3.4.1.). Причем средняя точка (В) лежит на рабочем отрезке нагрузочной прямой и имеет координату по оси тока коллектора равную Рис. 1.4.1. Выбор положения средней точки нагрузочной прямой транзистора в выходном каскаде импульсного усилителя.

По оси напряжения коллектор — эмиттер находим координату средней точки

.

Зная значение тока коллектора в средней точке, рассчитаем g — параметры, для которых выполняется условие (малой величиной обратной проводимости передачи обычно пренебрегают и принимают)

Проверим правильность нахождения g — параметров По уже известным g-параметрам и координате средней точки, определим высокочастотные параметры: емкость коллекторного перехода, объемное сопротивление базы и постоянную времени транзистора .

Величину емкости коллекторного перехода при напряжении на коллекторе в средней точке рассчитаем, воспользовавшись следующей формулой где — справочное значение емкости, измеренное при напряжении (см. табл. 2)

Объемное или распределенное сопротивление базы приведено в табл. 2:

Постоянную времени транзистора в средней точке рассчитаем по следующей формуле где — крутизна транзистора (проводимость прямой передачи) в средней точки; - граничная частота транзистора; - параметр, зависящий от типа и технологии производства транзистора. Для нашего транзистора выберем, подставив все значения в формулу получим

1.5 Расчет коэффициента усиления и времени установления выходного каскада по переменному току Для расчета коэффициента усиления и времени установления выходного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в средней точке (см. п. 3.4.), эквивалентным сопротивлением и эквивалентной постоянной времени. Кроме того для коэффициента усиления и времени установление необходимо выполнение условия Так как нагрузкой выходного каскада является активное сопротивление, то эквивалентное сопротивление находиться по формуле учитывая то, что сопротивление мало влиянием низкочастотного параметра пренебрегаем, при этом получаем что эквивалентное сопротивление равно полному сопротивлению нагрузки выходного каскада по переменному току Рассчитаем коэффициент усиления выходного каскада, зная эквивалентное сопротивление и крутизну транзистора в средней точке

.

Чтобы определить время установления выходного каскада без ООС нужно найти эквивалентную постоянную времени где — постоянную времени транзистора в средней точке;, -постоянные времени, причем емкость нагрузки равна емкости монтажа и выбирается в пределах 5…10пФ. Поэтому для нашего каскада выберем и рассчитаем постоянные времени

.

По уже рассчитанным параметрам находим эквивалентную постоянную времени Тогда время установления выходного каскада равно Таким образом, получаем, что коэффициент усиления выходного каскада слишком большой, т. е. условие не выполняется. Нужно уменьшать коэффициент усиления. Заодно, уменьшим время установления, введя эмиттерную коррекцию (ООС по току).

1.6 Окончательный расчет выходного каскада по переменному току с учетом введенных цепей обратной связи и коррекции Расчеты предыдущего пункта показали, что для уменьшения коэффициента усиления необходимо введение эмиттерной высокочастотной коррекции. Для уменьшения в эмиттерную цепь выходного каскада вводится ООС по току, которую обеспечивают конденсаторы и, и сопротивления и (см. ниже рис. 1.6.1.). Причем, чтобы не менять режим работы транзистора по постоянному току сопротивление эмиттера разбиваем на два сопротивления и, т. е. их сумма равна:

Зададимся рассчитанным в п. 1.5. и нужным коэффициентом усиления где их отношение равно: — глубина обратной связи, отсюда следует, что сопротивление коррекции выходного каскада равно Ближайшее номинальное значение. Тогда равно:

.

Зная сопротивление коррекции найдем эквивалентное сопротивление каскада

или рассчитывается из отношения где — эквивалентное сопротивление некорректированного выходного каскада по переменному току. Рассчитываем, взяв номинальное значение .

Тогда коэффициент усиления выходного каскада равен Время установления выходного каскада с эмиттерной коррекцией, можно определить по следующей формуле где — постоянная времени транзистора в средней точке; - эквивалентная безразмерная величина; - безразмерная величина обобщенного времени установления, которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах. Эти коэффициенты и находятся по следующим формулам гдеэквивалентные безразмерные постоянные времени, которые вычисляются по формулам Причем для их расчета нужно вычислить постоянные времени, которые рассчитываются как Рассчитывая постоянные времени зададимся емкостью нагрузки (емкостью монтажа) такой же как и в п. 3.5., а емкость коррекции выберем такой, чтобы на зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах наш заданный выброс не превышал 3,5% () и коэффициенты и лежали в пределах:,. Пусть емкость коррекции равна, тогда постоянные времени равны Подставив в формулы постоянные времени находим эквивалентные безразмерные постоянные времени Найдем коэффициенты и и определим выброс, не превышающий 3%, по зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах

=0.634%

Выброс, найденный по зависимости равен, что не превышает 3,5%, т. е. не превышает заданного выброса.

По найденным коэффициентам и найдем безразмерную величину обобщенного времени установления, которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах

Безразмерная величина обобщенного времени установления равна. Тогда время установления корректированного выходного каскада равно Что соответствует необходимым условиям То есть введя высокочастотную коррекцию в эмиттерную цепь выходного каскада уменьшили коэффициент усиления и время установления. Схема корректированного выходного каскада показана на рис. 1.6.1.

Рис. 1.6.1 Схема корректированного выходного каскада.

1.7 Определение входного сопротивления и входной емкости выходного каскада Найдем входное сопротивление и входную емкость корректированного выходного каскада где — входное сопротивление стабилизации равное общему сопротивлению в цепи базы. Выполнив подстановку всех уже известных значений, найдем и

Причем входное сопротивление и входная емкость выходного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать предвыходной каскад. Таким образом, получили следующие результаты:

2. Расчет предварительных каскадов

2.1 Выбор транзистора для предварительных каскадов Выбор типа биполярного транзистора в каскадах предварительного усиления определяется, как и в выходном каскаде, по следующим параметрам

4) По максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер. Для этого должно выполняться условие где — амплитуда импульса напряжения на выходе последнегопредварительного каскада. Для нашего низковольтного транзистора выберем и .

.

=2,7, а не 2,68

2) По максимальному току коллектора транзистора ()

где — импульс тока коллектора; - - амплитуда импульса тока в нагрузке предварительного каскада. Для нашего маломощного транзистора возьмем коэффициент и коэффициент запаса найдем максимальный ток коллектора равен, А величина импульса тока коллектора равна

.

3) Граничная частота транзистора должна быть не ниже рассчитанной в п. 3.1.

.

В предварительных каскадах используем транзистор 2N4400 структуры n-p-n. Перечень основных параметров транзистора приведен в таблице 3 (см. ниже).

Таблица 3. Основные электрические параметры транзистора 2N4400.

Значения g — параметров транзистора измерены при и

2.2 Выбор режима работы транзисторов в каскадах предварительного усиления Все предварительные каскады включены по схеме общий эмиттер с эмиттерной стабилизацией рабочей точки транзистора. Необходимо выбрать рабочую точку (А) на семействе выходных статических характеристик транзистора. Для того чтобы выбрать режим работы по постоянному току, необходимо выбрать ток коллектора () и напряжение () в рабочей точке. Положение рабочей точки транзистора в предварительных каскадах должно быть выбрано так, чтобы транзистор мог работать и на запирание, и на открывание, не заходя в область отсечки и насыщения. К тому же необходимо учесть, что ток коллектора в рабочей точке предварительных каскадов должен быть меньше тока коллектора в рабочей точке выходного каскада и больше величины импульса тока коллектора

Исходя из того, что это условие не выполняется, поэтому выбран транзистор структуры n-p-n, для которого ток в рабочей точке не должен превышать ток покоя в выходном каскаде, т. е. рабочая точка (А) будет лежать внизу на выходной характеристики: .

Поэтому выбираем координату рабочей точки по оси тока коллектора равную, а по оси напряжения коллектор-эмиттер равную

где — минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения.

Определим мощность, рассеиваемую транзистором в рабочей точке, она не должна превышать десятых долей ватта Это условие выполняется, следовательно режим работы по постоянному току выбран правильно.

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора и амплитуду импульса напряжения на выходе последнего предварительного каскада, определим режим работы по переменному току, построив рабочий отрезок нагрузочной прямой АБ на выходных статистических ВАХ транзистора, по которому перемешается рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис. 2.2.1.).

Рис. 2.2.1. Выбор рабочего отрезка нагрузочной прямой транзистора в предварительных каскадах импульсного усилителя После определения рабочего отрезка нагрузочной прямой убедимся, что на всем его протяжении мгновенная мощность транзистора не превышает максимально допустимой, т. е. нагрузочная прямая должна лежать ниже гиперболы, соответствующей мощности. Эти условия выполняются, следовательно проверим тепловой режим транзистора. Для этого определим максимальную температуру перехода транзистора

где — средняя мощность, рассеиваемая транзистором, которую можно рассчитать

гдескважность импульсов, тогда средняя мощность равна Подставляя значение находим максимальную температуру перехода транзистора

.

Полученное значение максимальной температуры перехода не превышает максимально допустимой для выбранного транзистора

().

2.3 Определение параметров транзистора в рабочей точке Для нахождения низкочастотных и высокочастотных параметров в рабочей точке, воспользуемся справочными значениями, взятые из табл.3

Зная значения тока коллектора в рабочей точке, рассчитаем низкочастотные g — параметры, для которых выполняется условие (малой величиной обратной проводимости передачи обычно пренебрегают и принимают):

Проверим правильность нахождения g — параметров По уже известным g-параметрам и координате рабочей точки, определим высокочастотные параметры: емкость коллекторного перехода, объемное сопротивление базы и постоянную времени транзистора .

Величину емкости коллекторного перехода при напряжении на коллекторе в рабочей точке рассчитаем, воспользовавшись следующей формулой где — справочное значение емкости, измеренное при напряжении (см. табл. 3)

Объемное или распределенное сопротивление базы приведено в табл. 2:

Постоянную времени транзистора в рабочей точке рассчитаем по следующей формуле где — крутизна транзистора (проводимость прямой передачи) в средней точки; - граничная частота транзистора; - параметр, зависящий от типа и технологии производства транзистора. Для нашего транзистора выберем, подставив все значения в формулу получим

2.4 Определение количества предварительных каскадов Число предварительных каскадов зависит от требуемого коэффициента усиления этих каскадов, от допустимого времени установления и параметров используемого транзистора.

Коэффициент усиления предварительных каскадов, а их время установления где; A — запас по усилению, от 1,5 до 2; - общий коэффициент усиления и время установления всего усилителя, индексы «вх» и «вых» означают принадлежность данных параметров соответственно к входному и выходному каскаду усилителя.

Коэффициент время определены при расчете выходного каскада, а коэффициентом и временем задаемся, в зависимости от требуемого от усилителя входного сопротивления (табл. 1).

Так как входное сопротивление усилителя, то входной каскад — эмиттерный повторитель, который имеет коэффициент усиления, а время установления. Приняв коэффициент усиления и время установления входного каскада, найдем примерное время установления и коэффициент усиления предварительных каскадов

Определив требуемый коэффициент усиления и допустимое время установления, задаемся ориентировочно числом предварительных каскадов, и находим коэффициент усиленияи время установления, приходящиеся на один предварительный каскад усилителя Отсюда находим требуемую добротность каскада Определим импульсную добротность каскада без коррекции, которую можно реализовать на данном транзисторе по уже рассчитанным параметрам Сравним найденные добротности, причем реализуемая должна быть больше требуемой

.

Поскольку это условие выполняется, то это означает, что транзистор в предварительных каскадах и число каскадов выбраны верно, т. е. двухкаскадный предварительный усилитель на выбранном транзисторе позволяет обеспечить требуемые от него параметры (коэффициент усиления и время установления).

3. Расчет первого предварительного каскада по постоянному и переменному току

3.1 Расчет элементов стабилизации первого предварительного каскада Расчет первого предварительного каскада по постоянному и переменному току, проводим аналогично расчету выходного каскада. Для упрощения расчетов важно, чтобы предварительные каскады были одинаковыми. Определим эквивалентное сопротивление (активное сопротивление нагрузки по переменному току), зная коэффициент усиления каждого каскада

Так как нагрузкой первого предварительного каскада является входное сопротивление выходного каскада, то несложно найти сопротивление коллекторной нагрузки, т. е.

Округляем до номинала .

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузки, падения напряжения на сопротивлении обратной связи и напряжения на коллектор эмиттер в рабочей точке Поскольку ток базы транзистора в меньше тока коллектора, им пренебрегаем и считаем, что ток эмиттера равен току коллектора. Кроме того компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается, когда на падает 10…15 от всего напряжения питания. Тогда напряжение питания каскада равно Из стандартного ряда напряжений выберем напряжение питания.

.

Зная напряжение питания каскада и координаты рабочей точки рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера Ток базы в рабочей точке находим по семейству выходных статистических ВАХ транзистора.

.

Для расчета сопротивлений базового делителя необходимо задаться током делителя. Чем больше ток делителя, тем выше стабильность режима работы, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами и, и тем выше входное сопротивление каскада. Для получения приемлемой стабильности режима ток делителя должен как минимум в несколько раз превосходить ток базы в рабочей точке. Обычно величина тока базового делителя должна удовлетворять условию Выберем ток делителя

.

Используя семейство входных статистических ВАХ транзистора, по известному току и напряжению находим напряжение база — эмиттер в рабочей точке (рис. 3.1.1.).

Рис. 3.1.1. Выбор напряжения база — эмиттер в рабочей точке

.

По известному току делителя и напряжению база — эмиттер в рабочей точке находим сопротивление резисторов делителя, обеспечивающие это напряжение Округлим до ближайшего номинального значения .

Током базы пренебрегаем т.к.

Округлим до ближайшего номинального значения

В итоге получили следующие параметры

По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора где — абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; - абсолютное изменение напряжения база — эмиттер при изменение температуры перехода на величину; - абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; , — коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора; - общее сопротивление в цепи базы; и — g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре. Взяв из пункта 4.2. максимальную температуру перехода транзистора определим минимальную температуру перехода Изменение температуры перехода транзистора Абсолютное изменение напряжения база — эмиттер

.

определим используя типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры Рис. 3.1.2. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры Так как транзистор малой мощности (), следовательно на рис. 3.1.2. выбираем зависимость 1, по которой находим нормированное значение изменения обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры перехода на величину

Тогда абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода

.

Для нахождения коэффициентов и рассчитаем общее сопротивление в цепи базы Найдем коэффициенты и, зная и g — параметры, рассчитанные в рабочей точке (взятые из пункта 4.3.: ,)

Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора транзистора, по уже известным значениям (для каскадов импульсных усилителей она не должна превышать 0,25)

3.2 Расчет времени установления первого предварительного каскада Для расчета времени установления первого предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке (см. п. 4.3.), эквивалентным сопротивлением (вычисленным в пункте 5.1.). Время установления первого предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося на один предварительный каскад усилителя Чтобы определить время установления первого предварительного каскада без коррекции найдем эквивалентную постоянную времени Для первого предварительного каскада емкостью нагрузки является входная емкость выходного каскада, зная ее и параметры, вычисленные выше, рассчитаем постоянные времени

.

Определим эквивалентную постоянную времени

.

Тогда время установления первого предварительного каскада равно Таким образом, получаем, что время установления первого предварительного каскада слишком большое, т. е. условие не выполняется, следовательно нужно вводить параллельную коррекцию (индуктивную коррекцию), которая позволит при том же коэффициенте усиления, приходящийся на один предварительный каскад, получить значительно меньшее время установления.

Время установления первого предварительного каскада с индуктивной высокочастотной коррекцией, можно определить по следующей формуле где — постоянная времени транзистора в рабочей точке; - эквивалентная безразмерная величина; - безразмерная величина обобщенного времени установления, которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах. Эти коэффициенты и находятся по следующим формулам где-эквивалентные безразмерные постоянные времени, которые вычисляются по формулам Причем для их расчета используем эквивалентное сопротивление, постоянные времени и, вычисленные выше, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада, равное входному сопротивлению выходного каскада, а такжезная сопротивление коллекторной нагрузки, нужно рассчитать постоянную времени, которая рассчитываются как Рассчитывая постоянную времени, выберем индуктивность коррекции такой, чтобы на зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах наш заданный выброс не превышал 3% () и коэффициенты и лежали в пределах:,. Пусть индуктивность коррекции равна, тогда постоянная времени равна Подставив в формулы постоянные времени, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада и эквивалентное сопротивление, находим эквивалентные безразмерные постоянные времени Найдем коэффициенты и и определим выброс, не превышающий 3%, по зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах (рис. 3.6.1.)

Найдём зависимость выброса от коэффициента при коэффициенте по формуле

=0,453

Выброс, найденный по зависимости равен, что не превышает 3,5%, т. е. не превышает заданного выброса.

По найденным коэффициентам и найдем безразмерную величину обобщенного времени установления, которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах

Безразмерная величина обобщенного времени установления равна. Тогда время установления корректированного первого предварительного каскада равно Что соответствует необходимым условиям То есть введя индуктивную высокочастотную коррекцию в коллекторную цепь первого предварительного каскада уменьшили время установления. Схема корректированного первого предварительного каскада показана на рис. 3.2.1.

Рис. 3.2.1. Схема корректированного первого предварительного каскада

3.3 Определение входного сопротивления и входной емкости первого предварительного каскада Найдем входное сопротивление и входную емкость корректированного первого предварительного каскада для активной нагрузки где — входное сопротивление стабилизации равное общему сопротивлению в цепи базы. Выполнив подстановку всех уже известных значений найдем и :

Причем входное сопротивление и входная емкость первого предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать второй предварительный каскад.

Таким образом, получили следующие результаты

4. Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току

4.1 Расчет элементов стабилизации второго предварительного каскада Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току, проводим аналогично расчету первого предварительного каскада. Предварительные каскады должны быть одинаковыми, т. е. у них остается неизменным положение рабочей точки. Но, т.к. нагрузкой второго предварительного каскада являются входное сопротивление и емкость первого, приходиться произвести некоторый пересчет.

Пересчитаем сопротивление коллекторной нагрузки, т. е.

Округляем до номинала из ряда .

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада Целесообразно сделать напряжение питания одним и тем же для всех предварительных каскадов, т. е. .

Зная напряжение питания каскада и координаты рабочей точки, проверим не изменится ли сопротивление в цепи эмиттера

Номинальное значение в ряду стандартных сопротивленийОм Для расчета сопротивлений базового делителя и, зададимся током делителя :

Округлим до ближайшего номинального значения .

.

Округлим до ближайшего номинального значения .

В итоге получили следующие параметры

По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора, следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора Для нахождения коэффициентов и рассчитаем общее сопротивление в цепи базы:

Найдем коэффициенты и

Относительная величина нестабильности

4.2 Расчет времени установления второго предварительного каскада Для расчета времени установления второго предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке, эквивалентным сопротивлением. Время установления второго предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося на один предварительный каскад усилителя Чтобы определить время установления второго предварительного каскада без коррекции найдем эквивалентную постоянную времени Постоянная времени транзистора — прежняя, тоже не изменится. Зная входную емкость первого предварительного каскада, которая является для второго предварительного каскада емкостью нагрузки, рассчитаем постоянную времени

.

Определим эквивалентную постоянную времени

.

Тогда время установления второго предварительного каскада равно Что соответствует необходимым условиям Очевидно, время установления второго предварительного каскада меньше времени установления приходящегося на один каскад, следовательно, коррекцию вводить не нужно.

4.3 Определение входного сопротивления и входной емкости второго предварительного каскада Найдем входное сопротивление и входную емкость некорректированного второго предварительного каскада для активной нагрузки, оно находится по тем же самым формулам, что и для первого предварительного каскада Ом Причем входное сопротивление и входная емкость второго предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать входной каскад.

Таким образом, получили следующие результаты

Схема второго предварительного каскада будет отличаться от схемы первого, т.к. она не имеет высокочастотной индуктивной коррекции (см. рис. 4.3.1.).

Рис. 4.3.1. Схема второго предварительного каскада без коррекции

5. Расчет входного каскада

5.1 Расчет времени установления входного каскада Импульсный усилитель по заданию должен обладать значительным входным сопротивлением, которое можно обеспечить, применяя во входном каскаде биполярный транзистор включенный по схеме общий коллектор (эмиттерный повторитель). По условию входной каскад обладает коэффициентом усиления .

Напряжение источника питания В

Выбираем напряжение источника питания: E_П = 9 В.

Сопротивление в цепи эмиттера Номинальное значение в ряду стандартных сопротивлений Ом Определим эквивалентное сопротивление Рассчитаем постоянные времени

— коэффициент усиления следующего каскада.

Сопротивление цепи эмиттера входного каскада приблизительно равно сопротивлению цепи эмиттера КПУ, поэтому входной каскад в пересчете режима температурной стабильности не нуждается.

5.2 Расчет входного сопротивления и входной емкости входного каскада Для расчета входного сопротивления и входной емкости предвыходного каскада воспользуемся следующими формулами Условие выполняется Рис. 5.2.1 Схема входного каскада

6. Расчет вспомогательных цепей К вспомогательным цепям усилителя относятся разделительные конденсаторы, включаемые между каскадами которые обеспечивают развязку каскадов по постоянному току. Так же относятся блокировочные конденсаторы в цепях эмиттеров транзисторов (для полевого транзистора в цепи истока). Эти конденсаторы устраняют ООС по переменному току.

Введение

в схему элементов с большой постоянной времени приводит к появлению спада плоской вершины импульса. В принципе можно было бы поставить эти конденсаторы достаточно большой емкости для обеспечения требуемого спада плоской вершины. Но такой путь не приемлем, так как приводит к повышению массы и цены устройства. Потому обычно на емкости этих конденсаторов накладывают вполне определенные ограничения, в нашем случае они не должны превышать такие значения Выберем в качестве разделительных в качестве блокировочных. Во всех каскадах будем использовать именно эти конденсаторы.

Рассчитаем спад плоской вершины импульса, создаваемый этими конденсаторами для каждого каскада.

1. В выходном каскаде.

Спад плоской вершины импульса за счет цепи связи в выходном каскаде рассчитывается по формуле где Ом — сопротивление коллекторной нагрузки; - активная нагрузка выходного каскада; - длительности импульса.

Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера находиться как где и — низкочастотные параметры в рабочей точке выходного каскада.

Суммарный спад плоской вершины импульса в выходном каскаде равен

2. В первом предварительном каскаде.

Спад плоской вершины за счет цепи связи рассчитывается по той же самой формуле, только для первого предварительного каскада нагрузкой является входное сопротивление выходного каскада, и сопротивление коллекторной нагрузки равно .

Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера рассчитаем, пользуясь той же формулой, взяв g-параметры в рабочей точке первого предварительного каскада Суммарный спад плоской вершины импульса в первом предварительном каскаде равен

3. Во втором предварительном каскаде.

Спад плоской вершины за счет цепи связи во втором каскаде рассчитывается аналогично первому, только для второго предварительного каскада нагрузкой является входное сопротивление первого каскада, и сопротивление коллекторной нагрузки немного отличается от первого предварительного каскада .

Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера будет точно таким же, как и в первом предварительном каскаде, т.к. эти каскады имеют одинаковые g-параметры. Это обусловлено тем, что у них остается неизменным положение рабочей точки.

Суммарный спад плоской вершины импульса вовтором предварительном каскаде равен

4. В входном каскаде.

На вход эмиттерного повторителя подается сигнал с источника сигналов. Его внутреннее сопротивление обычно принимают за активное сопротивление R_г. Оно влияет на спад плоской вершины во входной цепи. Примем, что R_Г=0.1R_вх=150(Ом). Тогда спад плоской вершины во входной цепи (засчет С_р)

Определим общий спад плоской вершины всего усилителя, он находиться как сумма спадов всех каскадов Полученный спад удовлетворяет техническому задания, т. е. он меньше чем 3%.

5. Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах, напряжений, действующие на конденсаторы, и токов, протекающие через катушки индуктивности

1. Выходной каскад.

Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах Расчет напряжений, действующих на конденсаторы

2. Первый предварительный каскад.

Мощность, рассеиваемая на резисторах, и напряжения, действующие на конденсаторы, и в первом и во втором предварительном каскаде будут одинаковыми, т.к. параметры схемы почти не отличаются.

Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах Расчет напряжений, действующих на конденсаторы Для первого предварительного каскада ток через индуктивность равен

3. Второй предварительный каскад.

Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах Расчет напряжений, действующих на конденсаторы:

4. Входной каскад.

Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах Для всего усилителя выберем резисторы с максимальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт. Так как на всех конденсаторах падает не более 10 вольт, то выберем конденсаторы с допустимым напряжением 16 В.

Заключение

Зная коэффициент усиления каждого каскада, рассчитаем коэффициент усиления всего нашего каскада и сравним его с техническим заданием, причем рассчитанный должен быть больше либо равен заданному Заданный коэффициент равен Найдем коэффициент всего нашего усилителя Рассчитанный коэффициент усиления совпадает с заданным.

По аналогии, зная время установления каждого каскада, найдем время установления всего нашего усилителя, причем рассчитанное должно быть меньше либо равно заданному Вычислим получившееся время установления всего усилителя Основные параметры занесем в таблицу 5.

Таблица 5. Основные параметры усилителя