Расчёт и проектирование импульсного усилителя
Вывод В результате проделанной работы был спроектирован импульсный усилитель. За счет использования усилительных каскадов был получен необходимый коэффициент усиления, за счет повторительного каскада на выходе обеспечивается согласование с малым Rн. Также выполнены требования по граничным частотам. Таким образом, спроектированное устройство обеспечивает заданные параметры и передает сигнал без… Читать ещё >
Расчёт и проектирование импульсного усилителя (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ НГТУ Курсовой проект по схемотехнике Расчёт и проектирование импульсного усилителя Выполнил: Бадмаева Я.З.
Новосибирск
1.
Введение
Целью данной работы является приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным требованиям. В процессе работы производился расчёт параметров усилителя.
Импульсные усилители нашли широкое применение. Особенно широко они применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики, в приборах экспериментальной физики, в измерительных приборах.
Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или другом случае. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу активных элементов (транзисторов или ламп) и особенностям электрической схемы, так и по конструкции. Однако существует общая методика, которой следует придерживаться при проектировании усилителей.
Для импульсного усилителя применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту. Такие транзисторы называются высокочастотными.
В результате работы получили принципиальную готовую схему усилителя с известными номиналами элементов.
2.Описание работы Цель работы: спроектировать и рассчитать схему усилительного устройства на полевых транзисторах, обеспечивающего коэффициент усиления равный заданному.
Исходные данные к работе:
E0, В | К0 | Uвых, В | Rн, Ом | Rг, Ом | fн, Гц | fв, МГц | tu, мкс | fп, Гц | |
— 0,75 | ; | ; | 0,2 | 103 | |||||
В этой работе используются полевые транзисторы, что позволяет не рассчитывать температурную стабилизацию, поскольку работа полевого транзистора не зависит от температурных условий эксплуатации, и его характеристики остаются практически неизменными в диапазоне рабочих температур (-40…+85оС). Также отпадает необходимость проверки Fв, поскольку полевые транзисторы в основном работают в диапазоне частот от 400МГц, что более чем достаточно для выполнения поставленной задачи.
3. Расчетная часть
3.1.Расчет выходного каскада В качестве выходного каскада в данном усилителе служит истоковый повторитель (каскад с общим стоком).
Повторитель служит для согласования низкоомного Rн с выходом предыдущего каскада и исключает его перегрузку.
Рассчитываемый усилитель работает на малое Rн=75 Ом, поэтому повторитель на выходе необходим. Этот каскад повторяет форму входного сигнала и имеет коэффициент усиления близкий к 1, поэтому на амплитуду сигнала влияет несущественно.
Принципиальная схема каскада:
Эквивалентная схема каскада:
Расчет:
Требования к транзистору
Uси max тр >0,75В
Iс max тр > (23)Iвых = 30 мА
Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 7,5 мВт Выбираем КП302Г
Общие сведения Кремниевые планарные полевые с n-каналом и диффузионным затвором транзисторы предназначены для работы в приемной, усилительной и другой аппаратуре. Применение приборов во вновь разрабатываемой аппаратуре запрещается. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 1,5 г.
Ic max = 165мА; Uси max = 10 В; S = (714.5)мА/В; C11 = 8,7пФ; C12 = 2,6пФ;
Выберем рабочую точку транзистора:
Рабочий режим:
Iст (РТ) = 11мА
Uси (РТ) = 7,8В
Uзи (РТ) = 1,5 В Расчет элементов схемы:
Сумма сопротивлений делителя должна составлять (30ч150)кОм.
Выберем
R1+R2 = 80 кОм.
Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА
U2 = Uзи(РТ)+ Uси (РТ) = 9,3В
U1 = Еп — U2 = 2,7В
R1 = U1/Iдел = 2,7/0.15 кОм = 18кОм
R1(E24) = 18кОм
R2 = U2/Iдел = 9,3/0.15 кОм = 62кОм
R2(E24) = 62 кОм
Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) = 1,5/11 Ом = 136Ом
Rи(Е24) = 130 Ом
Rвх = R1||R2 = 18*62/80 кОм = 13,95 кОм
Rвх(Е24) = 13 кОм
Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (0,75 + 1,5)В = 2,25 В Кповт = Uвых/Uвх = 0,75/2,25= 0,333
3.2 Определение Кус каскадов, назначение требований по граничным частотам
N = 3
Fнк = Fп = 1 кГц
tф = (20ч30)% от tи = 0,04 ч 0,06 мкс
3.3 Расчет первого усилительного каскада Принципиальная схема каскада:
Эквивалентная схема каскада:
Этот усилительный каскад выполнен на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. Схема с ОИ является усилителем и обладает хорошей температурой стабильностью, большим входным сопротивлением. В цепи истока содержится последовательная обратная связь по току, которая шунтируется ёмкостью Си.
Расчет элементов схемы:
Rн = Rвх повт = 13 кОм
Uвых max = Uвх повт = 2,25 В фв=½*р*; фв= Rэкв*Cпар=*(С11+С12*к +См)
Cм = 5пФ
= 0,328 кОм =330 Ом
Rc(E24) = 330 Ом
Rc||Rн = 1/(1/330+1/13 000) = 321,83 Ом Требования к транзистору:
Uси max тр > 2,25В
Iс max тр > 36,364 мА
Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 81,819 мВт Выбираем КП902А.
Общие сведения Кремниевые планарные полевые, МДП с изолированным затвором и каналом n-типа полевые транзисторы предназначены для работы в приемно-усилительной, передающей и другой аппаратуре. Корпус металлокерамический, герметичный, с жесткими выводами и монтажным винтом. Масса транзистора не более 6 г.
C11 = 7пФ; C12 = 0,31пФ;
Выберем рабочую точку транзистора Рабочий режим:
Iст(РТ) = 30мА
Uси(РТ) = 3 В
Uзи(РТ) = 3 В Расчет элементов схемы:
Выберем R1+R2 = 80 кОм.
Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА
U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 6 В
U1 = Еп — U2 = 6 В
R1 = U1/Iдел = /0.15 кОм = 40 кОм
R1(E24) = 40 кОм
R2(E24) = 40 кОм
Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =3/30 кОм = 0,1 кОм
RИ(Е24) =0,1 кОм СИ(Е24) = 33 мкФ
gвых = g22 + gН +gC = 0.30 + 1/13 000 + 1/330 = 110 м А/В
Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/33) кОм = 19,388 кОм
Rвх(Е24) = 20 кОм
Rвых = 1/gвых = 9 Ом
Rвых(Е24) = 9,1 Ом
Uвх = -Uвыхmax / Kус = -2,25/7,665 В = -293 мВ
3.4 Расчет второго усилительного каскада Принципиальная схема каскада Эквивалентная схема каскада:
Этот усилительный каскад выполнен на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. Схема с ОИ является усилителем и обладает хорошей температурой стабильностью, большим входным сопротивлением. В цепи истока содержится последовательная обратная связь по току, которая шунтируется ёмкостью Си.
Расчет элементов схемы:
Rн = Rвх повт = 13 кОм
Uвых max = Uвх повт = 2,25 В фв=½*р*; фв= Rэкв*Cпар=*(С11+С12*к +См)
Cм = 5пФ
= 0,328 кОм =330 Ом
Rc(E24) = 330 Ом
Rc||Rн = 1/(1/330+1/13 000) = 321,83 Ом Требования к транзистору:
Uси max тр > 2,25В
Iс max тр > 36,364 мА
Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 81,819 мВт Выбираем КП902А Общие сведения:
Кремниевые планарные полевые, МДП с изолированным затвором и каналом n-типа полевые транзисторы предназначены для работы в приемно-усилительной, передающей и другой аппаратуре. Корпус металлокерамический, герметичный, с жесткими выводами и монтажным винтом. Масса транзистора не более 6 г.
C11 = 7пФ; C12 = 0,31пФ;
Выберем рабочую точку транзистора:
Рабочий режим:
Iст(РТ) = 30мА
Uси(РТ) = 3 В
Uзи(РТ) = 3 В Расчет элементов схемы:
Выберем R1+R2 = 80 кОм.
Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА
U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 6 В
U1 = Еп — U2 = 6 В
R1 = U1/Iдел = /0.15 кОм = 40 кОм
R1(E24) = 40 кОм
R2(E24) = 40 кОм
Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =3/30 кОм = 0,1 кОм
RИ(Е24) =0,1 кОм
Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (2,25+ 3) В = 5,25 В СИ(Е24) = 33 мкФ
gвых = g22 + gН +gC = 0.30 + 1/13 000 + 1/330 = 110 м А/В
Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/33) кОм = 19,388 кОм
Rвх(Е24) = 20 кОм
Rвых = 1/gвых = 9 Ом
Rвых(Е24) = 9,1 Ом
Uвх = -Uвыхmax / Kус = -2,25/7,665 В = -293 мВ
3.5 Расчет третьего усилительного каскада Принципиальная схема каскада Эквивалентная схема каскада Этот усилительный каскад выполнен на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. Схема с ОИ является усилителем и обладает хорошей температурой стабильностью, большим входным сопротивлением. В цепи истока содержится последовательная обратная связь по току, которая шунтируется ёмкостью Си.
Расчет элементов схемы:
Rн = Rвх 2 = 17,875 кОм
Uвых max = Uвх 2 = 10 В
= 695,3 Ом
Rc(E24) = 680 Ом
Rc||Rн = 1/(1/680+1/17 875) = 655,079 Ом Требования к транзистору:
Uси max тр > 10В
Iс max тр > 1,67мА
Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 16,7 мВт Выбираем КП902А, как в 1 м и во 2 м усилительных каскадах.
Выберем рабочую точку транзистора:
Рабочий режим:
Iст(РТ) = 10 мА
Uси(РТ) = 7 В
Uзи(РТ) = 0,5 В Расчет элементов схемы:
Выберем R1+R2 = 75 кОм.
Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/75 мА = 0,16 мА
U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 7,5 В
U1 = Еп — U2 = 4,5 В
R1 = U1/Iдел = 7,5/0.16 кОм = 46,875 кОм
R1(E24) = 47 кОм
R2 = U2/Iдел = 4,5/0.16 кОм = 28,125кОм
R2(E24) = 27 кОм
Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =0,5/10 кОм = 50 Ом
RИ(Е24) =51 Ом
Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (10+ 0,5)В = 10,5 В СИ(Е24) = 36 мкФ
gвых = g22 + gН +gC = 0.15+ 1/17 875+ 1/680 = 1.541*10-3 Cм
Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/27) кОм = 17,149 кОм
Rвх(Е24) = 18 кОм
Rвых = 1/gвых = 642.67 Ом
Rвых(Е24) = 620 Ом
Kус = -S/(g22 + gН + gC) = -/1.541 = -10.169
К0 = Кповт*К1*К2*К3 = 0,882*(-10.368)*(-10,266)*(- 10.169) = -954,648
3.6 Расчет разделительных ёмкостей Разделительные емкости рассчитываются из соотношения:
где берутся для каскадов, которые ёмкость разделяет.
Между вторым и третьим:
Между первым и вторым:
Между повторителем и первым:
Ср3-г(Е24) = 1,8 нФ Ср2−3(Е24) = 1,8 нФ Ср1−2(Е24) = 1,8 нФ Срповт-1(Е24) = 2 нФ Срн-повт(Е24) = 22 нФ
4.Схема усилительного устройства
5.Эпюры входного и выходного напряжений каждого каскада усилительного устройства
Поз. обозн. | Наименование | Кол. | Примечание | |
Транзисторы | ||||
VT1, VT2, VT3 | КП902А | |||
VT4 | КП302Г | |||
Конденсаторы | ||||
С1, С2, С4 | КМ-4 М-47−1п8±10% | |||
С3, С5 | К50−36мк-±10% | |||
С6 | КМ-4 М-47−2п0±10% | |||
С7 | К50−10мк-±10% | |||
С8 | КМ-4 М-47−2п2±10% | |||
Резисторы | ||||
R1 | МЛТ-0,25−47к±10% | |||
R2 | МЛТ-0,25−27к±10% | |||
R3 | МЛТ-0,25-M68±10% | |||
R4, R13 | МЛТ-0,25−51к±10% | |||
R5 | МЛТ-0,25-к62±10% | |||
R6 | МЛТ-0,25−39к±10% | |||
R7 | МЛТ-0,25−33к±10% | |||
R8 | МЛТ-0,25-к62±10% | |||
R9, R10 | МЛТ-0,25−36к±10% | |||
R11 | МЛТ-0,25-к36±10% | |||
R12 | МЛТ-0,25−62Е±10% | |||
R14 | МЛТ-0,25−24к±10% | |||
R15 | МЛТ-0,25−68Е±10% | |||
6.Вывод В результате проделанной работы был спроектирован импульсный усилитель. За счет использования усилительных каскадов был получен необходимый коэффициент усиления, за счет повторительного каскада на выходе обеспечивается согласование с малым Rн. Также выполнены требования по граничным частотам. Таким образом, спроектированное устройство обеспечивает заданные параметры и передает сигнал без искажений в нагрузку.
7.Список литературы
1.Транзисторы для аппаратуры широкого применения Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана