Импульсный усилитель

Министерство образования и науки Российской Федерации.

ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова».

Кафедра радиотехники и радиотехнических систем.

Курсовой проект

по дисциплине Схемотехника АЭУ

на тему: «Импульсный усилитель»

Выполнил: студент гр. РТЭ 41−11

Макаров А.П.

Проверил: профессор

Пряников В.С.

Чебоксары 2013.

1. Введение

2. Структурная схема импульсного усилителя

3. Выбор типа транзистора для выходного и предварительных каскадов усилителя

4. Выбор режима и расчет выходного каскада

5. Расчёт схемы температурной стабилизации рабочей точки предварительного каскада

6. Расчет входной цепи

7. Определение числа предварительных каскадов

8. Определение основных параметров предварительного каскада

9. Расчёт вспомогательных цепей

Заключение

о результатах проектирования

1. Введение

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 прецезионных 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. Несмотря на это можно наметить некоторую общую линию, которой представляется удобным придерживаться при проектировании усилителей.

Проектирование многокаскадного усилителя характеризуется в первую очередь тем, что решение не является однозначным. В связи с ним возникает задача выбора оптимального варианта. Решая вопрос о том, какому варианту следует отдать предпочтение, необходимо, выполняя электрический расчет, принимать во внимание также и дополнительные соображения, которые связаны главным образом с условиями производства усилителя и условиями его эксплуатации.

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

При проектировании усилителя задачу выбора схемы и параметров отдельных каскадов 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 условия к отдельным каскадам усилителя или к усилительным секциям и вести их расчет па основании этих частных условий, которые должны находиться в определенной связи друг с другом.

Быстрое совершенствование полупроводниковых триодов, непрерывное повышение верхней границы частотного диапазона, в котором они могут использоваться, сделало возможным конструирование транзисторных импульсных усилителей.

По сравнению с лампами полупроводниковые триоды имеют значительно больший срок службы, потребляют меньшую мощность от источника питания, обладают меньшим весом и габаритами, устойчивы к динамическим нагрузкам. Но им свойственны и недостатки, из которых прежде всего следует отметить большой разброс параметров, зависимость параметров от температуры окружающей среды, значительную внутреннюю обратную связь и малое входное сопротивление. Эти особенности транзисторов необходимо учитывать при проектировании.

2. Структурная схема импульсного усилителя

Структурная схема усилителя импульсных сигналов дана на рис. 2.1

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного усилителя: каскады 1- (n-1) — предварительные; каскады 2 — (n-1) — также и промежуточные.

Блок предварительного усиления включает входной (первый), каскад или входную (первую) усилительную секцию, а также промежуточные каскады или промежуточные усилительные секции. В общем случае блок предварительного усиления может содержать как отдельные каскады, так и усилительные секции.

Параметры входной цепи зависят от данных выходного (внутреннего) сопротивления источника сигнала Z_г и данных входного сопротивления первого каскада. Входное сопротивление последнего, как известно, зависит от выбора активного элемента и схемы его включения, а также от наличия или отсутствия цепи отрицательной обратной связи, охватывающей первый каскад. В отношении входной цепи приемлемым следует считать такое решение, при котором коэффициент передачи входной цепи был бы по возможности ближе к единице, а время нарастания фронта импульса было бы меньше или не превышало бы (при отсутствии особых обстоятельств) время установления предварительного каскада усиления.

Расчет входной цепи и первого каскада можно выполнить как раздельно, так и совместно. Следует отметить, что применение высокочастотной коррекции в первом каскаде позволяет (благодаря ускоренной реакции первого каскада) компенсировать относительно медленное нарастание фронта импульса во входной цепи при большом внутреннем сопротивлении источника сигнала. Иногда для уменьшения времени установления входной цепи перспективно применение на входе усилителя гибридной усилительной секции, сочетающей каскады на полевом и биполярном транзисторах, использование которой позволяет улучшить показатели усилителя.

Выходной каскад осуществляет связь усилителя с нагрузкой. Расчет выходного каскада и выбор режима его работы, в отличие от остальных каскадов, связан со следующими особенностями: 1) необходимостью получения на данном сопротивлении нагрузки усилителя импульса напряжения определенной амплитуды и полярности; 2) необходимостью максимально использовать возможности активного элемента, поскольку этому в большинстве случаев соответствует экономически наиболее выгодное решение; 3) необходимостью выбрать схему каскада и режим активного элемента по постоянному и переменному токам так, чтобы время установления в выходном каскаде при допустимом выбросе не составляло бы слишком большой части общего времени установления усилителя (желательно не более 60%), так как иначе потребовалось бы большее число каскадов (или усилительных секций) в блоке предварительного усиления, а также усложнилась бы схема каскадов.

Предварительное усиление обычно выполняется на одинаковых каскадах или усилительных секциях (исключение составляет иногда первый каскад или первая входная усилительная секция).

При одинаковых каскадах или секциях можно более точно определить основные параметры блока предварительного усиления (коэффициент усиления, время установления фронта импульса и выброс) даже тогда, когда выброс в переходной характеристике значителен.

Применение усилительных секций с цепями отрицательной обратной связи разного вида способствует более стабильной работе блока предварительного усиления и всего усилителя. Если к стабильности работы усилителя не предъявляются слишком жесткие требования, допустимо использование усилительных секций с взаимно корректированными каскадами.

Выбор типа активного элемента (биполярный транзистор, полевой транзистор, лампа) обычно не представляет трудностей. Разработка биполярных транзисторов с высокой верхней граничной частотой значительно ограничила использование электронных ламп в высокочастотной аппаратуре и, в частности, в схемах импульсных усилителей.

С микроминиатюризацией радиоаппаратуры и совершенствованием технологии ее производства выявились новые особые требования к конструктивным параметрам активных элементов, которым вакуумные приборы не удовлетворяют. В современных импульсных усилителях преимущественно используются биполярные транзисторы, имеющие высокую добротность. Полевые транзисторы характеризуются значительно меньшей добротностью чем биполярные транзисторы и лампы, что обусловлено сравнительно малой крутизной характеристики тока стока и большой входной динамической емкостью. Указанное существенно ограничивает область самостоятельного использования полевых транзисторов (не в сочетании с биполярными) особыми случаями, когда применение других активных элементов по условиям эксплуатации неприемлемо. Укажем здесь, что по сравнению с биполярными транзисторами полевые транзисторы характеризуются повышенной радиационной стойкостью, а также способны работать в условиях широкого изменения температуры внешней среды. В частности, полевые транзисторы успешно работают при весьма глубоком охлаждении, причем их электрические параметры при этом улучшаются. Это позволяет применять их в приборах, предназначенных для исследований в области физики низких температур.

3. Выбор типа транзистора для выходного и предварительных каскадов усилителя.

Транзистор для выходного каскада выбирается исходя из заданной амплитуды импульса напряжения на выходе усилителя () и времени установления усилителя (), также обратим внимание на то, что в схеме имеется активная низкоомная нагрузка (кабель), что ведет к необходимости использования транзистора с большим значением I_{K MAX}.

По частоте: f_T?3/t_У

По напряжению: U_ВЫХ<�Е_ПK_ЭMAX

Напряжение источника питания Е_П= 10 В, U_KЭMAX?1.2Е_П(12В)

Указанным требованиям удовлетворяет транзистор типа ГТ320А — германиевый сплавно-диффузионный p-n-p транзистор для работы в импульсных схемах.

Электрические параметры транзистора:

g₁₁= 0,0008 См

g₂₁= 38 мА/В.

r_б= 70 Ом — сопротивление базы.

C_K= 5,6 пФ — емкость коллектора.

ф = 0,0059 мкс — постоянная времени цепи.

I^*_KO =2 мкА — обратный ток коллектора.

I_{K MAX}=150 мА — постоянный ток коллектора.

U_{КЭ MAX}= 12 В — напряжение коллектор-эмиттер.

Этот же транзистор выбираем для использования в предварительных каскадах усиления.

4. Выбор режима и расчет выходного каскада

Режим выходного каскада выбираем с помощью входной и выходных характеристик. Так как импульс напряжения на нагрузке усилителя должен иметь отрицательную полярность, выбираем положение рабочей точки при Е_КО= 1 В и I_КО= 53 мА, что соответствует току базы I_БО= 1 мА и напряжению Е_БО = 0,48 В. Через рабочую точку из точки Е_К= Е_П проводим нагрузочную прямую для постоянного тока (статическую линию нагрузки). Ее наклон соответствует общему сопротивлению постоянному току в цепях эмиттера и коллектора, равному:

R_=,

где I_K — ток, соответствующий точке пересечения нагрузочной прямой с осью ординат.

Учитывая, что усилитель имеет низкоомную нагрузку (кабель), для согласования в цепь коллектора включается резистор R_К=с_каб=150 Ом, общее сопротивление по переменному току R_~= с_каб/2=75 Ом.

Динамическая характеристика:

E_К~= Е_КО+I_КО*R_~=1+0,053*75=4,9 В

I_К~= I_КО+E_КО/R_~ =

— ток, соответствующий точке пересечения динамической характеристики по переменной составляющей с осью ординат.

Сопротивление в цепи эмиттера:

R_Э= R_- R_К=166−150=16 Ом (ближайший номинал 16 Ом)

Находим коэффициент усиления выходного каскада, предварительно определив по входной характеристике амплитуду импульса |Е_бMAX— Е_бo | на его входе:

К_вых= U_вых/|Е_бMAX— Е_бo|=5/|0,48−0,35|=38

Выбираем схему температурной стабилизации рабочей точки с отрицательной обратной связью по току (эмиттерную схему стабилизации). Допустимое изменение тока коллектора? I_KO примем равным 2 мА. Имея в виду, что для транзистора при t= =20° С обратный ток коллектора I^*_KO равен 2 мкА (предельное значение), определяем изменение обратного тока коллектора при возможном изменении температуры окружающей среды? t=t_MAX— 20° = 60° — 20° = 40° С:

?I^*_KO=2*10^-6(?^0.09*40-1)=0,071 мА.

Находим коэффициент нестабильности:

N_s=? I_KO /? I^*_KO=2/0,071=28

Определяем коэффициент усиления по току б₀, входное сопротивление схемы стабилизации рабочей точки, сопротивления резисторов R₁ и R₂ делителя в цепи базы и ток делителя (при расчете используем данные, полученные при выборе режима транзистора: I_KO= 53мА, I_бо = 1мА, Е_бо = 0,48 В):

(Выбираем значение по ГОСТу 1300 Ом).

(Выбираем значение по ГОСТу 3900 Ом)

Как следует из расчета, I_Д<KO_.

Переходим к расчету времени установления выходного каскада t_ВЫХ.

Проверим, можно ли выполнить каскад некорректироранным. Точка с координатами I_KO-I_m/2 и Е_КО+Е_вых/2, соответствующая середине рабочего участка прямой нагрузки для переменного тока, не достаточно близка к точке Е_КО=3,5B и I_KO =31мА, для которой указаны усредненные низкочастотные и высокочастотные параметры транзистора. Поэтому необходимо пересчитать параметры.

g₁₁= I_KO / I_{KO спр}* g_11спр=31/1*0,0008=0,025 См

g₂₁= I_KO / I_{KO спр}* g_21спр=31*0,038=1,18 А/В.

C_K= * C_{K спр}=*5,6 =8 пФ.

ф= I_KO / I_{KO спр}*ф_спр=31*0,0056=0,183 мкс.

t_ВЫХ=2,2ф_Э,

ф_Э=С₀R_~,

где С₀= С_М +С_Н +С_К

С_М-емкость монтажа (4−5 пФ);

С_Н -емкость нагрузки;

С₀= 8+5=13 пФ

t_ВЫХ=2,2*13*10^-12*75=0,0021 мкс

Получили, что t_ВЫХ(0,0021 мкс)<0,6t_У(0,41 мкс). Следовательно, коррекция не требуется.

5. Расчёт схемы температурной стабилизации рабочей точки предварительного каскада

Как уже указывалось, для работы в предварительных каскадах выбран транзистор ГТ320А. Приводимые в справочниках значения параметров измерены при определенных значениях Е_КО и I_KO. В случае выбора рабочей точки с другими координатами Е_КО и I_KO необходимо произвести пересчет значений параметров. По выходным характеристикам в соответствии с выбранным режимом определим координаты точки (I_KO-I_m/2 и Е_КО+Е_ВЫХ/2), к которой должны быть пересчитаны низкочастотные и высокочастотные параметры. По справочным данным о низкочастотных и высокочастотных параметрах транзистора производят пересчет параметров к указанной точке.

I_KO=53−44/2=31 мА.

Е_КО=1+5/2=3,5 В.

При этом I_БО= 0,6 мА, Е_БО= 0,43 В.

g₁₁= I_KO / I_{KO спр}* g_11спр=31/1*0,0008=0,025 См

g₂₁= I_KO / I_{KO спр}* g_21спр=31/1*0,038=1,18 А/В.

C_K= * C_{K спр}=*5,6 =8 пФ.

ф= I_KO / I_{KO спр}*ф_спр=31/1*0,0056=0,183 мкс.

Определим соответствующее этому режиму сопротивление постоянному току R_. Учитывая, что нагрузочная прямая для постоянного тока выходит из точки Е_К = Е_П и проходит через рабочую точку, найдем:

Зададимся сопротивлением резистора в цепи эмиттера равным 68 Ом (в этом случае сопротивление в цепи коллектора должно быть равно R_ - R_Э =210−68 = 142 Ом и слагаться в общем случае из сопротивлений резисторов R_K и R_Ф).

Допустимое изменение тока коллектора примем равным 2 мА.

При расчете выходного каскада было определено изменение обратного тока коллектора (расчет сохраняет справедливость и для предварительных каскадов), равное 0,071 мА. Таким образом, для коэффициента нестабильности получим

N_s=? I_KO /? I^*_KO=2/0,071=28.

Далее последовательно определяем входное сопротивление схемы стабилизации рабочей точки, сопротивления резисторов делителя в цепи базы R₁ и R₂, а также ток делителя I_Д:

(ближайший номинал 8200 Ом),

(Выбираем значение по ГОСТу 8200 Ом),

Как следует из расчета, ток делителя I_Д существенно меньше постоянной составляющей тока коллектора I_KO.

6. Расчет входной цепи

При расчете входной цепи воспользуемся описанием схемы 4.6 (§ 4.1, учебник Варшавера), полагая предварительно, что нагрузкой источника сигнала является входная проводимость каскада, не охваченного цепью отрицательной обратной связи.

Определяем эквивалентное сопротивление R₀:

Коэффициент передачи входной цепи:

Определяем постоянную времени, ориентировочно полагая коэффициент усиления первого каскада равным 15:

Находим эквивалентную постоянную времени и далее время установления фронта импульса во входной цепи:

t _У.ВХ=2,2ф_Э=2,2*0,142=0,31 мкс.

7. Определение числа предварительных каскадов

Определяем число предварительных каскадов усиления.

Для этого находим время установления и коэффициент усиления предварительных каскадов:

t_*=

K_*=

Добротность каскада:

Находим произведение Dt_*:

Dt_*=401 232 887,1*0,61*10^-6=245

Учитывая отрицательную полярность выхода импульса, примем число предварительных каскадов равным двум (n=2).

Определяем ориентировочно коэффициент усиления и время установления одного предварительного каскада:

К_пр=

t_пр=

8. Определение основных параметров первого и второго каскада.

Начнем с расчета второго предоконечного каскада.

Определяем эквивалентное сопротивление R₀:

Используя формулу эквивалентного сопротивления R₀, находим сопротивление резистора R_К2 (в выражение R_К2 входит входное сопротивление схемы стабилизации рабочей точки транзистора выходного каскада):

(ближайший номинал 15 Ом).

Находим постоянные времени ф_i и ф_s (в выражение ф_s входит коэффициент усиления выходного каскада):

Определяем эквивалентную постоянную времени:

Рассчитаем время установления второго каскада:

Переходим к расчету первого каскада. Эквивалентное сопротивление R₀ в первом каскаде будет таким же, как и во втором (каскады имеют одинаковый коэффициент усиления), т. е. R₀ = 11 Ом.

Находим постоянные времени:

Время установления первого каскада:

Исходя из формулы эквивалентного сопротивления R₀, определяем сопротивление резистора в цепи коллектора:

(ближайший номинал 15 Ом).

Расчет показал, что требования к основным параметрам каскадов усилителя удовлетворяются. Фактическое время установления фронта импульса во входной цепи будет несколько меньше, если учесть, что коэффициент усиления первого каскада меньше того, который был ориентировочно принят при расчете входной цепи.

Результирующее время установления на выходе:

t_у.общ.=мкс.

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 7.1.

Принципиальная схема рассчитанного усилителя.

9. Расчет вспомогательных цепей

Расчет основных параметров предварительных каскадов показал, что сопротивления резисторов R_K1 в первом каскаде, а также сопротивление резистора R_К2 во втором каскаде существенно меньше общего сопротивления в цепи коллектора каждого каскада. Поэтому во всех предварительных каскадах предусматриваем фильтрующие (корректирующие) ячейки в цепях коллектора.

Определяем сопротивление резистора R_ф в первом каскаде:

R_ф=R_-R_Э-R_K=166−68−15=83 Ом (ближайший номинал 82 Ом).

Во втором каскаде, где сопротивление резистора также равно 15Ом, резистор R_ф также можно выбрать с номинальным сопротивлением 82 Ом.

Зададимся следующими емкостями конденсаторов в цепях связи и эмиттера: С _С = 22 мкФ, С_Э = 500 мкФ.

Определим спад плоской вершины импульса за счет цепей связи.

Входная цепь:

(0,3%)

Первый и второй каскады:

(0,53%)

(0,51%)

Спад плоской вершины импульса за счет цепи в эмиттере во всех каскадах усилителя, одинаков, при этом

(1,44%)

Общий спад плоской вершины импульса, вызванный цепями связи и эмиттера (в процентах):

%

Исходя из формулы подъема плоской вершины импульса за счет цепи фильтрующей (корректирующей) ячейки в цепи коллектора определим емкость конденсатора С_Ф, задаваясь подъемом плоской вершины импульса, равным 2,5%, на одну корректирующую ячейку.

Первый каскад:

Второй каскад:

Конденсаторы С_ф выбираем одинаковой емкости —10 мкФ (ближайший меньший номинал).

Результирующее искажение плоской вершины импульса

?=?_С+?_Э-?_Ф=1,34+4,32−5=0,66%

На этом расчет усилителя заканчивается. Все требования, которые были предъявлены к усилителю, выполнены. Как следует из результатов расчета, необходимости в его уточнении не возникло.

импульсный усилитель каскад транзистор

Заключение

о результатах проектирования

В ходе проектирования импульсного усилителя приобрели опыт самостоятельной работы по проектированию усилителей. Обосновали выбор структурной схемы усилителя, произвели расчет отдельных каскадов усилителя и схемы стабилизации режима предварительного каскада (в ходе которого убедились в правильности расчета стабилизации режима). В итоге получили усилитель с нижеприведенными параметрами:

1. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания к курсовому проекту/Сост. В. С. Пряников; Чувашский университет, Чебоксары, 2001 г.

2. Варшавер Б. А. Расчет и проектирование импульсных усилителей.

3. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией Н. В. Терпугова. М.: Высшая школа, 1982 г.

4. Проектирование усилительных устройств на транзисторах. Учебное пособие для вузов. М., «Связь», 1972.

5. Пряников В. С. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебное пособие. Чебоксары, 1998 г.

6. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания к курсовому проекту/Сост. В. С. Пряников; Чувашский университет, Чебоксары, 2010 г.

7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман и др. Под ред. Б. Л. Перельмана.- М.: Радио и связь, 1981.