Расчёт импульсного усилителя

Курсовая работа.

На тему

Расчёт импульсного усилителя

1. Определение числа каскадов усилителя

Исходные данные для расчёта

Амплитудное значение выходного сигнала

Емкость нагрузки

Период следования импульсов (10 мс)

Длительность импульса

Время установления импульса

Выброс (3 %)

Спад плоской вершины (1.2%)

Максимальное значение ЭДС источника сигнала

Внутреннее сопротивление источника сигнала

Емкость источника сигнала

Минимальная температура окружающей среды

Исполнение: Транзисторы

Прежде всего решим вопрос о схеме оконечного каскада, зависящей от выходной мощности, частотного диапазона, характера нагрузки, уровня частотных и нелинейных искажений, и схеме первого каскада, определяемой данными источника сигналов.

Так как устройство предназначено для усиления однополярных импульсов, то выходной каскад может работать в экономичном классе В или АВ. Поскольку емкость нагрузки (100 пФ) невелика, то постоянная времени выходной цепи будет мала и, следовательно, сопротивление нагрузки может быть достаточно большим, лежащим примерно в области (500 ... 3000) Ом. Ориентировочно .. Тогда

Учитывая эти обстоятельства, и то, что допустимый импульсный ток транзистора в несколько раз превышает среднее значение, можно полагать, что в выходном каскаде можно использовать маломощный транзистор. Для импульсных усилителей используют специальные транзисторы, называемые высокочастотными, имеющие высокую предельную частоту коэффициента передачи тока. Так как предполагается достаточно большое сопротивление нагрузки, которое будет определено при расчете выходного каскада, то используем в нем включение с общим эмиттером. Выбор данного включения транзистора дает возможность увеличить усиление устройства.

Выбирая схему включения транзистора первого каскада, необходимо учитывать, что во входной цепи происходят потери мощности на внутреннем сопротивлении источника сигнала Rc . Для уменьшения этих потерь надо строить схему так (рисунок 1), чтобы ее входное сопротивление Rвх было не менее внутреннего сопротивления источника сигналов Rс. При этом коэффициент передачи входной цепи будет равен:

= Rвх / (Rвх + Rс); дБ = 20Log ().

Рисунок 1.

Так как по заданию , то в качестве первого каскада используем схему эмиттерного повторителя, обладающую повышенным входным сопротивлением.

Найдем ориентировочный коэффициент передачи входной цепи при заданном внутреннем сопротивлении источника сигналов Rс. С целью минимизации шумов используем режим согласования источника сигналов со входом усилителя. Ориентировочно для схемы эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором) примем кОм. Поэтому входное сопротивление первого каскада примем равным сопротивлению источника сигнала . Тогда коэффициент передачи входной цепи в линейных единицах и децибелах:

В децибелах:

При усилении слабых сигналов, промежуточные каскады малой мощности обычно выполняют по одноактной схеме, работающей в режиме класса А, при включении транзистора с общим эмиттером.

Так как проектируемый усилитель имеет небольшое время установления, то необходимость введения в усилитель схем высокочастотной коррекции проверим, рассчитав коэффициент коррекции.

Используемые в высокочастотных схемах биполярные транзисторы имеют в среднем критическую частоту порядка fт = (150 ... 200) Мгц и усиление по току h21э = (50 ... 200). Пусть, пока ориентировочно, а . Тогда:

В децибелах

Так как коэффициент коррекции оказался меньше единицы, то в промежуточных каскадах нужно применить схему высокочастотной коррекции.

Поскольку решение о типах каскадов в схеме принято, решим вопрос о количестве промежуточных каскадов, которые обычно полагают однотипными. Нужно определить усиление, приходящееся на эти каскады. Для этого сначала вычислим общее сквозное усиление устройства путем деления выходного напряжения Uвых на входную ЭДС Eс. Сквозной коэффициент усиления (по ЭДС) в линейных единицах и децибелах:

Находим ориентировочное усиление первого К1 дБ, оконечного Кок дБ и промежуточных каскадов Кпр дБ по таблице:

Из таблицы определяем ориентировочные коэффициенты усиления отдельных каскадов:

коэффициент усиления первого каскада - эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе (схема с ОК).

коэффициент усиления оконечного каскада - биполярный транзистор по схеме с общим эмиттером.

коэффициент усиления промежуточного каскада - биполярный транзистор по схеме с общим эмиттером

Число каскадов n предварительного усиления определяем в соответствии с формулой

Полученное значение n округляем до ближайшего большего целого числа.

Таким образом, усилитель будет состоять из предварительного каскада из биполярного транзистора по схеме эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором), двух промежуточных каскадов, где биполярный транзистор включен с общим эмиттером, и оконечного каскада во включении биполярного транзистора с общим эмиттером.

2. Выбор активных элементов

Транзисторы в схеме выбираем:

по частотным свойствам.

максимальные значения токов, напряжений не должны превышать допустимых значений.

импульсная и средняя мощности, действующие в схеме, не должны превышать допустимых значений.

Транзистор в том или ином каскаде считается окончательно выбранным, если у него не превышены максимально допустимые: ток, напряжение, мощность. Транзистор будет работать надежно, если он выбран по перечисленным параметрам с коэффициентом запаса порядка (0.7 ... 0.8). Кроме того, транзистор должен обеспечивать нужные частотные свойства, для чего его критическая частота должна удовлетворять условию:

fт = (2...5) / tу;

Выберем транзистор для оконечного каскада.

Так как оконечный каскад будет работать в классе В, то максимально допустимую импульсную мощность транзистора найдем из условия:

Рмакс = (0.25 ... 0.35) = Pвых

Максимальный ток в нагрузке:

Коллекторный ток транзистора:

Требуемая критическая частота (fт = (2 ... 5) / tу). Для выходного каскада из общих искажений время установления отводят на уровне tу_ок = (0.6 ... 0.8) * tу. Пусть:

Предпочтительно так проектировать усилитель, чтобы он имел один источник питания. Напряжение источника питания Е зависит от максимального значения выходного сигнала и схемы оконечного каскада.

Наличие постоянной составляющей на выходе усилителя нежелательно. Так как в качестве выходного используется резисторный каскад, то Е = (1.2...1.8)*Uвых макс - для однополярных импульсных сигналов.

Требуемое напряжение питания (напряжение питания оконечного каскада):

В соответствии с этим выбираем округленно напряжение питания выходного каскада и всего усилителя в целом:

Теперь можно выбрать транзистор для оконечного каскада.

Согласно произведенным выше расчётам:

Паспортные данные широко используемых транзисторов малой мощности приведены в таблице:

Учитывая произведённые выше расчёты, выберем для оконечного каскада транзистор типа КТ373А.

Так как оконечный каскад с общим эмиттером усиливает сигнал по напряжению и по току, то предварительные каскады работают в режиме малых сигналов и для них подойдет любой из высокочастотных маломощных корпусных транзисторов. Поэтому выберем однотипный транзистор широкого применения типа КТ325А.

На входе усилителя, как было указано ранее, используем эмиттерный повторитель на транзисторе КТ315А.

Учитывая невысокую выходную мощность усилителя, выберем мостовую схему источника питания с RC-фильтром.

3. Составление структурной схемы проектируемого устройства

Итак, теперь предварительный расчет позволяет выполнить структурную схему (рисунок 2) усилителя и его ориентировочную принципиальную схему (рисунок 3).

Рисунок 2. Структурная схема проектируемого усилителя.

Рисунок 3. Принципиальная схема проектируемого усилителя.

4. Распределение искажений и других параметров по каскадам

Распределим переходные искажения, учитывая следующие особенности:

Искажения плоской вершины импульсов вносят емкости связи, емкости в цепях эмиттерной или истоковой термостабилизации.

Искажения фронтов импульсов обусловлены действием внутренних емкостей транзисторов.

Внутри каскада наибольшее влияние на переходные искажения оказывает емкость в цепи термостабилизации.

Выходные каскады, как правило, вносят большие частотные искажения по сравнению с каскадами предварительного усиления.

Не менее половины от переходных искажений вносится последним по схеме каскадом с общим эмиттером.

Во входной цепи большое сопротивление источника сигнала может существенно влиять на время установления или полосу пропускания по высоким частотам.

Так как в импульсном усилителе наибольшие переходные искажения вносит, как правило, оконечный каскад, то на него отводят большую часть из общих искажений. При этом учтём, что если взять время установления оконечного каскада tу ок = 0.8 *?tу общ, то, в силу квадратичной связи искажений фронта импульсов, на остальные каскады будет приходиться tу ост = 0.6 *?tу общ.

Распределим переходные искажения по каскадам. При этом будем иметь в виду, что при расчете отдельных каскадов нужно будет распределять эти искажения по элементам схемы.

Параметры усилителя в области малых времен (ty и ) определяются частотными свойствами транзисторов и постоянной времени выходной цепи. Учитывая описанные ранее рекомендации, осуществим распределение переходных искажений по каскадам.

Расчётное время установления усилителя.

Время установления выходного каскада.

Время установления для остальных каскадов.

Из этой цифры на входную цепь, учитывая ее высокоомный характер, отведем 0.8 долю.

Время установления для входной цепи.

На остальные три каскада искажения распределим равномерно.

Время установления третьего каскада.

Время установления второго каскада.

Время установления первого каскада.

Аналогично производим распределение допустимого выброса на фронте импульса, учитывая то, что некорректируемые каскады не создают выбросов, а в корректируемых каскадах отсутствие или наличие выбросов зависит от выбора коэффициента коррекции. Поведение эмиттерного повторителя также зависит от параметров нагрузки. В рассматриваемой схеме все каскады и входная цепь содержат элементы коррекции. Будем полагать, что они создают небольшие выбросы. Тогда пусть: Расчётный выброс усилителя - = 3 %

Выброс в выходном (четвертом) каскаде.

Выброс в остальных каскадах. На остальные три каскада и входную цепь искажения распределим равномерно.

Выброс в третьем каскаде.

Выброс во втором каскаде.

Выброс в первом каскаде.

Выброс во входной цепи.

Распределим переходные искажения в области больших времен (спады плоской вершины) по каскадам, учитывая линейное суммирование этих величин. Будем иметь в виду, что чем больше постоянная времени той или иной цепи, тем меньше она влияет на общую цифру спада плоской вершины. Тогда:

Расчетный спад в усилителе

Спад плоской вершины в первом каскаде.

Спад плоской вершины во втором каскаде.

Спад плоской вершины в третьем каскаде.

Спад плоской вершины в четвертом каскаде

Проверяем правильность вычислений.

Распределим переходные искажения в области больших времен по элементам схемы, учитывая то, что емкости связи в сравнении с конденсаторами в цепях эмиттерной термостабилизации вносят гораздо меньшую долю переходных искажений.

Поэтому в каскадах с первого по третий отведем для конденсаторов связи 0.1 долю от искажений на каскад. На конденсаторы в цепях термостабилизации останется 0.9 часть этих искажений.

Переходные искажения емкости связи С1.

Переходные искажения емкости С3 в цепи истоковой термостабилизации.

Переходные искажения емкости связи С2.

Переходные искажения емкости С6 в цепи эмиттерной термостабилизации.

Переходные искажения емкости связи С5.

Переходные искажения емкости С9 в цепи эмиттерной термостабилизации.

На выходе четвертого каскада есть еще емкость связи с нагрузкой. Чем ниже сопротивление нагрузки и меньше выходное сопротивление каскада, тем большие переходные искажения вносит эта емкость. В данной схеме сопротивление нагрузки сравнительно велико. Поэтому отведем входному конденсатору связи С8 - 0.1 долю от общих искажений каскада, на выходной конденсатор связи С10 - 0.3 часть, а на емкость в цепи эмиттерной термостабилизации С11 - оставшуюся 0.6 часть. Тогда:

Переходные искажения емкости связи С8.

Переходные искажения емкости связи С10.

Переходные искажения емкости С11 в цепи эмиттерной термостабилизации.