Схемотехника аналоговых электронных устройств

Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева

РАСЧЁТ ТРАНЗИСТОРНОГО И МИКРОСХЕМНОГО ВАРИАНТА

«АПЕРИОДИЧЕСКОГО

УСИЛИТЕЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ»

Расчетно-пояснительная записка к курсовой проекту по дисциплине

«Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Специальность 210304(2016)

КАЗАНЬ, 2009



Содержание

Задание

Расчет структурной схемы

Расчет усилителя на транзисторах

Расчет выходного каскада

Расчет предоконечного каскада

Расчет второго каскада

Расчет первого каскада

Расчет усилителя на ИМС

Список литературы

Расчет структурной схемы

Анализируя исходные данные, мы можем предположить следующее:

Входной каскад выберем по схеме ОЭ (общий эмиттер), так как внутреннее сопротивление источника сигнала R1=1 кОм.

Выходной каскад также выберем по схеме ОЭ, так как сопротивление нагрузки Rн=20 кОм (то есть Rн >300 Ом ).

При заданном общем коэффициенте усиления К=5000 мы можем определить коэффициент усиления, требуемого от каскадов предварительного усиления, Кпр по следующей формуле:

=(1,5…2)*К/Квц,

Квц - коэффициент ослабления сигнала во входной цепи. Квц=0.6…0,8.

Подставляя в это равенство численные значения, получим

=1,6*5000/0,7=11428,5

Учтем, что , где n - число каскадов предварительного усиления; а также то, что один каскад может усиливать в 8…12 раз (для простоты расчетов положим 10); и тогда получим, что

n=lg=lg11428,5=4,05, округляя в меньшую сторону, получим число каскадов предварительного усиления, равное четырем (n=4).

После рассчитаем коэффициент усиления, который потребуется от каждого из четырех каскадов

Далее найдем параметры, характеризующие искажения импульса.

Для оптимального распределения времени установления (длительности фронта) между каскадами можно предположить, что все они должны характеризоваться одинаковой длительностью фронта:

Время установления многокаскадного усилителя можно приближенно определить как корень квадратный из суммы квадратов времен установления отдельных каскадов:

, где - время установления n-го каскада.

И если, то

,

таким образом, длительность фронта одного каскада предварительного усиления

Спад вершины импульса в многокаскадном усилителе ? приближенно равен сумме спадов, которые вносят входящие в усилитель каскады, то есть

Тогда

Для полной компенсации спада вершины импульса следует удовлетворить условию

??п - суммарный подъём, ??с - суммарный спад

Тогда точно так же находим значения выбросов

Таким образом, структурная схема усилителя будет выглядеть следующим образом

Рис. 1 Структурная схема усилителя

Расчет усилителя на транзисторах

Транзистор необходимо выбирать по граничной частоте работы , которая должна быть в три раза больше верхней частоты усилителя (): .

Также необходимо обеспечить требуемую мощность рассеивания , которую можно определить как

.

Итак, нам необходимо выбрать транзистор, у которого граничная частота , а рассеиваемая мощность

Для работы выберем транзистор КТ 325А, обладающий следующими характеристиками:

- обратный ток коллектора…………………………………… мкА

- ёмкость коллекторного перехода……………………………

- ёмкость эмиттерного перехода………………………………

- максимальный ток коллектора…………………………. мА

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер……………..В

- максимальное напряжение база-эмиттер…………………….В

- постоянная времени цепи обратной связи…………………….. В

- максимальная рассеиваемая мощность ……………........

-типовое значение граничной частоты……………………….

Выходной каскад

Рис.2 Принципиальная схема оконечного каскада.

1.Рабочую точку выберем исходя из следующих соображений: рабочая точка должна находиться в начале линейного участка входной характеристики транзистора. Учитывая это, построим нагрузочную прямую (рис. 3) и определим параметры точки (А), необходимые для дальнейших расчетов.

Рис. 3 Входная и выходная вольтамперная характеристики

Таким образом, получаем, что рабочая точка имеет следующие параметры:

Теперь найдем сопротивление по постоянному току . По нагрузочной прямой определяем, что , тогда

,

После этого рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:

, где - напряжение источника питания;

, номинал .

Далее найдем сопротивление в цепи коллектора :

, ближайшее номинальное сопротивление резистора .

Сопротивление по переменному току будет равно

.

.

Найдем необходимые для расчетов g-параметры:

2.Определим допустимое изменение тока коллектора как :

Проведем оценку изменения обратного тока :

,

,

тогда

Определим коэффициент нестабильности коллекторного тока, определяющийся как отношение изменения коллекторного тока к изменению обратного тока коллекторного перехода :

Перейдем к расчету сопротивления делителя

, где

, подставляя значения g-параметров, получаем

тогда сопротивление делителя будет равно

.

Теперь мы можем найти значения сопротивлений резисторов и , входящих в состав этого делителя.

, номинал .

, номинал

3.Коэффициент усиления каскада будет следующим

-выходная проводимость

- проводимость в цепи коллектора;

-проводимость нагрузки;

Пусть требуемый коэффициент усиления от оконечного каскада будет составлять, тогда фактор обратной связи F будет равен

Таким образом, вводя отрицательную обратную связь (ООС) с фактором обратной связи F=7,57 , мы уменьшаем коэффициент усиления в F раз и F раз уменьшаем время установления (длительность фронта) .

Для ООС , тогда сопротивление обратной связи в цепи эмиттера

номинал

, номинал

Определим длительность фронта импульса



Для выходного каскада

, где

- ёмкость монтажа

где =- емкость нагрузки:

Тогда

Теперь определим длительность фронта импульса:

Согласно этому условию необходима ВЧ коррекция.

4.Проведем расчет емкостей и по заданному спаду плоской вершины импульса , который должен составлять не более 3%. Так как спад вершины в многокаскадном усилителе приблизительно равен сумме спадов, которые вносят каждый из усилительных каскадов, то тогда спад плоской вершины выходного каскада будет равен и . Распределим его между емкостями и по условию ?.

-длительность импульса

.

Это входное сопротивление каскада также является выходным сопротивлением предыдущего, найдем его:

,

Положим, что , а , тогда

, номинал

, номинал

Предоконечный каскад

Рис. 4Принципиальная схема предоконечного каскада

1.Оставим тот же транзистор КТ 325А для работы в предоконечном каскаде, изменив рабочую точку (А1).

Рис. 5 Построение рабочей точки для предоконечного каскада

Тогда параметры будут следующими

Теперь найдем сопротивление по постоянному току . По нагрузочной прямой определяем, что , тогда

После этого рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:

, номинал

, номинал

.

2.Определим допустимое изменение тока коллектора как :

Проведем оценку изменения обратного тока :

,

,

тогда

Определим коэффициент нестабильности коллекторного тока, определяющийся как отношение изменения коллекторного тока к изменению обратного тока коллекторного перехода :

Перейдем к расчету сопротивления делителя

, где

найдем необходимые для расчетов g-параметры:

тогда

а значит

, номинал .

, номинал

3.Коэффициент усиления каскада будет следующим

-выходная проводимость

- проводимость в цепи коллектора;

-проводимость нагрузки;

Пусть требуемый коэффициент усиления от оконечного каскада будет составлять, тогда фактор обратной связи F будет равен

Таким образом, вводя отрицательную обратную связь (ООС) с фактором обратной связи F=2,6582, мы уменьшаем коэффициент усиления в F раз и F раз уменьшаем время установления (длительность фронта) .

Для ООС , тогда сопротивление обратной связи в цепи эмиттера

номинал

, номинал

Определим длительность фронта импульса

Для выходного каскада

, где

- ёмкость монтажа

где =- емкость нагрузки:

Тогда

Теперь определим длительность фронта импульса:

Согласно этому условию необходима ВЧ коррекция.

4.Проведем расчет емкостей и по заданному спаду плоской вершины импульса , который должен составлять не более 3%. Так как спад вершины в многокаскадном усилителе приблизительно равен сумме спадов, которые вносят каждый из усилительных каскадов, то тогда спад плоской вершины выходного каскада будет равен и . Распределим его между емкостями и по условию ?.

-длительность импульса

.

Это входное сопротивление каскада также является выходным сопротивлением предыдущего, найдем его:

,

Положим, что , а , тогда

, номинал

, номинал

Второй каскад

Рис. 6 Принципиальная схема второго каскада

1.Изменив рабочую точку (А3), получаем следующие параметры:

Рис. 7 Построение рабочей точки для второго каскада



Теперь найдем сопротивление по постоянному току . По нагрузочной прямой определяем, что , тогда

,

После этого рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:

, номинал

, номинал

2.Определим допустимое изменение тока коллектора как :

Проведем оценку изменения обратного тока :

,

,

тогда

Определим коэффициент нестабильности коллекторного тока, определяющийся как отношение изменения коллекторного тока к изменению обратного тока коллекторного перехода :

Перейдем к расчету сопротивления делителя

, где

найдем необходимые для расчетов g-параметры:

тогда

,

а значит

, номинал .

, номинал

3.Коэффициент усиления каскада будет следующим

-выходная проводимость

- проводимость в цепи коллектора;

-проводимость нагрузки;

Пусть требуемый коэффициент усиления от оконечного каскада будет составлять, тогда фактор обратной связи F будет равен



Таким образом, вводя отрицательную обратную связь (ООС) с фактором обратной связи F=5,25, мы уменьшаем коэффициент усиления в F раз и F раз уменьшаем время установления (длительность фронта) .

Для ООС , тогда сопротивление обратной связи в цепи эмиттера

номинал

, номинал

Определим длительность фронта импульса

Для выходного каскада

, где

- ёмкость монтажа

где =- емкость нагрузки:

Тогда

Теперь определим длительность фронта импульса:

Согласно этому условию ВЧ коррекция не нужна.

4.Проведем расчет емкостей и по заданному спаду плоской вершины импульса , который должен составлять не более 3%. Так как спад вершины в многокаскадном усилителе приблизительно равен сумме спадов, которые вносят каждый из усилительных каскадов, то тогда спад плоской вершины выходного каскада будет равен и . Распределим его между емкостями и по условию ?.

-длительность импульса

.

Это входное сопротивление каскада также является выходным сопротивлением предыдущего, найдем его:

,

Положим, что , а , тогда

,номинал

, номинал

Первый каскад

Рис. 8 Принципиальная схема первого каскада

1.Изменив рабочую точку (А4), получаем следующие параметры:

Рис. 9 Построение рабочей точки для первого каскада



Теперь найдем сопротивление по постоянному току . По нагрузочной прямой определяем, что , тогда

,

После этого рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:

, номинал

, номинал

,

2.Определим допустимое изменение тока коллектора как :

Проведем оценку изменения обратного тока :

,

,

тогда

Определим коэффициент нестабильности коллекторного тока, определяющийся как отношение изменения коллекторного тока к изменению обратного тока коллекторного перехода :

Перейдем к расчету сопротивления делителя

, где

найдем необходимые для расчетов g-параметры:

Тогда

,

а значит

, номинал .

, номинал

3.Коэффициент усиления каскада будет следующим

-выходная проводимость

- проводимость в цепи коллектора;

-проводимость нагрузки;

Пусть требуемый коэффициент усиления от оконечного каскада будет составлять, тогда фактор обратной связи F будет равен

Таким образом, вводя отрицательную обратную связь (ООС) с фактором обратной связи F=3,139, мы уменьшаем коэффициент усиления в F раз и F раз уменьшаем время установления (длительность фронта) .

Для ООС , тогда сопротивление обратной связи в цепи эмиттера

номинал

, номинал

Определим длительность фронта импульса

Для выходного каскада

, где

- ёмкость монтажа

где =- емкость нагрузки:

Тогда

Теперь определим длительность фронта импульса:

Согласно этому условию ВЧ коррекция не нужна.

4.Проведем расчет емкостей и по заданному спаду плоской вершины импульса , который должен составлять не более 3%. Так как спад вершины в многокаскадном усилителе приблизительно равен сумме спадов, которые вносят каждый из усилительных каскадов, то тогда спад плоской вершины выходного каскада будет равен и . Распределим его между емкостями и по условию ?.

-длительность импульса

.

Это входное сопротивление каскада также является выходным сопротивлением предыдущего, найдем его:

, (пересчитано)

Положим, что , а , тогда,номинал

, номинал

Таким образом, общее время установления усилителя получилось равным

Расчёт усилителя на ИМС

Рассчитаем усилитель, построенный на интегральных микросхемах. Определим коэффициент усиления всего усилителя с учётом запаса.

Считая, что с одного операционного усилителя ОУ, охваченного ООС, можно добиться усиления в среднем порядка =50…60, определим число каскадов для нашего усилителя:

Округлим до n = 3

Отсюда .

Значит, три каскада с коэффициентом усиления по 19.

Рассчитаем искажения.

Примем, что

Спад плоской вершины импульса:

.

Значение граничной частоты для усилителя остаётся тем же, что и при расчёте транзисторного варианта усилителя, т.е.

Выберем операционный усилитель 1463УД5 с граничной частотой 1,4ГГц.

Основные характеристики микросхемы 1463УД5:

Входная емкость……………………………………………....

Входное сопротивление…………………………………....

Входной ток……………………………………………………

Выходное напряжение………………………………………...

Выходной ток…………………………………………………..

Напряжение питания ………………..………………………...

Время установления………………………………………..….

Для построения каскадов используем неинвертирующую схему включения ОУ (рис.10).

Рис. 10 Неинвертирующая схема включения ОУ.

Коэффициенты усиления у каскадов одинаковые, поэтому сделаем их идентичными.

Коэффициент усиления: .

Сопротивление источника питания , поэтому для обеспечения требуемого усиления и защиты усилителя от шунтирования источником питания, возьмём на порядок больше:

Теперь определим требуемое сопротивление резистора

, примем

Для получения требуемого входного сопротивления между неинвертирующим входом ОУ и общей шиной включить дополнительный резистор .

, принимаем

Теперь определим требуемое сопротивление резистора

, примем

Разделительная ёмкость ставится перед каждым каскадом, но на выходе не ставится.

Номинал



Список литературы

1. Афанасьев В.В, Данилаев М.П., Нуреев И.И., Усанов А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методическое пособие по курсовому проектированию.

2. Варшавер Б.А. Расчет и проектирование импульсных усилителей, учебное пособие для вузов

3. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник под ред. Б.Л. Перельмана