Расчёт импульсного усилителя

Определим период и частоту следования импульсов.

Т = St_и = 5*20 = 100мкс

f= 1/100=10 кГц

Для выбора транзистора также необходимо рассчитать его предельную частоту по фронту импульса:

где t_ф - длительность фронта импульса

Исходя из этих параметров и учитывая, что на практике транзистор необходимо выбирать с большей предельной частотой, так как с повышением частоты входного сигнала коэффициент h_21э транзистора уменьшается, из справочника был выбран транзистор КТ373А малой мощности высокой частоты (зарубежный аналог 2N3393), обладающий следующими характеристиками:

h_21Э=70;

f_h21гр = 250 (МГц);

Р_Кмакс=200 (мВт) при t=20⁰ C;

t_макс=100 С⁰;

I_Кпост=200 (мА);

является транзистором n-p-n типа;

1.3 Расчёт выходного каскада

Принимаем напряжение питания равным U_п = 18В

Максимальный эмиттерный ток транзистора определим по формуле:

(1)

здесь не учтено параллельно включённое сопротивление R_Э3>>R_н, т.к. оно слабо шунтирует нагрузку.

Минимальное падение напряжения на резисторе R_k2:

=18-12-0,8-1,5= 3,7 (2)

Сопротивление резистора R_k2

R_k2 = (h_21Э3 + 1) / (3)

Чтобы соблюдалась термостабильность каскада необходимо выполнить условие:

(h_21Э3 + 1) / = R_э3(S - 1) (4)

где S =2..5 - коэффициент нестабильности

Полагая, что U_К2 = 1,5В, S=3, U_бэ3=0,8В, с учетом выражения (2) определим сопротивление эмиттера:

(5)

Принимаем R_э3 = 800 Ом.

Максимальная мощность резистора R_э3:

P= I_R3² R_э3 = (0.160*75/(800+75))²*800 =0.15Вт (6)

поэтому выбираем сопротивления с номинальной мощностью 0,25Вт.

1.4.Расчёт второго каскада импульсного усилителя

Определим сопротивление R_k2 по формуле (3):

(7)

Принимаем R_k2 = 1500 Ом

Ток покоя транзистора VT2:

(8)

Определим теперь сопротивление эмиттера в цепи ООС:

(9)

Принимаем =150 Ом

Чтобы соблюдалась термостабильность каскада необходимо выполнить равенство:

R_Б2 = (S-1) = 150 (5-1) = 600 Ом (10)

Тогда

(R_б3R_б4) / (R_б3 + R_б4)= R_Б2 (11)

U_п R_б4 / (R_б3 + R_б4)= U _RЭ2 + U_БЭ2 = U_Б2

Из равенств (11) при условии, что падение напряжения U_БЭ2 = 0,8В определим сопротивления:

R_б4 = R_Б2U_П /( U_П - U_Б2) = 600*18 / (18-(1,5+0,8))=688Ом (12)

Принимаем R_б4 =750 Ом

R_б3 = R_б4 ( U_П - U_Б2) / U_Б2 = 680*(18-2,3)/2,3 =4641 Ом (13)

Принимаем R_б3 =4,7к Ом

Ток покоя базы транзистора определим по формуле:

I_Б2П = / h₂₁ = 0.011/70 = 0.16 мА (14)

Ток делителя на резисторах R_б3 и R_б4:

I_дел2 = U_П / (R_б3 +R_б4) = 18 /(4700+750) = 3,3мА (15)

I_дел2 >> I_Б2П

это отвечает условию независимости выходного напряжения делителя от тока базы транзистора.

Мощности резисторов:

Р_RЭ2 = ² =0,011²*150 = 0,02Вт (16)

Р_RК2 = ² =0,011²*1500 = 0,2Вт (17)

Р_RБ4 = I_дел2² R_б3 = 0,0033^{2 *}4700 = 0,05Вт (18)

У R_б4 ещё меньше поэтому выбираем сопротивления с номинальной мощностью 0,25Вт.

Коэффициент усиления второго каскада без учёта повышающего действия шунтирующего эмиттер конденсатора С_Э2:

 (19)

Предварительно принимаем С_Э2=4,7 мкФ.

Можно считать, что входное сопротивление второго каскада по переменному току равно:

R_вх2 = (R_Э2 ||C_Э2) h₂₁ =70*150*1/(6,28*10000*4,7*10^-6) / (150+1/(6,28*10000*4,7*10^-6)) = 232 Ом (20)

Сопротивление нагрузки для первого входного каскада по переменному току:

R_Н1 = (21)

1.5 Расчёт входного каскада импульсного усилителя

Номинал резистора R_K1 примем из условия:

R_K1 >> R_Н1 . (22)

Тогда R_K1 = 10 кОм

Сопротивление эмиттера влияет на коэффициент усиления каскада, поэтому:

R_Э1 = R_K1 / (K₁-n)= 10 / (6-1)=2 кОм (23)

Где n = 1 учитывает влияние шунтирующих конденсаторов на коэффициент усиления каскада;

К₁ - требуемый коэффициент усиления первого каскада, т.к. второго -равен 10 из (19).

Предположим, что в режиме покоя падение напряжения на коллекторе транзистора U_K1=7B , тогда ток покоя транзистора будет равен:

I_К1П = (U_П - U_K1) / R_K1 = (18-7) / 10000 = 1,1мА (24)

Ток покоя базы:

I_Б1П = I_К1П /h₂₁ = 1.1/70 =0.015мA (25)

Принимаем, исходя из условия (15), ток делителя R_б1 и R_б2

I_дел1 =20 I_Б1П = 0,3мА. (26)

Тогда

R_б1 + R_б2 = U_П / I_дел1 = 18 / 0,3 = 60кОм (27)

По условиям термостабилизации по (10) и (11) (U_БЭ1=0,8В) получим выражения:

R_б1 R_б2 / (R_б1 + R_б2) = R_Э1(S - 1) (28)

U_n R_б2 / (R_б1 + R_б2) = U_БЭ1+ I_К1ПR_Э1

Откуда

(29)

R_Б1=60-10 = 50 кОм принимаем R_Б1=51кОм

Мощности резисторов:

Р_RЭ1 = ² =0,0011²*2000 = 0,002Вт (30)

Р_RК1 = ² =0,0011²*10000 = 0,012Вт (31)

Р_RБ1 = I_дел² R_б1 = 0,0003^{2 *}51000 = 0,005Вт (32)

У R_б2 ещё меньше поэтому выбираем сопротивления с номинальной мощностью рассеивания 0,25Вт.

1.6 Расчёт конденсаторов

По условию R_Э1С_Э1>>T или Т/ R_Э1<< С_Э1 (33)

0.0001/2000=50 нФ

Принимаем ёмкость шунтирующую эмиттер С_Э1 = 1мкФ

Ёмкость разделительного конденсатора выбирается из условия не искажения импульса:

R_ис<<R_вх1 или

R_ВН + 1/(6.28*10000*C_p1)<< (R_Э1 ||C_Э1) h₂₁ =70*2000*1/(6,28*10000*1*10^-6) / (2000+1/(6,28*10000*1*10^-6)) =1106 Ом (34)

откуда C_p1>>16нФ

Принимаем разделительную ёмкость также С_р1 = 1мкФ

Разделительный конденсатор между первым и вторым каскадами принимаем исходя из того:

1/(6.28*10000*C_p2)<< R_вх2 =232

откуда

C_p2>>70нФ

Принимаем разделительную ёмкость также С_р2 = 1мкФ

Проверим выполнение условия (33) для С_э2:

С_э2>> T / R_Э2 = 0.0001/150=0.6 мкФ (35)

Условие выполняется, следовательно, остаётся принятое ранее значение.

При определении ёмкости разделительного конденсатора С_р3, обеспечивающего допустимый спад импульса и относительный выброс, необходимо выполнить соотношение:

С_р3 >> T / R_вых3 (36)

или

С_р3 >>0.0001 / (75*800/(75+800)) =1.5мкФ

Принимаем С_р3 =100 мкФ

Проверим работу схемы и правильность расчётов по постоянному току виртуально, по программе Multisim8.0

Рис.1 Схема импульсного усилителя в режиме покоя.

Результаты совпали с небольшой погрешностью так по расчётам I_Б1П=15мкА а на рис.2 I_Б1П = 9,3мкА это объясняется приблизительностью инженерного расчёта.

На рис.2 показан рабочий режим усилителя, на функциональном генераторе данные входные импульсы , их осциллограмма красная, а выходной сигнал - синяя осциллограмма. По ней видно, что амплитуда в допустимых пределах спада импульса т.е. более 5% от 12В (11,857 >11,4), а выброс почти отсутствует - это следствие идеализации некоторых элементов схемы программой.

.

Рис.2 Усилитель импульсов в рабочем режи

Список использованных источников