Расчет усилителя импульсных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 прецизионных 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 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 этим 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 на 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.

Исходные данные

U2=40,B д=2%

U1=10,мB Д=2%

tи=2,мкс Rвх =200,КОм

tу=0.1,мкс tmax=60^oС

Тип нагрузки:Рк-75-4-11 tmin=-10^oС

Длина кабеля:2,0 м

Расчетная часть

Погонная ёмкость кабеля

Р_к-75-4-11=67 ПФ/М

В схемке мы можем заменить кабель ёмкостью:

С_н=67*2=134ПФ

Затухание в кабеле Р_к-75-4-11:

0.13Дб/М

=>Затухания в кабеле= 0.13*2=0.26Дб

20lg(U_in/U_off)=0.26

lg(U_in/U_off)=0.013

<lg(1.03)=0.013>=>U_in=40*1.03=41.2

Температурный диапазон кабеля от -60^оС до +85^оС

Выбор транзистора для выходного и предварительных каскадов усилителя

Выбор типа транзистора для выходного каскада и каскадов предварительного усиления осуществляется по трем основным параметрам: граничной частоте , максимально допустимому току коллектора и максимально допустимому напряжения коллектор - эмиттер .

a) для граничной частоты транзистора должно выполняться условие:

,

где - время установления импульса для оконечного каскада

t_{y oк}=0.6*t_y=0.6*0.1 мкс=0.06 мкс =>f_т=3/(0.06*10^-6)=50MГц

b) для максимально допустимого тока коллектора должно выполняться условие:

,

где - коэффициент запаса (обычно), который вводится с целью повышения надежности каскада

- амплитуда импульса тока, которую можно оценить по формуле:

Выберем , емкость коллекторного перехода ориентировочно возьмем , тогда

I_2m=2.4*41.2*(134*10^-12+15*10^-12)/(0.06*10^-6)=246 мА

I_{K max}=1.5*246 мА=369 мА

c) для максимально допустимого напряжения коллектор - эмиттер должно выполняться условие:

где - минимальное напряжение коллектор - эмиттер ( для низковольтных транзисторов)

Выберем , примем , тогда

U_{КЭ max} ?1.5*(41.2+5)=69.3 В

Данным требования удовлетворяет транзистор КТ630А:

Основные параметры транзистора КТ630А.

	, МГц	, пФ	В	В	В	Вт	,	,	Ом
40...120	50	15	120	120	7	0,8	+125	-40	200

Выбор режима и расчет выходного каскада

Режим выходного каскада выбираем с помощью входной и выходной характеристик транзистора КТ630А.



1) Выберем положение рабочей точки при:

2) Наклон статической линии нагрузки соответствует общему сопротивлению постоянному току в цепях эмиттера и коллектора, равному:

,

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

3) Определяем сопротивление резистора по наклону динамической линии нагрузки:

Выберем (согласно ряда E48)

4) Определим сопротивление резистора в цепи эмиттера:

Выберем (ряд Е48)

5) Находим коэффициент усиления выходного каскада, предварительно определив по входной характеристике амплитуду импульса на входе

K_oк=U_2m/(U_{бэ max}-U_бэ0)=41.2 В/(0.57B-0.05B)=79.23

Определим низкочастотные параметры транзистора , :

Ввиду значительного разброса параметра его среднее значение принимается равным:

,

тогда

6) Примем коэффициент нестабильности равным:

7) Определим коэффициент усиления по току:

8) Определим входное сопротивление схемы стабилизации рабочей точки:

9) Определим сопротивления резисторов делителя в цепи базы:

Выберем (ряд Е96)

Выберем (ряд Е48)

10) Определим ток делителя:

Как следует из расчёта I_д существенно меньше I_К0.

11) Определим высокочастотные параметры и.

Примем величину постоянной времени цепи обратной связи для транзистора КТ630А такой же, как у близкого ему по свойствам транзистора КТ629А:

Поскольку емкость коллекторного перехода зависит от напряжения , то произведем пересчет ее значения:

C_к=С_{к справ} *(U_{к справ}/(U_кэ0-0.5*U_2m))^1/2=15*10^-12*(10/(55-0.5*41.2))^1/2=

=8.09пФ

ф_к=r_б*С_к => r_б = ф_к/ С_к=90пс/8.09пф=11Ом

, где

выберем , тогда

ф=58.7*10^-3*11/2р*1.4*50*10⁶=1.47 нс

12) Учитывая, что , влиянием параметра пренебрегаем, при этом . Определяем постоянные времени:

ф_{i ок}=(1+g_21э*r_б)*С_к*R_{0 ок}=(1+58.7*10^-3*11)*8.09*10^-12*657=8.743 нс

ф_{н ок}=С_н*R_{0 ок}=134*10^-12*657=44.019 нс

Находим эквивалентную постоянную времени:

ф_{э ок}= ф_{i ок}+ ф_{н ок}+ ф=8.743+44.038+1.47=54.251 нс=0.054251 мкс

Рассчитываем время установления:

t_{у ок}=2.2* ф_{э ок}=2.2*0.054251=0.119 мкс

13) Время установления оказалось большим, поэтому необходимо ввести коррекцию. Выбираем параллельную схему коррекции, подробно описанную в [1], и произведем ее расчет.

Учитывая, что низкочастотным параметром можно пренебречь (при этом ), выражение безразмерных эквивалентных постоянных времени и упрощаются и принимают вид:



Определяем отношения постоянных времени:д

ф_{i ок}/ ф=0.0087/0.00147=5.92

ф_{н ок}/ ф=0.044/0.00147=29.931

Задаемся д=2% и по нижеприведенному графику находим b=1.6

Имея в виду, что , решаем уравнение относительно , подставляя в него приведенные выражения и . Решение уравнения представится в виде:

=((1+29.931+5.92)²-(5.92*1/(1+58.7*10^-3_*11)+ 29.931)*1.75²) /(29.931+5.92)*1.75²=11.4

Определяем безразмерную эквивалентную постоянную времени и коэффициент :

=(5.92*1/(1+58.7*10^-3_*11)+ 29.931+11.4*(5.92+29.931))^1/2=21

=11.4/21=0.54

По приведенному выше графику уточняем значение выбросад_ок=1.95.

По нижеследующему графику определяем обобщенное время установления 2.12

Рассчитываем время установления:

=2.12*21*0.00147=0.064 мкс

Определяем индуктивность корректирующей катушки:

=11.4*0.00147*657+11.01мкГн

Расчет схемы температурной стабилизации рабочей точки транзистора предварительного каскада

Для работы в предварительных каскадах выберем транзистор КТ630А

1) Выберем положение рабочей точки при:



2) Определим соответствующее этому режиму сопротивление постоянному току:

3) Зададимся сопротивлением резистора в цепи эмиттера:

(ряд Е48)

4) Определим сопротивление в цепи коллектора:

5) Примем коэффициент нестабильности равным:

6) Определим низкочастотные параметры транзистора , :

7) Определим коэффициент усиления по току:

8) Определим входное сопротивление схемы стабилизации рабочей точки:

9) Определим сопротивления резисторов делителя в цепи базы:

Выберем (ряды Е48, Е96)

Выберем (ряд Е96)

10) Определим ток делителя:

Как следует из расчёта I_д существенно меньше I_К0.

Определим входное сопротивление каскада предварительного усиления:

Кто будет использовать этот фаил в качестве примера,в этом месте надо рассчитать входной каскад!Чтобы найти t_у.вх.

Определение числа предварительных каскадов

Определяем число предварительных каскадов усиления, следуя методике, изложенной в (II §2.3).

1) Находим время установления и коэффициент усиления предварительных каскадов:

=((0.1*10^-6)²-(0.064*10^-6)²))^1.2=0.084мкс

=4000/80=50

2) Найдем коэффициент D:

3) Находим D*t_*=106*0.084=8.904 и по приведенному ниже графику определяем число каскадов предварительного усиления n = 3

4) Определяем ориентировочно коэффициент усиления и время установления одного предварительного каскада:

3.68

0.049 мкс

Определение основных параметров каскадов предварительного усиления

Предоконечный каскад выполним с параллельной схемой коррекции.

1) Определим эквивалентное сопротивление предоконечного каскада:

R₀=K₀/g_21э=3.68/(58.7*10^-3)=63 Ом

2) Определим сопротивление в корректирующей цепи:

69 Ом

(Ближайший номинал 68 Ом)

3) Находим постоянные времени , и отношения , :

ф_{i предок}=(1+g_21э*r_б)*C_k*R₀=(1+58.7*10^-12*11)*8.09*10^-12*63=0.00084 мкс

ф_{s предок}=К_ок*C_k*R₀=79.23*8.09*10^-12*63=0.0404 мкс

ф_{i предок}/ф=0.00084/0.00147=0.57

ф_{s предок}/ф=0.0404/0.00147=27.48

4) Зададимся .63/

5) Определяем безразмерные эквивалентные постоянные времени и :

ф''_{э предок}= ф_i /ф+ ф_s/ф+ ф_L/ф*(g_11э*R₀+R₀/R_{ст ок})+R₀/Rст ок+R₀/R+R₀/r_б=

=0.57+27.48+20(0.84*10^-3*63+63/1875)+ 63/1875+63/69+63/11=36.45

ф'''_{э предок}=( ф_L/ф*( ф_i /ф+ ф_s/ф+ R₀/R_{ст ок}+R₀/r_б))^1/2=

=(20*(0.57+27.48+63/1875+63/11))^1/2 =20.59

6) Определяем коэффициенты и :

a= ф'_{э предок}/ ф'''_{э предок}=20/20.59=0.97

b= ф''_{э предок}/ ф'''_{э предок}=36.45/20.59=1.77

7) По графикам, приведенным выше, находим выброс и обобщенное время установления предоконечного каскада:

t' _{у предок}=1.65

д=1.93

8) Рассчитываем время предоконечного каскада:

t _{у предок}= t' _{у предок}* ф'''_{э предок}* ф=1.65*20.59*0.00147=0.0499 мкс

9) Определим индуктивность корректирующей катушки:

L_предок= (ф_L/ф)* ф*R=20*0.00147*60=2 мкГн

10) Находим постоянные времени предварительных каскадов и :

ф_{i пр}=(1+g_21э*r_б)*C_k*R₀=(1+58.7*10^-12*11)*8.09*10^-12*63=0.00084 мкс

ф_{s пр}=К₀*C_k*R₀=3.68*8.09*10^-12*63=0.00188 мкс

11) Определяем эквивалентную постоянную времени:

ф_{э пр}= ф_{i пр}+ф_{s пр}+ ф*(1-g_11э*R₀+R₀/r_б)=

0.00084+0,00188+0.00147*(1-0.84*10^-3*63+63/11)=0.0125мкс

12) Рассчитаем время установления одного некорректированного каскада предварительного усиления:

t_{у пр}=2.2* ф_{э пр}=2.2*0.0125 мкс=0.0275 мкс

13) Определяем сопротивление резистора в цепи коллектора предварительных каскадов:

R_{к пр}=1/(1/R₀-g_11э-1/R_{ст пр})=1/(1/63-0.84*10^-3-1/1119)=72

(Ближайший номинал 75 Ом)

Расчет вспомогательных цепей

Расчет основных параметров предварительных каскадов показал, что сопротивления резисторов существенно мешьше общего сопротивления в цепи коллектора каждого каскада. Поэтому во всех предварительных каскадах предусматриваем фильтрующие (корректирующие) ячейки в цепях коллектора.

1) Определим сопротивление резистора в каскадах с первого по пятый:

R_{ф пр}= R_{= пр}- R_{э пр}- R_{к пр}=1103-352-75=676

Выберем (ряд Е48)

2) Определим сопротивление резистора предоконечного каскада:

R_{ф предок}= R_{= пр}- R_{э пр}- R_{к предок}=1103-352-68=683

Выберем (ряд Е96)

3) Емкость конденсатора связи (разделительного) выбирают обычно в пределах , а емкость конденсатора в цепи эмиттера - в интервале .

Зададимся следующими емкостями конденсаторов в цепях связи и эмиттера:

4) Определим спад плоской вершины импульса за счет цепей связи:

Д_пр=t_и/(C_p*(R_{к пр}+R_{ст пр}/(1+g_11э* R_{ст пр})))=

=2*10^-6/0.5*10^-6*(75+1119/(1+0.84*10^-3*1119)))=0.00614 (0.614%)

Д_прeдок=t_и/(C_p*(R+R_{ст пр}/(1+g_11э* R_{ст пр})))=

=2*10^-6/0.5*10^-6*(68+1119/(1+0.84*10^-3*1119)))=0.0062(0.62%)

5) Спад плоской вершины импульса за счет цепи в эмиттере во всех каскадах одинаков:

Д_э=t_и*(g_21э+g_11э)/ C_э=2*10^-6*(58.7*10^-3+0.84*10^-3)/ 50*10^-6=0.0024 (0.24%)

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

Д=0.614+0.614+0.62+4*0.24=2.208%

7) Исходя из формулы подъема плоской вершины импульса за счет цепи фильтрующей ячейки в цепи коллектора определим емкость конденсатора , задаваясь подъемом плоской вершины импульса, равным 1.5% , на одну корректирующую ячейку. При этом спад плоской вершины импульса будет меньше 2%.

С_{ф пр}=t_и/(R_{к пр}*(1+g_11э* R_{к пр}+ R_{к пр}/ R_{ст пр})* Д_ф)=

=2*10^-6/75*0.015*(1+0.84*10^-3*75+75/1119)=1.58 мкФ

С_{ф предок}=t_и/(R*(1+g_11э* R+ R/ R_{ст пр})* Д_ф)=

=2*10^-6/68*0.015*(1+0.84*10^-3*68+68/1119)=1.75 мкФ

Конденсаторы выбираем одинаковой ёмкости =1.5 мкф (Ближайший меньший наминал)

Принципиальная схема рассчитанного усилителя.

Заключение

Все требования, предъявленные к усилителю выполнены. Большое число каскадов связано с необходимостью обеспечить заданные время установления и величину выброса. Наибольший коэффициент усиления приходится на оконечный каскад. Все каскады предварительного усиления выполнены по одной и той же схеме и имеют одинаковые номиналы элементов схемы.

Список литературы

транзистор усилитель каскад цепь

1. Варшавер Б.А. «Расчет и проектирование импульсных усилителей»

М., «Высшая школа», 2005

2. Войшвилло Г.В. «Усилительные устройства» М., «Связь», 2007

3. Под ред. Перельмана «Транзисторы для аппаратуры широкого применения»

Размещено на Allbest