Расчет импульсного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Расчет структурной схемы

2. Расчет оконечного каскада

3. Расчет предоконечного каскада

4. Расчет предварительного каскада

5. Расчет входного каскада

6. Расчет усилителя на базе ИМС

Список использованной литературы

Введение

Усилением называют процесс получения копии входного сигнала большей мощности, а техническое устройство, реализующее процесс усиления называют усилителем электрических сигналов.

По виду усиливаемых сигналов существует большое количество усилителей, например усилители низких частот, усилители высоких частот, широкополосные усилители. Классификацию усилителей также можно проводить по схемотехнике их построения, так, например, существуют магнитные усилители, усилители на транзисторах, усилители на электронных лампах, усилители на базе интегральных схем. В настоящее время используют, главным образом, транзисторные усилители и усилители на базе интегральных схем. Широкое развитие таких усилителей обусловлено их минимальными габаритами, низким энергопотреблением, возможностью работы в широкой полосе частот и малыми искажениями усиливаемого сигнала.

В данном курсовом проекте рассчитан импульсный усилитель, рассчитанный как на транзисторах, так и на базе интегральных микросхем.

1. Расчет структурной схемы

Поскольку сопротивление нагрузки сравнительно велико R_н=6 кОм, то выходной каскад можно построить по схеме с ОЭ. Предоконечный и предварительный каскады строим также по схеме с ОЭ.

Для того чтобы пренебречь влиянием входной цепи входное сопротивление усилителя должно быть больше сопротивления источника хотя бы в десять раз, то есть R_вх=10 R_с=10800=8 кОм. Такое входное сопротивление усилителя при заданной длительности фронта импульса 0,07 мкс может обеспечить входной каскад, построенный по схеме с ОК [1, 2].

Предположим, что усилитель будет состоять из четырех каскадов. Задавшись коэффициентами усиления оконечного каскада K_uОК=17,5 и входного каскада K_uВК=0,9, определим коэффициенты усиления промежуточных каскадов:

K_{u ПР}= K_{u ПОК}= (K_u /K_{u ОК}K_{u ВК})^0,5=(4750/0,917,5)^0,5=17,3617,5(1.1)

Распределим частотные искажения по каскадам. Предположим, что каждый каскад вносит одинаковое искажения, тогда:

Длительность фронта импульса, формируемая одним каскадом

нс(1.2)

где n=4 -число каскадов усилителя.



Рис. 1.1. Структурная схема усилителя.

Величина выброса:

%(1.3)

Все каскады усилителя строим по типовой схеме резисторного каскада с обратной связью [1, 2]. Тогда общее число разделительных и блокировочных конденсаторов составит N_С=8. Считая, что каждый конденсатор вносит одинаковое искажение, найдем спад плоской части импульса, вносимой отдельным конденсатором:

%(1.4)

Структурная схема усилителя приведена на рис. 1.1.

2. Расчет оконечного каскада

импульсный усилитель каскад микросхема

Выберем транзистор, на котором будет построен оконечный каскад. При выборе транзистора, следует учитывать следующие ограничения:

f_гр>2/_{ф i}=2/3510^-9=57 МГц

I_{к max}>Е_{к ОК}/R_н=19/6000=3,2 мА

U_{кэ max}>Е_{к ОК}=19 В

Р_{к max}>U_{кэ max} I_{к max}=19·0,0032=60,2 мВт(2.1)

Подходящим является транзистор КТ325А [3, стр. 224]. Параметры такого транзистора приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Параметр	Значение	Единицы измерения
Iк max	60	мА
Uкэ max	25	В
Рк max	0,225	Вт
fгр	100	МГц
к	125	пС
Скэ	2,5	пФ
rб'	21	Ом

Расчет оконечного каскада, работающего в режиме большого сигнала, проводим графически.

Построим линию нагрузки для постоянного тока на семействе выходных характеристик транзистора КТ325А. (Статическая линия нагрузки).

1) U_кэ=Е_к, I_к=0

2) U_кэ=0, I_к=I_{к max}=Е_к/R_=19/1000=19 мА(2.2)

где сопротивление R_=R_к+R_э+R_ос принимаем равным 1000 Ом.

Принимаем величину сопротивления R_э' =R_э+R_ос=0,1 R_=0,11000=100 Ом, тогда:

R_к=R_-R_э' =1000-100=900 Ом(2.3)

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

R_экв=R_к R_{вх ОК}/(R_к+ R_{вх ОК})=9006000/(900+6000)=783 Ом(2.4)

Рис. 2.1. ВАХ транзистора КТ325А.

Полагаем, что импульсы однополярные положительной амплитуды. Задаём следующее положение рабочей точки О:

I_К0=2,5 мА, U_КЭ0=17 В, I_Б0=15 мкА, U_БЭ0=0,62 В.

Строим динамическую линию нагрузки, для этого находим максимальное значение тока коллектора:

I_{к max}' =Е_к/R_экв=19/783=24 мА(2.5)

Определим, не превосходит ли мощность, рассеиваемая на коллекторе допустимой величины. Для этого на семействе выходных характеристик строим кривую:

U_кэ=4 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=0,225/4=56 мА

U_кэ=8 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=0,225/8=28 мА

U_кэ=16 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=0,225/16=14 мА

U_кэ=20 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=0,225/20=11 мА(2.6)

Как видно из рис. 2.1 статическая и динамическая линия нагрузки находятся ниже полученной кривой, что говорит о том, что условие Р_к<Р_{к доп} выполняется.

Графически (рис. 2.1) находим y - параметры транзистора в точке О', соответствующей середине амплитуды выходного тока в импульсе:

y₂₁=I_к/U_бэ=0,003/0,01=0,3 А/В(2.7)

y₁₁=I_б/U_бэ=0,015/0,01=1,5 мСм(2.8)

Определяем номиналы сопротивлений Rб1 и Rб2 базового делителя. Так как температурные изменения Т_max=25⁰ относительно 20⁰ незначительны, такой расчет проводим по "инженерной" методике [1, стр. 244].

Для этого, вначале, определим напряжение:

U₁=U_БЭ0+R_э'I_К0=0,62+1000,003=0,84 В(2.9)

Далее, находим:

R_б2=U₁/3I_Б0=0,84/31510^-6=1877720 кОм(2.10)

R_б1= (Е_к-U₁)/4I_Б0= (19-0,84)/41510^-6=302583300 кОм(2.11)

Находим эквивалентное сопротивление базового делителя:

R_ст= R_б1R_б2/(R_б1+R_б2)=20300/(20+300)=18,75 кОм(2.12)

Зная требуемое значение коэффициента усиления каскада K_u=17,5, находим глубину отрицательной обратной связи:

F=y₂₁R_экв/K_u =0,3783/17,5=13,4(2.13)

Определяем номиналы сопротивлений Rэ и Rос:

R_ос= (F-1)/y₂₁=(13,4-1)/0,3=41 Ом(2.14)

Тогда:

R_э=R_э' -R_ос=100-41=59 Ом(2.15)

Определяем входное сопротивление каскада:

R_{вх ОК}= (R_стF/y₁₁)/(R_ст+F/y₁₁) = (1875013,4/0,0015)/ (18750+13,4/0,0015) = 3,9 кОм (2.16)

Находим длительность формируемого импульса, который может обеспечить каскад.

Определим R₀:

R₀=R_экв/F=783/13,4=58 Ом(2.17)

Для этого вычислим постоянные времени:

_i=(1+y₂₁r_б') С_кэR₀=(1+0,321)2,510^-1258=1,1 нс(2.18)

_н=С_нR₀=3510^-1258=2 нс(2.19)

Определим эквивалентную постоянную времени:

_э=_i+_н/F+_к R₀(1+ R_ос/r_б')/R_экв==1,110^-9+210^-9/13,4+12510^-1258(1+41/21)/783=2,44 нс(2.20)

Вычислим время установления:

t_y=2,2_э=2,22,4410^-9=5,38 нс(2.21)

Рассчитанное значение t_y<_фi, следовательно, каскад обеспечивает заданные частотные требования.

Рассчитаем номиналы разделительных конденсаторов С_р1, С_р2 и блокировочного конденсатора С_э (рис. 2.2).

С_р1и/?_i R_экв =6,2510^-6/0,004375783=1,8 мкФ2,2 мкФ(2.22)

С_р2и/?_i R_{вх ОК}=6,2510^-6/0,0043753900=0,36 мкФ(2.23)

С_эи/?_i R_э =6,2510^-6/0,00437559=22 мкФ(2.24)

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема оконечного каскада.

3. Расчет предоконечного каскада

Предоконечный каскад также строим на транзисторе КТ325А. Используем типовой режим работы транзистора. Параметры типового режима, взятые из [3, стр.223], приведены в табл. 3.1:

Таблица 3.1

I К0*	10	мА
UКЭ0*	5	В
I Б0*	110	мкА
UБЭ0*	0,67	В
y11*	2,5	мСм
y21*	250	мА/В

Примем падение напряжения на сопротивлении R_э' (R_э'=R_э+R_ос) равным:

U_Rэ= (0,1..0,2)E_к=0,119=1,9 В(3.1)

Определяем номиналы сопротивлений Rэ' и Rк:

R_э' =U_Rэ/I_К0=1,9/0,01=190 Ом(3.2)

R_к= (Е_к-U_Rэ-U_К0) /I_К0= (19-1,9-5)/0,01=1,2 кОм(3.3)

Определяем номиналы сопротивлений Rб1 и Rб2 базового делителя.

Для этого найдем напряжение

U₁=U_БЭ0+R_э'I_К0=0,67+1900,01=2,57 В(3.4)

Далее, находим:

R_б2=U₁/3I_Б0=2,57/311010^-6=77878,2 кОм(3.5)

R_б1= (Е_к-U₁)/4I_Б0= (19-2,57)/411010^-6=3734039 кОм(3.6)

Находим эквивалентное сопротивление базового делителя:

R_ст= R_б1R_б1/(R_б1+R_б1)=8,239/(8,2+39)=6,8 кОм(3.7)

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

R_экв=R_кR_{вх ОК}/(R_к+ R_{вх ОК})= 12003900/(1200+3900)=918 Ом(3.8)

Зная требуемое значение коэффициента усиления каскада K_u=17,5, находим глубину отрицательной обратной связи:

F=y₂₁R_экв/K_u =0,25918/17,5=13,1(3.9)

Определяем номиналы сопротивлений Rэ и Rос:

R_ос= (F-1)/y₂₁=(13,1-1)/0,25=48,3?48 Ом(3.10)

Тогда:

R_э=R_э'-R_ос=190-48=142 Ом(3.11)

Определяем входное сопротивление каскада:

R_{вх ПОК}= (R_стF/y₁₁)/(R_ст+F/y₁₁) = (680013,1/0,0025)/ (6800+13,1/0,0025)=2,95 кОм (3.12)

Находим длительность формируемого импульса, который может обеспечить каскад.

Рассчитаем сопротивление R₀:

R₀=1/[y₁₁+1/R_экв+R_ос(y₂₁+y₁₁)/R_экв]= =1/[0,0025+1/918+48 (0,25+0,0025) / 918] = 59,5 Ом(3.13)

Вычислим постоянные времени:

_i=(1+y₂₁r_б')С_кэR₀=(1+0,2521)2,510^-1259,5=0,93 нс(3.14)

_s=y₂₁R_эквС_кэR₀/(1+y₁₁R_экв)=0,259182,510^-1259,5/(1+0,0025918)=10,3 нс(3.15)

Определим эквивалентную постоянную времени:

_э=_i+_к[R₀(1+ R_ос/r_б')/R_экв +R₀r_б'] +_s=0,9310^-9+12510^-12[59,5(1+48/21)/918+2159,5]+10,310^-9=12,6 нс(4.12)

t_y=2,2_э=2,212,6=27,72?28 нс(3.16)

Рассчитанное значение t_y<_фi, следовательно каскад обеспечивает заданные частотные требования.

Поскольку процесс установления носит монотонный характер, то согласно [7, стр.119] выброс в переходной характеристики каскада отсутствует.

Рассчитаем номиналы разделительного конденсатора С_р1 и блокировочного конденсатора С_э (рис. 3.2):

С_р1и/?_i R_{вх ПОК}=6,2510^-6/0,0043752950=0,48 мкФ0,5 мкФ(3.17)

С_эи/?_i R_э=6,2510^-6/0,004375142=10 мкФ(3.18)

Принципиальная схема предоконечного каскада приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальная схема предоконечного каскада.

4. Расчет предварительного каскада

Поскольку в предварительном каскаде используется транзистор КТ315Б, который был использован для построения предоконечного каскада, а режимы их работы одинаковы, то, очевидно, что значения номиналов сопротивлений R_к, R_б1, R_б2, R_ст равны рассчитанным в главе 3.

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

R_экв=R_кR_{вх ПОК}/(R_к+ R_{вх ПОК})=12002950/(1200+2950)=853 Ом(4.1)

Зная требуемое значение коэффициента усиления каскада K_u=17,5, находим глубину отрицательной обратной связи:

F=y₂₁R_экв/K_u =0,25853/17,5=12,2(4.2)

Определяем номиналы сопротивлений Rэ и Rос:

R_ос= (F-1)/y₂₁=(12,2-1)/0,25=44,8?45 Ом(4.3)

Тогда:

R_э=R_э'-R_ос=190-45=145 Ом(4.4)

Определяем входное сопротивление каскада:

R_{вх ПР}=(R_стF/y₁₁)/(R_ст+F/y₁₁) = (680012,2/0,0025)/ (6800+12,2/0,0025)= 2,84 кОм(4.5)

Находим длительность формируемого импульса, который может обеспечить каскад.

Рассчитаем сопротивление R₀:

R₀=1/[y₁₁+1/R_экв+R_ос(y₂₁+y₁₁)/R_экв]=1/[0,0025+1/853+45(0,25+0,0025)/853]=58,8 Ом(4.6)

Вычислим постоянные времени:

_i=(1+y₂₁r_б')С_кэR₀=(1+0,2521)2,510^-1258,8=0,91 нс(4.7)

_s=y₂₁R_эквС_кэR₀/(1+y₁₁R_экв)=0,258532,510^-1258,8/(1+0,0025853)=10 нс(4.8)

Определим эквивалентную постоянную времени:

_э=_i+_к[R₀(1+ R_ос/r_б')/R_экв +R₀r_б'] +_s=0,9110^-9+12510^-12[58,8(1+45/21)/853+2158,8]+1010^-9=12,1 нс(4.9)

t_y=2,2_э=2,212,1=26,62?27 нс(4.10)

Рассчитанное значение t_y<_фi, следовательно, каскад обеспечивает заданные частотные требования.

Поскольку процесс установления носит монотонный характер, то согласно [7, стр.119] выброс в переходной характеристики каскада отсутствует.

Рассчитаем номиналы разделительного конденсатора С_р1 и блокировочного конденсатора С_э (рис. 3.1):

С_р1и/?_i R_{вх ПР}=6,2510^-6/0,0043752840=0,5 мкФ(4.11)

С_эи/?_i R_э=6,2510^-6/0,004375145=9,8 мкФ?10 мкФ(4.12)

5. Расчет входного каскада

Входной каскад, как было установлено в главе 1, строим по схеме эммитерного повторителя. Режим работы транзистора выбираем типовой (табл.3.1). Примем падение напряжения на сопротивление R_ф равным:

U_Rф= (0,1..0,2)E_к=0,119=1,9 В(5.1)

Определяем номиналы сопротивлений R_ф и Rэ (принципиальная схема входного каскада приведена на рис. 5.1.):

R_ф =U_Rэ/I_К0=1,9/0,01=190 Ом(5.2)

R_э= (Е_к -U_Rф-U_К0) /I_К0= (19-1,9-5)/0,01=1,2 кОм(5.3)

Определяем номиналы сопротивлений Rб1 и Rб2 базового делителя.

Вычислим напряжение

U₁=U_БЭ0+R_эI_К0=0,67+12000,01=12,67 В(5.4)

Далее, находим:

R_б2=U₁/3I_Б0=12,67/311010^-6=3839339 кОм(5.5)

R_б1= (Е_к-U₁)/4I_Б0= (19-12,67)/411010^-6=1438615 кОм(5.6)

Находим эквивалентное сопротивление базового делителя:

R_ст= R_б1R_б1/(R_б1+R_б1)=1539/(15+39)=10,8 кОм(5.7)

Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

R_экв=R_эR_{вх ПР}/(R_э+ R_{вх ПР})=12002840/(1200+2840)=844 Ом(5.8)

Находим глубину отрицательной обратной связи и коэффициент усиления каскада:

F=1+y₂₁R_э =1+0,251200=301(5.9)

K_u= y₂₁R_э /F=0,251200/301=0,996(5.10)

Определяем входное сопротивление каскада:

R_{вх ВК}=(R_стF/y₁₁)/(R_ст+F/y₁₁) = (10800301/0,0025)/ (10800+301/0,0025)=9,9 кОм (5.11)

Находим длительность формируемого импульса, который может обеспечить каскад.

Рассчитаем сопротивление R₀:

R₀=1/[y₁₁+ y₂₁+ y₁₁F+1/R_экв]=1/[0,0025+0,25+0,0025301+1/844]=1 Ом(5.14)

Вычислим постоянные времени:

_i=(1+y₂₁r_б')С_кэR₀=(1+0,2521)2,510^-121=16 пс(5.15)

_s=( K_uПРК-1) С_кэR₀=(18-1)2,510^-121=43 пс(5.16)

Определим эквивалентную постоянную времени:

_э=_i+_s+_к[R₀/R_экв+FR₀/r_б' +R₀/r_б'] =1610^-12+4310^-12+12510^-12[1,1/844+1301/21+1/21] =1,85 нс(5.17)

t_y=2,2_э=2,21,85=4нс(5.18)

Рассчитанное значение t_y<_фi, следовательно, каскад обеспечивает заданные частотные требования.

Рассчитаем номиналы разделительного конденсатора С_р1 и блокировочного конденсатора С_ф (рис. 5.1):

С_р1и/?_i R_{вх ВК}=6,2510^-6/0,0043759900=0,14 мкФ?0,15 мкФ(5.22)

С_фи/?_i R_ф=6,2510^-6/0,004375190=7,5 мкФ?10 мкФ(5.23)

Принципиальная схема входного каскада приведена на рис.5.1.



Рис. 5.1. Принципиальная схема входного каскада.

6. Расчет усилителя на базе ИМС

Поскольку нагрузка усилителя представляет собой малое сопротивление, на которое не могут работать большинство интегральных усилителей высокой частоты (УВЧ), то в усилителе на базе ИМС используем оконечный каскад, рассчитанный для транзисторного варианта. Задавшись коэффициентом усиления К_U=17,5, определим число каскадов:

n=lg(K_u / K_{u ок})/lg(K_ui )= lg(4750/0,9)/lg(17,5)=3(6.1)

Распределим частотные искажения по каскадам.

_фi=_ф/=0,0710^-6/=35 нс(6.2)

_i=/=2,5/=1,25 %(6.3)

Определим требуемую граничную частоту интегрального УВЧ:

f_{гр треб}=2,2/_ф=2,2/0,0710^-6=31,4 МГц(6.4)

По [6] подбираем интегральный УВЧ, удовлетворяющий выдвинутым условиям. Подходящим является гибридный УВЧ К2УС2413 [6, стр.178]. Такая микросхема представляет собой УВЧ, выполненный по каскодной схеме и предназначенный для использования в трактах изображения телевизионных приемников. Параметры микросхемы приведены в табл. 6.1. Определим сопротивление резистора, определяющего коэффициент усиления микросхемы. Для этого найдем эквивалентное сопротивление нагрузки:

R_экв= K_{u i}/S=17,5/0,025=700 Ом(6.5)

Тогда:

R=R_вхR_экв/(R_вх-R_экв)=2100700/(2100-700)=36753,6 кОм(6.6)

Вычислим номиналы разделительных конденсаторов, таких конденсаторов будет N_с=5. Распределим частотные искажения равномерно на каждый каскад:

_i=/N_с=3,5/5=0,7 %(6.7)

C_p1и/_iR_вх=6,2510^-6/0,0072100=0,420,43 мкФ(6.8)

C_p2=C_p3=C_p4и/_iR_экв=6,2510^-6/0,007700=1,3 мкФ(6.9)

C_p5и/_iR_{экв Н} =5,2310^-6/0,0079900=75,5100 мкФ(6.10)

Таблица 6.1.

Параметр	Значение	Единицы измерения
Uи.п	121,2	В
Iпот	8	мА
fн	30	МГц
fв	45	МГц
S0	<10	мА/В
Rвх	2100	Ом

Список использованной литературы

1. И.Г. Мамонкин, Усилительные устройства. Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 2-е, М., "Связь", 1977 г.

2. Г.В. Войшвилло, Усилительные устройства, М., "Радио и связь", 1983 г.

3. К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник, М., 1985 г.

4. А. Хоровиц, П. Хилл, Искусство схемотехники. Том 2, М., "Иностранная литература", 1992 г.

5. О.П. Григорьев, Диоды. Справочник, М., "Радио и связь", 1990 г.

6 А.Л. Булычев, В.И. Галкин, Аналоговые интегральные схемы. Справочник, Минск, "Беларусь", 1985 г.

7. Б.А. Варшавер, Расчет и проектирование импульсных усилителей, М., "Высшая школа", 1983 г.

Размещено на Allbest.ru