Расчёт усилителя с заданными параметрами

Взяв из пункта 4.2. максимальную температуру перехода транзистора определим минимальную температуру перехода:Изменение температуры перехода транзистора:Абсолютное изменение напряжения база – эмиттер:. определим используя типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры:Рис. 3.1.2. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры.Так как транзистор малой мощности (), следовательно на рис.3.1.2. выбираем зависимость 1, по которой находим нормированное значение изменения обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры перехода на величину : Тогда абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода:.Для нахождения коэффициентов и рассчитаем общее сопротивление в цепи базы:Найдем коэффициенты и , зная и g – параметры, рассчитанные в рабочей точке (взятые из пункта 4.3.: ,):Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора транзистора , по уже известным значениям (для каскадов импульсных усилителей она не должна превышать 0,25):Расчет времени установления первого предварительного каскада.Для расчета времени установления первого предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке(см. п. 4.3.), эквивалентным сопротивлением (вычисленным в пункте 5.1.). Время установленияпервого предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося наодин предварительный каскад усилителя:Чтобы определить время установления первого предварительного каскада без коррекции найдем эквивалентную постоянную времени:Для первого предварительного каскада емкостью нагрузки является входная емкость выходного каскада , зная ее и параметры, вычисленные выше, рассчитаем постоянные времени:.Определимэквивалентную постоянную времени:.Тогда время установления первого предварительного каскада равно:Таким образом, получаем, что время установления первого предварительного каскада слишком большое, т.е. условие не выполняется, следовательно нужно вводить параллельную коррекцию (индуктивную коррекцию), которая позволит при том же коэффициенте усиления, приходящийся на один предварительный каскад , получить значительно меньшее время установления.Время установления первого предварительного каскада с индуктивной высокочастотной коррекцией, можно определить по следующей формуле:где – постоянная времени транзистора в рабочей точке; - эквивалентная безразмерная величина; - безразмерная величина обобщенного времени установления, которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах . Эти коэффициенты и находятся по следующим формулам: где-эквивалентные безразмерные постоянные времени, которые вычисляются по формулам:Причем для их расчета используем эквивалентное сопротивление , постоянные времени и , вычисленные выше, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада, равное входному сопротивлению выходного каскада , а такжезная сопротивление коллекторной нагрузки ,нужно рассчитать постоянную времени , которая рассчитываются как:Рассчитывая постоянную времени, выберем индуктивность коррекции такой, чтобы на зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах наш заданный выброс не превышал 3% () и коэффициенты и лежали в пределах: , . Пусть индуктивность коррекции равна , тогда постоянная времени равна:Подставив в формулы постоянные времени, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада и эквивалентное сопротивление, находим эквивалентные безразмерные постоянные времени:Найдем коэффициенты и и определим выброс, не превышающий 3%, по зависимости выброса от коэффициента при разных коэффициентах (рис. 3.6.1.):Найдём зависимость выброса от коэффициента при коэффициенте по формуле: =0,453Выброс, найденный по зависимости равен , что не превышает 3,5%, т.е. не превышает заданного выброса. По найденным коэффициентам и найдем безразмерную величину обобщенного времени установления , которая находиться по зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах Безразмерная величина обобщенного времени установления равна . Тогда время установления корректированного первого предварительного каскада равно:Что соответствует необходимым условиям:То есть введя индуктивную высокочастотную коррекцию в коллекторную цепь первого предварительного каскада уменьшили время установления. Схема корректированного первого предварительного каскада показана на рис. 3.2.1.:Рис. 3.2.1. Схема корректированного первого предварительного каскадаОпределение входного сопротивления и входной емкости первого предварительного каскада.Найдем входное сопротивление и входную емкость корректированного первого предварительного каскада для активной нагрузкигде – входное сопротивление стабилизации равное общему сопротивлению в цепи базы. Выполнив подстановку всех уже известных значений найдем и :Причем входное сопротивление и входная емкость первого предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать второй предварительный каскад.Таким образом, получили следующие результаты:, Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току. Расчет элементов стабилизации второго предварительного каскада.Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току, проводим аналогично расчету первого предварительного каскада.Предварительные каскады должны быть одинаковыми, т.е. у них остается неизменным положение рабочей точки. Но, т.к. нагрузкой второго предварительного каскада являются входное сопротивление и емкость первого, приходиться произвести некоторый пересчет.Пересчитаем сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. :Округляем до номинала из ряда .По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада:Целесообразно сделать напряжение питания одним и тем же для всех предварительных каскадов, т.е. .Зная напряжение питания каскада и координаты рабочей точки,проверим не изменится ли сопротивление в цепи эмиттера:Номинальное значение в ряду стандартных сопротивленийОмДля расчета сопротивлений базового делителя и , зададимся током делителя :Округлим до ближайшего номинального значения ..Округлим до ближайшего номинального значения .В итоге получили следующие параметры:,По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора, следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора:Для нахождения коэффициентов и рассчитаем общее сопротивление в цепи базы:Найдем коэффициенты и :Относительная величина нестабильности:Расчет времени установления второго предварительного каскада.Для расчета времени установления второго предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке, эквивалентным сопротивлением . Время установления второго предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося на один предварительный каскад усилителя:Чтобы определить время установления второго предварительного каскада без коррекции найдем эквивалентную постоянную времени:Постоянная времени транзистора – прежняя, тоже не изменится. Зная входную емкость первого предварительного каскада , которая является для второго предварительного каскада емкостью нагрузки, рассчитаем постоянную времени :.Определим эквивалентную постоянную времени:.Тогда время установления второго предварительного каскада равно:Что соответствует необходимым условиям:Очевидно, время установления второго предварительного каскада меньше времени установления приходящегося на один каскад, следовательно, коррекцию вводить не нужно.Определение входного сопротивления и входной емкости второго предварительного каскада.Найдем входное сопротивление и входную емкость некорректированного второго предварительногокаскада для активной нагрузки, оно находится по тем же самым формулам, что и для первого предварительного каскада: ОмПричем входное сопротивление и входная емкость второго предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать входной каскад.Таким образом, получили следующие результаты:, Схема второго предварительного каскада будет отличаться от схемы первого, т.к. она не имеет высокочастотной индуктивной коррекции (см. рис. 4.3.1.).Рис. 4.3.1. Схема второго предварительного каскада без коррекции.5. Расчет входного каскада.5.1. Расчет времени установления входного каскада.Импульсный усилитель по заданию должен обладать значительным входным сопротивлением, которое можно обеспечить, применяя во входном каскаде биполярный транзистор включенный по схеме общий коллектор (эмиттерный повторитель). По условию входной каскад обладает коэффициентом усиления .Напряжение источника питания:ВВыбираем напряжение источника питания: EП = 9 В. Сопротивление в цепи эмиттера:Номинальное значение в ряду стандартных сопротивлений ОмОпределим эквивалентное сопротивлениеРассчитаем постоянные времени:- коэффициент усиления следующего каскада.Сопротивление цепи эмиттера входного каскада приблизительно равно сопротивлению цепи эмиттера КПУ, поэтому входной каскад в пересчете режима температурной стабильности не нуждается.Расчет входного сопротивления и входной емкости входного каскада.Для расчета входного сопротивления и входной емкости предвыходного каскада воспользуемся следующими формулами:Условие выполняется.Рис. 5.2.1. Схема входного каскада.Расчет вспомогательных цепей.К вспомогательным цепям усилителя относятся разделительные конденсаторы, включаемые между каскадами которые обеспечивают развязку каскадов по постоянному току. Так же относятся блокировочные конденсаторы в цепях эмиттеров транзисторов (для полевого транзистора в цепи истока). Эти конденсаторы устраняют ООС по переменному току. Введение в схему элементов с большой постоянной времени приводит к появлению спада плоской вершины импульса. В принципе можно было бы поставить эти конденсаторы достаточно большой емкости для обеспечения требуемого спада плоской вершины. Но такой путь не приемлем, так как приводит к повышению массы и цены устройства. Потому обычно на емкости этих конденсаторов накладывают вполне определенные ограничения, в нашем случае они не должны превышать такие значения:Выберем в качестве разделительных в качестве блокировочных . Во всех каскадах будем использовать именно эти конденсаторы.Рассчитаем спад плоской вершины импульса, создаваемый этими конденсаторами для каждого каскада.В выходном каскаде.Спад плоской вершины импульса за счет цепи связи в выходном каскаде рассчитывается по формуле:где Ом – сопротивление коллекторной нагрузки; – активная нагрузка выходного каскада; – длительности импульса.Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера находиться как где и – низкочастотные параметры в рабочей точке выходного каскада.Суммарный спад плоской вершины импульса в выходном каскаде равен:В первом предварительном каскаде.Спад плоской вершины за счет цепи связи рассчитывается по той же самой формуле, только для первого предварительного каскада нагрузкой является входное сопротивление выходного каскада , и сопротивление коллекторной нагрузки равно .Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера рассчитаем, пользуясь той же формулой, взяв g–параметры в рабочей точке первого предварительного каскада: Суммарный спад плоской вершины импульса в первом предварительном каскаде равен:Во втором предварительном каскаде.Спад плоской вершины за счет цепи связи во втором каскаде рассчитывается аналогично первому, только для второго предварительного каскада нагрузкой является входное сопротивление первого каскада , и сопротивление коллекторной нагрузки немного отличается от первого предварительного каскада .Спад плоской вершины импульса за счет цепи эмиттера будет точно таким же, как и в первом предварительном каскаде, т.к. эти каскады имеют одинаковые g–параметры. Это обусловлено тем, что у них остается неизменным положение рабочей точки.Суммарный спад плоской вершины импульса вовтором предварительном каскаде равен:В входном каскаде. На вход эмиттерного повторителя подается сигнал с источника сигналов. Его внутреннее сопротивление обычно принимают за активное сопротивление Rг. Оно влияет на спад плоской вершины во входной цепи. Примем, что RГ=0.1Rвх=150(Ом). Тогда спад плоской вершины во входной цепи (засчет Ср)Определим общий спад плоской вершины всего усилителя, он находиться как сумма спадов всех каскадов:Полученный спад удовлетворяет техническому задания, т.е. он меньше чем 3%.Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах, напряжений, действующие на конденсаторы, и токов, протекающие через катушки индуктивности.1.Выходной каскад.Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах:Расчет напряжений, действующих на конденсаторы:2. Первый предварительный каскад.Мощность, рассеиваемая на резисторах, и напряжения, действующие на конденсаторы, и в первом и во втором предварительном каскаде будут одинаковыми, т.к. параметры схемы почти не отличаются.Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах:Расчет напряжений, действующих на конденсаторы:Для первого предварительного каскада ток через индуктивность равен 3.Второй предварительный каскад.Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах:Расчет напряжений, действующих на конденсаторы:4.Входной каскад.Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах:Для всего усилителя выберем резисторы с максимальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт.Так как на всех конденсаторах падает не более 10 вольт, то выберем конденсаторы с допустимым напряжением 16В.ЗаключениеЗная коэффициент усиления каждого каскада, рассчитаем коэффициент усиления всего нашего каскада и сравним его с техническим заданием, причем рассчитанный должен быть больше либо равен заданному:Заданный коэффициент равен:Найдем коэффициент всего нашего усилителя:Рассчитанный коэффициент усиления совпадает с заданным.По аналогии, зная время установления каждого каскада, найдем время установления всего нашего усилителя, причем рассчитанное должно быть меньше либо равно заданному:Вычислим получившееся время установления всего усилителя:Основные параметры занесем в таблицу 5.Таблица 5. Основные параметры усилителя.ПараметрОбозначениеВеличинаВремя установления, [нс]0,186 мксВыброс, [%]1,087Входное сопротивление, [кОм]1,647Спад плоской вершины, [%]1,55Напряжение питания, [В]80, 18Коэффициентусиления5500Список литературыВаршавер Б.А. Расчет и проектирование импульсных усилителей.Учебное издание для вузов. - М., «Высшая школа», 1975.Дуркин В.В., Тырыкин С.В. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания к курсовому проектированию. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.Тырыкин С.В. Схемотехника аналоговых электронных устройств.Варианты заданий и справочные материалы к курсовому проектированию. - Новосибирск, 2004.Дуркин В.В., Шлыкова О.Н. Основы проектирования и моделирования радиоэлектронных устройств в среде MICRO-CAP 8. Методические указания. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009.