Схемотехническое проектирование усилителя импульсных сигналов (структура усилителя - ОЭ-ОЭ-ОК, Еп+ 5 В, Еп- 3 В)

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

                                                                                                                      Кафедра РЭС

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: Схемотехника аналоговых электропреобразовательных устройств

Схемотехническое проектирование усилителя импульсных сигналов

Вариант 2

Выполнил:                Антоневич П.Н.

Группа:                      5121

Преподаватель:         Орлов В.В.    

Санкт-Петербург

2007

Содержание

Задание на курсовой проект. 3

1. Выбор типа проводимости транзисторов. 4

2. Синтез конфигурации схемы питания усилительных каскадов постоянными напряжениями и токами. 4

3. Выбор значения начального тока в каскадах. 5

4. Расчет элементов схемы из условия обеспечения требуемого значения тока I_KO (расчет схемы на постоянном токе) 5

5. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов на работу каскада. 6

6. Мероприятия по снижению источников нестабильности. 9

7. Оценка предельно допустимого сопротивления нагрузки. 11

8. Организация конфигурации схемы для обеспечения ее работы на переменном токе. 14

9. Определение значений емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов. 15

10. Оценка значения коэффициента усиления тракта в целом.. 16

Задание на курсовой проект

Структура усилителя	Еп+, В	Еп-, В	tн, нс	Δ, %	tи, мс	Сн, пФ	Rн, кОм	Rc, Ом	Tmax, ◦С	Tmin, ◦С	Um, В
ОЭ-ОЭ-ОК	5	3	120	1	35	130	0,5	60	50	-40	3

            В проектируемом усилителе будут использоваться транзисторы со следующими номинальными значениями основных параметров:

- сопротивление базовой области Г_б – 30 Ом;

- коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ h_21э – 100;

- обратный ток эмиттерного перехода I_оэ  - 10^-14 А;

- напряжение Эрли – 150 В;

- наибольший ток коллектора I_Kmax – 0,3 А;

- паразитная емкость перехода база-коллектор – 1 пФ;

- модуль коэффициента усиления по току в схеме ОЭ на частоте 250 МГц – 4;

- технологический разброс ΔU_{бэ Т} номинального напряжения база-эмиттер - ±50 мВ;

- разброс Δ В коэффициента передачи В тока базы в схеме ОЭ - ±10 %.

1. Выбор типа проводимости транзисторов

Полярность импульса на выходе – положительная. Каскад ОК является неинвертирующим, каскад ОЭ – инвертирующим. Исходя из этих данных, определяем типы проводимости всех транзисторов проектируемого усилителя.

2. Синтез конфигурации схемы питания усилительных каскадов постоянными напряжениями и токами

Учитывая тип используемых в схеме транзисторов и соответствующие им схемы включения, спроектируем и начертим схему усилительного тракта.

3. Выбор значения начального тока в каскадах

Выберем следующие значение коллекторных токов:

I_KO1 = 2 мА;

I_KO2 = 3 мА;

I_KO3 = 5 мА.

4. Расчет элементов схемы из условия обеспечения требуемого значения тока I_KO (расчет схемы на постоянном токе)

В схемах ОЭ зададим напряжение на эмиттерных резисторах R4 и R5 равное 1,5 В. В схеме с ОЭ I_KO ≈ I_ЭO.  Исходя из этого:

R4 = 1,5 В / 2 мА = 750 Ом;

R5 = 1,5 B / 3 мА = 500 Ом.

Далее рассчитаем резисторы делителя напряжения, включенного в базу первого транзистора.

I_Д = 25 I_Б ;

I_KO = 100 I_Б.

Следовательно: I_Д= 0,25 I_KO =0,25 * 2 мА = 500 мкА.

            U_R2 = U_R4+U_БЭ = 1,5 + 0,7 = 2,2В;

            U_R1 = En₊ + |En-| - U_R2 = 5 +3-2.2 =5,8 В.

            R2 = 2,2 В / 500 мкА = 4,4 кОм;

            R1 = 5,8 В / 500 мкА = 11,6 кОм.

            U_R3 = U_R5+U_БЭ = 1,5 + 0,7 = 2,2 В.

            R3 = 2,2 В/ 2 мА = 1,1 кОм.

            В последнем усилительном каскаде производится расчет максимально допустимого напряжения. Т.к схема ОК по напряжению не усиливает, то расчет будет производиться во второй схеме ОЭ.

            Rk=R6 ≤ (En₊ + |En-| - U_R5 – U_КЭmin – U_m)/ I_KO2;

            R6 ≤ (5+3-1,5-1,5-3) В / 3 мА = 667 Ом

            U_R7 = U_R6 - U_БЭ = 2 - 0,7 = 1,3В;

            R7 = 1,3 В/ 5 мА = 260 Ом

5. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов на работу каскада

Дестабилизирующими факторами являются:

- температурные изменения

- технологический разброс

            Рассчитаем нестабильность напряжения ΔU_{бэ Т}  и коэффициента передачи тока базы В:

ΔU_бэ = ΔU_{бэ t} + ΔU_{бэ Т};

ΔВ = ΔВ_t + ΔB_Т

ΔU_{бэ Т} =0,05 В ; ΔB_Т = 10%

Тном = 25 ◦С

ΔTmax = max{Тном + |Tmin|; Tmax-Тном } = max{25+40; 50-25} = 65◦С

ΔU_{бэ t} = 2,1 мВ/◦С * ΔTmax = 2,1 * 65 = 136,5 мВ

ΔВ_t = 0,5 % *  ΔTmax = 0,5 * 65 = 32,5 %.

ΔU_бэ = 136,5 + 50 = 186,5 мВ

ΔВ = 10 + 32,5 = 42,5%

            Расчет g-параметров транзисторов усилителя:

                                    

                                            

m = 1;

Ut = 0,026 В;

Uэр = 150 В

Транзистор	Iк, мА	g21, мСм	g11,мСм	g12,мСм	g22,мСм
1(ОЭ1)	2	76,92	0,77	0	0,0129
2(ОЭ2)	3	115,38	1,15	0	0,0193
3(ОК)	5	192,31	1,92	0	0,0322

Расчет нестабильности выходного напряжения. Так как схема ОК по напряжению не усиливает:

Резистор	Номинал, Ом
R1	11600
R2	4400
R3	1100
R4	750
R5	500
R6	667
R7	260

ΔUвых = ΔUвых(ОК) + ΔUвых(ОЭ2) +ΔUвых(ОЭ1)*К(2).

ΔUвых(ОЭ2) = ΔIк(ОЭ2)/ g_н(ОЭ2)

g_н(ОЭ2) = g6 + g_вхОК

g6=1/R6

g_вхОК=g11(ОК)/ [1+g21(ОК)*R_н(ОК)]

R_н(ОК) = R7 = 260 Ом

g_вхОК= 0,00192/(1+0,19231*260) = 0,0000376 См

g6=1/667 = 0,0015 См

g_н(ОЭ2) = 0,0015+0,0000376 ≈ 0,00154 См

ΔIк(ОЭ2) = [ΔU_бэ *g21(ОЭ2)+(1+g11(ОЭ2)*Rб(ОЭ2) )* ΔВ*Iбо(ОЭ2)] / (1+g21(ОЭ2)*Rэ(ОЭ2)+g11(ОЭ2)*Rб(ОЭ2))

Iбо(ОЭ2) = I_KO2 /100 = 3 мА/100 = 30 мкА

Rэ(ОЭ2) = R5 = 500 Ом

Rб(ОЭ2) = (g3+gвых(ОЭ1))^-1

gвых(ОЭ1) = g22(ОЭ1)/(1+g21(ОЭ1)*Rэ(ОЭ1)+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1))

Rэ(ОЭ1) = R4 = 750 Ом

Rб(ОЭ1) = R1||R2 = 11600*4400/ (11600+4400) = 3190 Ом

gвых(ОЭ1) = 0,0000129/(1+0,07692*750+0,00077*3190) = 2,1*10^{-7 См}

g3 = 1/R3 = 9,1*10^{-4 См}

Rб(ОЭ2) = (9,1*10^-4+2,1*10^-7)^-1= 1098,6 Ом

ΔIк(ОЭ2) = [0,1865*0,11538+(1+0,00115*1098,6)*0,425*0,00003] / (1+0,11538*500+0,00115*1098,6) = 359,4 мкА

ΔUвых(ОЭ2) = 359,4 мкА/0,00154 См = 0,233 В

ΔUвых(ОЭ1) = ΔIк(ОЭ1)/ g_н(ОЭ1)

g_н(ОЭ1) = g3 + g_вхОЭ2

g_вхОЭ2 = g11(ОЭ2)/ [1+g21(ОЭ2)*R_э(ОЭ2)]

g3 = 1/R3 = 9,1*10^{-4 См}

R_э(ОЭ2) = R5 = 500 Ом

g_вхОЭ2 = 0,00115/(1+0,11538*500) = 1,6*10^{-5 См}

g_н(ОЭ1) = 9,1*10^-4 + 1,6*10^-5 = 92,6*10^{-5 См}

ΔIк(ОЭ1) = [ΔU_бэ *g21(ОЭ1)+(1+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1) )* ΔВ*Iбо(ОЭ1)] / (1+g21(ОЭ1)*Rэ(ОЭ1)+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1))

Iбо(ОЭ1) = I_KO1 /100 = 2 мА/100 = 20 мкА

Rэ(ОЭ1) = R4 = 750 Ом

Rб(ОЭ1) = R1||R2 = 3190 Ом

ΔIк(ОЭ1) = = [0,1865*0,07692+(1+0,00077*3190)*0,425*0,00002] / (1+0,07692*750+0,00077*3190) = 235,1 мА

ΔUвых(ОЭ1) = 235,1 мА/ 92,6*10^{-5 См = 0,254 В}

К(ОЭ2) = g21(ОЭ2)/[gн(ОЭ2)*(1+g21(ОЭ2)*Rэ(ОЭ2))+g22(ОЭ2)]

g_н(ОЭ2) = 0,00154 См

Rэ(ОЭ2) = R5 = 500 Ом

К(ОЭ2) = 0,11538/(0,00154*(1+0,11538*500)+0,0000193) = 1,28

ΔUвых(ОК) = ΔIк(ОК)*Rн(ОК)

Rн(ОК) = R7 = 260 Ом

ΔIк(ОК) = [ΔU_бэ *g21(ОК)+(1+g11(ОК)*Rб(ОК) )* ΔВ*Iбо(ОК)] / (1+g21(ОК)*Rэ(ОК)+g11(ОЭ2)*Rб(ОК))

Rб(ОК) = (g6+gвых(ОЭ2))^-1

gвых(ОЭ2) = g22(ОЭ2)/(1+g21(ОЭ2)*Rэ(ОЭ2)+g11(ОЭ2)*Rб(ОЭ2))

Iбо(ОЭ2) = I_KO3 /100 = 5 мА/100 = 50 мкА

Rб(ОЭ2) = 1098,6 Ом

Rэ(ОЭ2) = R5 = 500 Ом

g6 = 0,0015 См

gвых(ОЭ2) = 0,0000193/(1+0,11538*500+0,00115*1098,6) = 3,2*10^{-7 См}

Rб(ОК) = (0,0015+3,2*10^-7)^-1 = 666,5 Ом

ΔIк(ОК) = (0,1865*0,19231+(1+0,00192*666,5)*0,425*0,00005) / (1+0,19231*500+0,00192*666,5) = 364 мкА

ΔUвых(ОК) = 364 мкА * 260 Ом = 94,6 мВ

ΔUвых = 0,0946 + 0,233 + 1,28*0,254 = 0,653 В

6. Мероприятия по снижению источников нестабильности

Для снижения влияния источников нестабильности введем в схему ООС.

Возьмем Rf = 300 Ом и скооректируем резисторы R4 и R7.

I_Rf = (U_R4 – U_R7)/Rf = (1.5-1.3)/300 = 0.67 мА

I_R4’ = I_KO1 – I_Rf = 2 - 0.67 = 1.33 мА

I_R7’ = I_KO3 + I_Rf = 5 + 0,67 = 5,67 мА

R4’ = U_R4 / I_R4’ = 1,5/1,33 = 1128 Ом

R7’ = U_R7 / I_R7’ = 1,3/5,67 = 229 Ом

Рассчитаем петлевую передачу:

R”= Rf+(g4+ gвх(ОБf))^-1

gвх(ОБf) = g21(ОЭ1)/(1+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1))

gвх(ОБf) = 0,07692/(1+0,00077*3190) = 0,0223 См

g4 = 1/1128=8.86 * 10^-4 Cм

R”= 300 + 43 = 343 Ом

R’= (1/ R7 + gвых(ОК))^-1

gвых(ОК) = g21(ОК)

gвых(ОК) = 0,192 См

R’ = (1/ 229 + 0,192)^-1 = 5,1 Ом

T = Kдел*K(ОБf)*K(ОЭ2)*K(ОК)

Kдел = (g4+ gвх(ОБf))^-1 /(R’+ Rf + (g4+ gвх(ОБf))^-1)

Kдел = (8,86*10^-4+0,0223)^-1 /(5.1 + 300 + (8,86*10^-4+0,0223)^-1) = 0.12

K(ОБf) = g21(ОЭ1)/[gн(ОБf)*(1+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1))+g22(ОЭ1]

gн(ОБf) = 1/R3+ gвх(ОЭ2)

gвх(ОЭ2) = 1,6*10^{-5 См}

gн(ОБf) = 1/1100+1,6*10^-5 = 9,25* 10^{-4 См}

K(ОБf) = 0,07692/[0,000925*(1+0,00077*3190)+ 0,000013] = 24

K(ОЭ2) = g21(ОЭ2)/[gн(ОЭ2)*(1+g21(ОЭ2)*Rэ(ОЭ2))+ g22(ОЭ2)]

gн(ОЭ2) = 1/R6+ gвх(ОК)

gвх(ОК) = g11(ОК)/(1+g21(ОК)*Rн(ОК))

Rн(ОК) = (1/R7+1/R”)^-1

Rн(ОК) = (1/229+1/343)^-1 = 137 Ом

gвх(ОК) =0,00192/(1+0,192*137) = 7,03*10^{-5 См}

gн(ОЭ2) = 1/667+ 7,03*10^-5 = 0,00157 См

Rэ(ОЭ2) = R5 = 500 Ом

K(ОЭ2) = 0,11538/(0,00157*(1+0,11538*500)+0,000019] = 1.25

К(ОК) = g21(ОК)* Rн(ОК) /(1+g21(ОК)*Rн(ОК))

К(ОК) = 0,192*137 / (1+0,192*137) = 0,96

T = 0,12*24*1,25*0,96 =3,47

ΔUвых f = ΔUвых / (1+T) = 0,653 / 14,47 = 0.146 В

 

7. Оценка предельно допустимого сопротивления нагрузки

Расчет в области ВЧ.

fв = 0.35/ Тн = 0,35 / 120 нс = 2,92 МГц.

Возьмем для расчетов величину 3 МГц.

fs = 0.026*f’*h21(f’)/(r_б*I_K)                                    R_F1 = (F-1) / g21(ОЭ1) = 1 / 0,07692 = 13 Ом

R_F2 = (F-1) / g21(ОЭ2) = 1 / 0,11538 = 8,6 Ом

fs_F= fs * F

R_F = (F-1) / g21

F = 2

fs1 = 0.026*250*4/(30*0.002) = 433 МГц

fs2 = 0.026*250*4/(30*0.003) = 289 МГц

fs3 = 0.026*250*4/(30*0.005) = 173 МГц

fs_F1= fs1 * F = 433*2 = 866 МГц

fs_F2= fs2 * F = 289*2 = 578 МГц

εs1 = (fв/ fs_F1)² /2 = (3/866)² / 2 = 0,000006

εs2 = (fв/ fs_F2)² /2 = (3/578)² / 2 = 0,000013

Спад во входной цепи

fсрвх = 1/ (2 π Rε*Cε)

Rε =(1/Rc+1/R1+1/R2+gвх(ОЭ1))^-1

gвх(ОЭ1) =  g11(ОЭ1)/ [1+g21(ОЭ1)*R_э(ОЭ1)]

R_э(ОЭ1) = (1/R4+1/(Rf+(1/R7+gвых(ОК))^-1))^-1

gвых(ОК) = 0,192 См

R_э(ОЭ1) = (1/1128+1/(300+(1/229+0,192)^-1))^-1 = 240 Ом

gвх(ОЭ1) =  0,00077/ [1+0,07692*240] = 3,96*10^{-5 См}

Rε =(1/60+1/11600+1/4400+3,96*10^-5)^-1 = 58,8 Ом

Cε = Свх + См

Свх = 1/(2 π*fs1*rб*F) + Ск (1 + K(ОЭ1f))

K(ОЭ1f) = g21(ОЭ1)/[gн(ОЭ1)*(1+g21(ОЭ1)*Rэ(ОЭ1))+ g22(ОЭ1)]

gн(ОЭ1) = 9,25* 10^{-4 См}

R_э(ОЭ1) = 240 Ом

K(ОЭ1f) = 0,07698/[0,000925*(1+0,07692*240)+ 0,000013] = 4,27

Свх = 1/(2 π*433*10⁶*30*2) + 1 *10^-12(1 +4,27/2) = 9,3 пФ

Cε = 9,3 + 2 = 11,3 пФ

fсрвх = 1/ (2 π 58,8*11,3*10^-12) =237 МГц

εsвх = (fв/ fs_срвх)² /2 = (3/237)² /2 = 0,8*10^-4

Спад в выходной цепи

fсрвых = 1/ (2 π Rε*Cε)

Rε =(1/Rн+1/R7+1/Rf+gвых(ОК))^-1

Rε =(1/500+1/229+1/300+0,192))^-1= 4,96 Ом

Cε = Сн + См = 130 + 2 = 132 пФ

fсрвых = 1/ (2 π 4,96*132*10^-12) = 1000 МГц

εsвх = (fв/ fs_срвх)² /2 = (3/1000)² /2 = 4,5*10^-6

εsн =  εs - εsвх - εsвых - εs1 – εs2 = 0,3 – 0,000006 - 0,000013- 0,0000045- 0,00008 = 0,3

Распределим спад на нагрузке следующим образом

εsн1 = 0,1

εsн1 = 0,2

gэкв1 ≥ 2 π fв *Cп1 /(√2 εsн1)

Cп1 = Свых(ОЭ1) + Свх(ОЭ2) + См

Свых(ОЭ1) = Ск [1+(rб+Rс)*g21(ОЭ1)]/F

Свых(ОЭ1) = 1 *10^-12 *[1+(30+60)*0.07692]/2 = 3.96 пФ

Свх(ОЭ2) = 1/(2 π*fs2*rб*F) + Ск (1 + K(ОЭ2f))

Свх(ОЭ2) = 1/(2 π*289*10⁶*30*2) + 1*10^-12* (1 +1.25/2) = 10.8 пФ

Cп1 =3,96 + 10,8 + 2 = 16,76 пФ

gэкв1 ≥ 2 π 3*10⁶ *16,76*10^-12 /(√2 0,1) = 0,706 мСм

Rк1 = (gэкв1-gвых(ОЭ1) – gвх(ОЭ2))^-1

gвых(ОЭ1) = g22(ОЭ1)/(1+g21(ОЭ1)*Rэ(ОЭ1)+g11(ОЭ1)*Rб(ОЭ1))

Rэ(ОЭ1) = (1/R4+1/Rf)^-1 = (1/1128+1/300)^-1 = 240 Ом

Rб(ОЭ1) = 3190 Ом

gвых(ОЭ1) = 0,0000129/(1+0,07692*240+0,00077*3190) = 5,9*10^{-7 См}

Rк1 = (0.0007- 5,9*10^-7 - 1,6*10^-5)^-1 = 1462 Ом

gэкв2 ≥ 2 π fв *Cп2 /(√2 εsн2)

Cп1 = Свых(ОЭ2) + Свх(ОК) + См

Свых(ОЭ2) = Ск [1+(rб+Rс)*g21(ОЭ2)]/F

Свых(ОЭ2) = 1 *10^-12 *[1+(30+60)*0.11538]/2 = 5.6 пФ

Свх(ОК) = (1 - K(ОК))/(2 π*fs*rб) + Ск

Свх(ОК) =(1 – 0.49))/(2 π*173*10⁶*30) + 1*10^-12= 16.64 пФ

Cп2 =5,6 + 16,64 + 2 = 24,24 пФ

gэкв2 ≥ 2 π 3*10⁶ *24,24*10^-12 /(√2 0,2) = 0.722 мСм

Rк1 = (gэкв1-gвых(ОЭ2) – gвх(ОК))^-1

gвых(ОЭ2) = g22(ОЭ2)/(1+g21(ОЭ2)*Rэ(ОЭ2)+g11(ОЭ2)*Rб(ОЭ2))

gвх(ОК) =7,03*10^{-5 См}

Rэ(ОЭ2) = R5= 500 Ом

Rб(ОЭ2) = (1/R3+gвых(ОЭ1))^-1 = (1/1100+5,9*10^-7)^-1 = 1100 Ом

gвых(ОЭ2) = 0,000019/(1+0,11538*500+0,00115*1100) = 3,2*10^{-7 См}

Rк2 = (0.000722- 3,2*10^-7 - 7,03*10^-5)^-1 = 1534 Ом

Значения Rк превосходят номиналы эмиттерных резисторов схем ОЭ, поэтому дополнительной коррекции схемы не требуется.

8. Организация конфигурации схемы для обеспечения ее работы на переменном токе

На переменном токе в области НЧ необходимо ввести разделительные конденсаторы следующим образом:

            Для петли обратной связи также ввести блокировочный конденсатор Сб3: