Расчет и проектирование импульсный усилитель системы обработки сигналов, страница 2

            От выходного каскада требуется обеспечение на заданной нагрузке необходимого напряжения. По заданию выходной каскад должен обеспечить размах напряжения 11В на нагрузке 4кОма. Емкость нагрузки –12пФ. Руководствуясь [2] мы видим, что , поэтому оконечный каскад будет выполнен по схеме ОЭ. Оконечный каскад работает в наиболее тяжелых условиях (от него требуется получить большую амплитуду тока и напряжения на выходе), поэтому ожидаемый коэффициент усиления каскада возьмем порядка K₀=. Коэффициент ослабления сигнала при передаче его от источника ко входу первого каскада усилителя примем равным К_ВЦ=0,8.

            Для определения числа промежуточных каскадов определим коэффициент усиления промежуточных каскадов:

           

            Отсюда получаем число каскадов равное 3-4.

            Частотные искажения распределим равномерно по всем каскадам. Допустимые частотные искажения всего усилителя составляют: М_Н=0,73, М_В=0,74.

При равномерном распределении искажений по каскадам допустимые частотные искажения оставляют для одного каскада:  , .

В связи с разбросом номиналов элементов схемы необходимо предусмотреть наличие подстройки усиления. При этом необходимо обеспечить запас по усилению на 20-30%, т.е. коэффициент усиления всего усилителя должен быть не менее 6363 раз.

Так как усилитель многокаскадный, то необходимо предусмотреть наличие фильтрующих цепей для устранения возможности его самовозбуждения из-за наличия паразитных обратных связей между каскадами через источник питания. Расчет усилителя начнем с расчета выходного каскада. Для этого необходимо выбрать усилительный прибор.

Выбор транзистора.

При выборе транзистора исходят из характера схемы, а так же требований к ее выходным электрическим параметрам и эксплуатационным режимам.

            Особое значение имеет диапазон рабочих температур конструируемого устройства в целом.

            Не рекомендуется использовать мощные транзисторы в тех случаях, когда можно применить маломощные, т.к. при работе мощных транзисторов в маломощных схемах коэффициент передачи тока сильно зависит от тока и температуры окружающей среды и кроме того мал по абсолютной величине.

            Не следует применять излишне высокочастотные транзисторы, т.к. они склонны к самовозбуждению на низких частотах, кроме того для широкополосного усилителя важное значение имеет верхняя граничная частота. Она должна быть выше частоты(верхней) проектируемого усилителя примерно несколько десятков раз.

            При заданном напряжении питания необходимо, чтобы допустимое напряжение питания было больше допустимого на коллекторе транзистора.

            Необходимо предусмотреть запас по рассеиваемой на коллекторе мощности. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора должна быть в 2-5раз больше мощности в нагрузке.

            По заданию амплитуда напряжения на нагрузке U_mn=5.5В. Мощность выделяемая в нагрузке равна:

P_H=

Транзистор также должен удовлетворять следующему требованию:

                     Мощность, рассеиваемая на транзисторе должна быть не менее 50mВт.

                        Максимально допустимое напряжение на коллекторе не менее 17В.

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ3102Г:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, h_21Э ……………..400

          Модуль коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ,  на частоте    100МГц…………………………………………………………………………….…...3

          Постоянная времени цепи обратной связи на ВЧ, t_К не более……………...100пс

            Обратный ток коллектора, I_КбО не более………………………………….0,015мкА

            Емкость коллекторного перехода, С_К не более………………………………6пФ

            Максимально допустимое напряжение на коллекторе, U_КЭ………………..20В

            Максимальный ток коллектора, I_Kmax………………………………………100mA

            Постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе при t=25°C, P_Kmax….250mВт

            При t>25°C       P_Kmax=

Расчет оконечного каскада.

Нагрузка усилителя потребляет ток равный:

                        I_mn=                    I_mn=             

            Ток покоя транзистора I_K0 возьмем в несколько раз больше тока потребляемого нагрузкой: I_K0=15mA.

            Так как каскад работает как усилитель класса А, то рабочую точку выбираем в середине линейного участка – это соответствует U_КЭ0=8В. Зададим падение напряжения на эмиттере U_Э=1В. При этом I_б0=30мкА, U_бЭ=0,525В. Построим нагрузочную прямую по постоянному току на выходных характеристиках. Смотри приложение 1. Пересечение нагрузочной прямой с осью тока коллектора дает значение I^I_K=30mA. Нагрузкой по постоянному току является последовательное соединение сопротивлений коллектора и эмиттера:

R _- = R_K+R_Э

            Отсюда получаем:

            R _- = R_K+R_Э =    -   где U_п=17В – напряжение питания каскада.

            R_Э =

          R_Э =

          R_K= R _-- R_Э                                R_K= (568-68)Ом=499Ом≈510Ом

          Построим нагрузочную прямую по переменному току. Нагрузкой каскада в этом случае будет параллельное соединение сопротивлений в цепи коллектора и нагрузки. Графики представлены в приложении.

            R_~=

            R_~=

            Проверим обеспечивает ли наш каскад заданное U_ВЫХ=11В/2=5,5В в нагрузке.

            R_~=

            Следовательно, в данной рабочей точке выходной каскад может обеспечить требуемое выходное напряжение.

Рассчитаем параметры транзистора в данной рабочей точке:

h_21Э = 400 , f_гр=f _h21Э      ; f_гр=

  ;     ;   

               

        

Внутреннюю проводимость транзистора g_i определяем по выходным характеристикам:

                  

                  

Определим какой коэффициент усиления обеспечивает каскад при выбранном R_K

        

Определим верхнюю частоту, которую обеспечивает каскад при выбранном R_K

  ;    ;      ;  

-постоянная времени транзистора;

- постоянная времени связанная с нагрузкой и коллекторной цепью;

- постоянная времени связанная с емкостью нагрузки и монтажа;

Примем С_М=5пФ – емкость монтажа. Пусть М_В=0,99, тогда