Расчет предварительных каскадов. Ч.1

Заданные  параметры  проектируемого  усилителя , нагрузки  и  входного  сигнала :

Амплитуда  импульса  напряжения  на  нагрузке , U_2m  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 50 В

Время  установления  выходного  напряжения , t_у  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  ≤ 0.15мкс

Величина  выброса , δ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ≤ 2.5 %

Тип  нагрузки – емкость , С_н  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 50 пф

Длительность  входного  импульса , τ_и  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1.75 мкс

Амплитуда  входного  импульса , U_1m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _0.1 мВ

Входное  сопротивление , R_вх  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ≥ 0.3 кОм

Спад  плоской  вершины , Δ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _   ≤ 0.4 %

Частота  повторения  входных  импульсов , F _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4.5 кГц

Максимальная  температура  среды , Tср_max  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _45 С⁰

Минимальная  температура  среды , Tср_min  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  -20 C⁰

Полярность  выходного  импульса  - отрицательная

Полярность  входного  импульса –

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

2

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

1.  Расчет  выходного  каскада .

1.1 Выбор транзистора выходного каскада  и полярности  питающего напряжения .

Выбор  транзистора  выходного  каскада  определяется  двумя  условиями :

а) На  нагрузке  необходимо  получить  импульс  отрицательной  полярности.

б) Нужно  выбрать  наиболее  экономичный  режим  работы  транзистора , определяемый  входным  сигналом .

Будем  рассуждать  следующим  образом :

В  нашем  случае  скважность  импульсов  на  входе  очень  велика :

в  этом  случае  наиболее  выгоден  режим  , когда  входным  импульсом  транзистор  открывается .

  Исходя  из  этих  двух  условий  выбираем  положительную  полярность  напряжения  питания               и  транзистор  структуры   n – p – n .

    Дальнейший  выбор  обусловливается  максимально  допустимыми  параметрами  транзистора, такими  как : полоса  усиливаемых  частот  f_гр ,  максимально  допустимое  напряжение  коллектор- эмиттер  Uкэ_max , максимальным  импульсным  током  коллектора  Iк_имп . [см.2 стр.32]

Эти  параметры  определяются  заданными  параметрами  усилителя  и   нагрузки . Рассчитаем  эти  значения :

Максимально  допустимое  напряжение  коллектор- эмиттер  не  может  превышать  напряжение  питания  усилителя , поэтому  сделаем  примерную  оценку  необходимого  значения  питающего  напряжения  [см.1] :

  здесь  Uкэ_min – минимальное  допустимое  напряжение  коллектор- эмиттер  для  транзисторов  средней  мощности ,  U_э – напряжение  на  сопротивлении  в  эммитерной  цепи  транзистора .

 Полоса  усиливаемых  частот  оценивается  по  граничной  частоте  усиления  транзистора. В  нашем  случае  эта  частота  определяется  выражением  [см. 2 стр.32]:

Величину  максимального  импульсного  тока  коллектораопределим  из  приближенной  формулы [см. 2 стр.38] :

где  С_к^х – емкость  коллектора  при  данном  напряжении  Uкэ , используя  справочные  значения  Ск_спр  и  Uкэ_спр  можно  получить  величину  С_к^х  по  формуле [см. 2 стр.38]:

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

3

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Для  предварительного  выбора  транзистора  примем  величину  емкости  С_к^х  заведомо             большей - при  С_к^х = 50 пф  получаем :

Данным  требованиям  удовлетворяет  транзистор  КТ602А  , его  максимально  допустимые  параметры  имеют  следующие  значения  [ см. 5  стр. 260] :

                        ,                         ,                                                                                                                        

Итак , в  качестве  транзистора  для  выходного  каскада  выбираем  КТ602А .

1.2  Расчет  режима  по  постоянному  току.

1.2.1  Выбор  координат  рабочей  точки .

Для  предварительных  расчетов  выбираем  некорректированный  каскад  со  схемой  включения ОЭ (см. рис.1 ).

Рис. 1. Предварительная  схема  выходного  каскада .

Определим  положение  рабочей  точки , для  чего  воспользуемся  статическими  характеристиками  транзистора . Наименьшему  напряжению  на  базе  транзистора , обеспечивающему  работу  на  линейном  участке  входной  характеристики  соответствует  напряжение U_б.рт. = 0.85 В ( см. рис.2)  при  токе I_б.рт = 0.5 ма . Для  определения  положения  рабочей  точки  на  выходных  характеристиках  учтем , что  напряжение на  коллекторе  транзистора  складывается  из  необходимого  напряжения  на  нагрузке U_2m и  напряжения  области  насыщения  U_нас :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

4

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Рис. 2. Входная  характеристика транзистора  КТ602А.

Рис. 3. Выходные  характеристики  транзистора  КТ602А.

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

5

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Получаем  следующие координаты  рабочей  точки (см. рис.2,3 ):

Эти  координаты  попадают  в  рекомендуемый  интервал [см. 3 стр.50]

  Для  дальнейших  расчетов  необходимо  построить  нагрузочную  прямую  для переменного  и  постоянного  тока ( методика  построения – см. 2 стр.68) . Нагрузочную  прямую  для  переменного тока  строим  с  учетом  хорошего  использования  транзистора  по  току  с  одной  стороны , и  минимальных  искажений  в  рабочей  области – с  другой . Данная  прямая  должна  пересекать  выбранную  рабочую  точку (см. рис. 3) . По  нагрузочной  прямой  для переменного  тока  определим  эквивалентное  сопротивление  в  цепи  коллектора ( сопротивление  в  цепи  эмиттера  считаем  зашунтированным  конденсатором  большой  емкости а  током  зарядки  емкости  нагрузки  пренебрегаем). Тогда :

Т.к.  напряжение  питания  должно  быть  больше , чем             , то  из  стандартного  ряда напряжений  питания  выбираем 

Проводим  прямую  через  р.т.  и  E_п  и получаем  нагрузочную  прямую  по  постоянному  току          ( с  учетом  R _э ) ( см. рис.3 ).Определяем  полное  сопротивление  цепи  по  постоянному  току :

Очевидно , сопротивление  в  цепи  эмиттера  можно  определить  как :

Произведем    расчет  элементов  стабилизации  режима  работы  выходного  каскада .

1.2.2 Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя выходного транзистора.

 К  дестабилизирующим  факторам  , влияющим  на  положение  рабочей  точки  относят  изменение      коэффициента  передачи  транзистора  по  току             , обратного  тока  коллектора                                                                                                                      н           и  напряжения              . Целью  расчета  является  определение  оптимальных  сопротивлений  R_б1  и  R_б2  во  входном  делителе . Методика  расчета  приведена  в  [1] . Для  расчета  необходимо  определить  эквивалентное  сопротивление  цепи  стабилизации  по  следующей  формуле :

В  данную  формулу  входят  неизвестные  величины :         ,         ,          ,        ,            найдем  их .

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

6

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Для  расчета  необходимы  следующие  исходные   данные :

1)   Координаты рабочей точки :

,                               ,                          ,                                                                                                 

2)   Рекомендуемая  относительная нестабильность тока покоя транзистора :

3)   Диапазон изменения температуры окружающей среды :

,

4)   Диапазон изменения  статического коэффициента тока базы в схеме с ОЭ:

                          ,         

5)Обратный ток Iкбо :

.                                         

6)   Тепловое сопротивление переход-окружающая среда.

.                        

С ⁄ Вт     

Определим   максимальную  температуру  перехода по  формуле :

здесь   P_к – средняя  мощность  рассеиваемая  на  коллекторе ,  выразим  ее  через  средний  ток , текущий  через  коллекторную  цепь :

где 

  Подставляя  данные  получаем :

Предельной  температурой  перехода  считают  температуру  в  150⁰ С , поэтому  необходимо  принять  меры  по  ее  снижению . Эту  задачу  можно  решить  двумя  путями , первый – снизить  значение  I_к.рт  , второй – применить  теплоотвод , уменьшив  тем  самым  сопротивление переход- среда . Несмотря  на  нетехнологичность  второго  варианта ,  в  данном  случае  он  является  предпочтительней ,  т.к.  снижение  тока  I_к.рт  вызовет  искажение  формы  импульса  из – за  нелинейности  входной  характеристики .

Пересчитаем  температуру  перехода  с  теплооотводом  площадью                                        

При  этом  тепловое сопротивление теплоотвода  [ см.3 стр. 60] :

С ⁄ Вт     

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

7

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

  Тепловое сопротивление переход-среда  с учетом  теплоотвода :

С ⁄ Вт     

Зная  тепловое сопротивление переход-среда  можно  определить  максимальную  и  минимальную  температуру  перехода по  формулам :

С ⁄ Вт     

С ⁄ Вт     

Определим  изменение  коэффициента  передачи  транзистора  по  току            по  формуле          [далее см.1] :

где

В  итоге  получаем :

Определим  среднее  значение  коэффициента  усиления  по  току         :

Определим  изменение  напряжения              :

Определим  изменение  обратного  тока  коллектора            путем линейной аппроксимации реальной зависимости  по двум известным из справочника точкам :

Отсюда  получаем :                                                                                                     

Определим  входное  сопротивление         в  рабочей  точке:

где  g₂₁ -  проводимость  в  прямом  направлении  в  рабочей  точке :

тогда

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

8

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим  полное  изменение  обратного  коллекторного  тока :

Допустимое  изменение  коллекторного  тока :

Теперь  все  необходимые  для  вычисления  R_б  величины  найдены . Подставляя  получаем :

Рассчитаем  сопротивления   базового  делителя                         :

Сопротивление   резистора  R_б2  рассчитаем  по  следующей  формуле :

Ток  через  делитель , равный :

не  превышает  коллекторного  тока  в  рабочей  точке .

1.3  Расчет выходного каскада по переменному току.

Для проведения расчета выходного каскада по переменному току необходимо определить                                 g-параметры транзистора .Поскольку g-параметры сильно зависят от режима работы транзистора, их определение производится для среднего положения рабочей точки.

Координаты средней точки ( см. рис.2,3 ) :

   Определим g- параметры по статическим входным и выходным характеристикам методом малых  приращений  [ 2 стр. 19  и  рис. 2 , 3] :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

9

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Определим коэффициент усиления  каскада  по  формуле [ 2 стр.106]:

где  R₀  определим  так :

Отсюда  получаем :

Очевидно , транзистор  не  сможет  обеспечить  такое  усиление , поэтому  введем  в каскад отрицательную обратную связь по току в виде не шунтированного конденсатором  сопротивления  в  цепи эмиттера.. Определим величину этого сопротивления :

Ко - коэффициент усиления каскада без ОС .

К  - коэффициент усиления каскада с ОС.

При таком  сопротивлении  обеспечивается  коэффициент  усиления  каскада  К = 20 . Для  того , чтобы  сопротивление обратной связи не  влияло  на  режим работы транзистора по постоянному току , необходимо  пересчитать  сопротивление R_э2 ,  шунтируемое  емкостью  С_э . Очевидно :

Схема  выходного  каскада  с  обратной  связью  представлена  на  рис. 4.

Рис. 4. Расчетная  схема  выходного  каскада . 

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

10

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Теперь можем рассчитать время установления выходного каскада  по  формуле [ 2 стр. 119]:

                             где  τ_э – эквивалентная  постоянная  времени ,  для  схемы  с  ООС  по  току  определяется  по  формуле [ см.2 стр. 119] :

   Рассчитаем  необходимые  величины :

Эквивалентное  сопротивление  R₀ :

Сопротивление  базы  транзистора  найдем  используя  значение  постоянной  времени  цепи  ОС :

Выражения  для  постоянных  времени  транзистора  и  нагрузки  имеют  вид :

Подставляя  числовые  значения , получаем  эквивалентную  постоянную  времени:

Получаем  время  установления  выходного  каскада :

Это  значение  меньше  рекомендуемой  величины  для  выходных  каскадов , равной :

Рассчитаем  входное  сопротивление  выходного  каскада  по  следующей  формуле ( 2 стр.119) :

Рассчитаем  входную  емкость  каскада  по  формуле ( 1. стр.119) :

В  данном  каскаде  процесс  установления  имеет  монотонный  характер , что  безусловно , является  достоинством  выбранной  схемы  включения  транзистора .

Выбор  емкостей  в  цепи  связи  и  в  цепи  эмиттера  удобнее  произвести  далее  , после  расчетов  остальных  каскадов .

Расчет  импульсного  усилителя .

Лист

11

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Приложение :

Таблица 1. Характеристики  проектируемого  импульсного  усилителя

( при  нагрузке С_н = 50 пФ ) :

Список  литературы  использованной  при  проектировании  усилителя :

1.   Конспект  лекций .

2. Б.А.Варшавер. Расчет и проектирование импульсных усилителей. М.1975г.

3.   Расчет и проектирование импульсных усилителей . Под  редакцией

4. Аналоговые электронные устройства /практикум для студентов III курса радиотехнического факультета. Часть I / Новосибирск 1991г.

5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения /справочник / под ред. Б.Л.Перельмана  М.1981г.

6. Полупроводниковые приборы: транзисторы  /справочник/ под ред. Н.Н.Горюнова. М.1986г.

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

28

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Содержание :

Заданные  параметры  проектируемого  усилителя  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  1 стр.

1.  Расчет  выходного  каскада . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  2 стр.

1.1  Выбор транзистора выходного каскада  и полярности  питающего напряжения . _ _ _ _2 стр.

1.2  Расчет  режима  по  постоянному  току. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _4 стр.

1.2.1  Выбор  координат  рабочей  точки . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _4 стр.

1.2.2 Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя выходного транзистора. _ 6 стр.

1.3  Расчет выходного каскада по переменному току. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  9 стр.

2.  Расчет  предварительных  каскадов . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  13 стр.

2.1  Выбор  транзистора  для  предварительных  каскадов .  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 13 стр.

    2.2 Расчет  режима  по  постоянному  току .

2.2.1  Расчет схемы температурной стабилизации  предварительных  каскадов . _ _ _ 15 стр.

2.2  Примерный  расчет  необходимого  числа  предварительных  каскадов . _ _ _ _ _ _ _ _17 стр.

2.3  Расчет  предварительных  каскадов  по переменному току.  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 19 стр.

2.4.1  Расчет  предвыходного  каскада.  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  19 стр.

2.5  Полный   расчет  2 – го , 3 – го  и  4 – го  предварительных  каскадов . _ _ _ _ _ _ _ _ _ 21 стр.

3. Расчет  входного  каскада . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _22 стр.

3.1  Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя транзистора входного каскада 23 стр.

    3.2 Расчет  характеристик  входного  каскада  по  переменному  току . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 23 стр.

   4. Расчет  вспомогательных  цепей  усилителя . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _24 стр.

5. Расчет  мощностей , рассеиваемых  на  резисторах  и  напряжений ,     действующих  на  конденсаторах  усилителя . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  27 стр.

Приложения :

Таблица 1. Характеристики  проектируемого  импульсного  усилителя _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  28 стр.

Список  литературы  использованной  при  проектировании  усилителя  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _28 стр.

Принципиальная  схема  импульсного  усилителя

Спецификация  к  импульсному  усилителю

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Импульсный  усилитель .

Пояснительная  записка .

Лит.

Листов

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

у

31

1

Разраб.

МихайловА.В

РТ 5 – 03

Провер.

Дуркин В.В