Расчет предварительных каскадов. Ч.2, страница 2

Рис. 5. Входная  характеристика транзистора  КТ3107А.

Рис. 6. Выходные  характеристики  транзистора  КТ3107А.

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

14

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

2.4 Расчет  предварительных  каскадов  по переменному току.

2.4.1  Расчет  предвыходного  каскада.

Расчет  предвыходного  каскада  по  переменному  току  отличен  от  расчета  остальных  каскадов  предварительного  усиления  , т.к.  он  нагружен  на  каскад  с  ООС  по  току . Учтем  это  обстоятельство  при  расчете .

Рассчитаем  эквивалентное  сопротивление  в  цепи  коллектора  транзистора  , исходя  из  необходимого  коэффициента  усиления  каскада :

Но для  выбранной  схемы  включения транзистора ( см. рис. 7) , с  учетом  его  нагрузки , данное  сопротивление  определяется  параметрами  элементов  схемы  следующим  образом [ 2 стр. 108]:

- глубина  обратной  связи  по  току  в  следующем  каскаде

Для  определения  сопротивления R_к предвыходного  каскада , выразим  его  из формулы и , подставив необходимые  величины  вычислим  его :

При таком  сопротивлении  обеспечивается  коэффициент  усиления  каскада  К = 13.5 .

В  цепи  коллектора  сумма  всех  сопротивлений  должна  быть  равна  180 Ом  (см. выше ) , поэтому  сопротивление  в  цепи  коррекции  спада  плоской  вершины  будет  равно (см. рис.7 ) :

Теперь рассчитаем  время установления  предвыходного  каскада  по  формуле [ 2. стр. 108]:

где  τ_э – эквивалентная  постоянная  времени ,  для  выбранной  схемы   определяется  по  формуле :

   Рассчитаем  необходимые  постоянные  времени  различных  цепей , для  чего  определим  сопротивление  базы  транзистора  , используя  постоянную  времени цепи  обратной  связи τ :

Выражения  для  постоянных  времени τ_i  и  τ_s  имеют  вид :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

19

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставляя  числовые  значения , получаем  эквивалентную  постоянную  времени  τ_э :

Получаем  время  установления  предвыходного  каскада :

Это  значение  меньше  допустимой  величины  для  предварительных  каскадов  :

Рассчитаем  входное  сопротивление предвыходного каскада  по следующей формуле [2.стр.106] :

Рассчитаем  входную  емкость  каскада  по  формуле [ 1. стр.106] :

Как  уже  было  указано  выше , в  данном  каскаде  процесс  установления  имеет  монотонный  характер , т.е. выброс  в  выходном  сигнале  отсутствует .

Выбор  емкостей  в  цепи  связи  в  цепи  эмиттера  и  в  цепи  эмиттерной  коррекции  осуществим  после  расчетов  остальных  каскадов .

Рис. 7. Расчетная  схема  предварительных каскадов усиления .

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

20

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

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

Данные  каскады  абсолютно  идентичны  и  выполнены  по  одной  и  той  же  схеме , что  позволяет  провести  расчет  каскадов  по  одной и  той  же  методике , при  этом  все  параметры  этих  каскадов  будут  одинаковы . Как  уже  было  указано  выше , расчет  этих  каскадов  по  постоянному  току  полностью  совпадает  с  расчетом  предвыходного  каскада  т.к.  параметры  элементов  стабилизации  не  зависят  от  параметров  нагрузки , поэтому  для  данных  каскадов принимаем  ( см. расчет схемы температурной стабилизации тока покоя  транзисторов  предварительных  каскадов ) :

Нагрузкой  данных  каскадов  будут  являться  их  входное  сопротивление  и  емкость , поэтому  режим  работы  транзисторов  по  переменному  току  несколько  изменится . Рассчитаем  характеристики  каскадов  с  учетом  этого  обстоятельства :

Эквивалентное  сопротивление  в  цепи  коллектора  транзистора , исходя  из  необходимого  коэффициента  усиления  каскада будет  равно :

Для  выбранной  схемы  включения транзистора ( см. рис. 7) , с  учетом  его  нагрузки , данное  сопротивление  определяется  параметрами  элементов  схемы  следующим  образом [ 2 стр. 106]:

Для  определения  сопротивления R_к предварительных  каскадов , выразим  его  из формулы  , приняв   в  качестве  сопротивления  нагрузки  входное  сопротивление  данных  каскадов ( оно  равно рассчитанному  выше входному сопротивлению предвыходного  каскада ) , и вычислим его :

В  цепи  коллектора  сумма  всех  сопротивлений  должна  быть  равна  180 Ом  (см. выше ) , поэтому  сопротивление  в  цепи  коррекции  спада  плоской  вершины  (см. рис.7 ) будет  равно :

Время установления  2 – го , 3 – го  и  4 – го  предварительных  каскадов можно  вычислить  по  следующей формуле [ 2. стр. 108]:

где  τ_э – эквивалентная  постоянная  времени ,  для  выбранной  схемы   определяется  по  формуле :

Рассчитаем  необходимые  постоянные  времени  транзистора  и  нагрузки , для  чего  определим  сопротивление  базы  транзистора  , используя  постоянную  времени цепи  обратной  связи τ :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

21

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Выражения  для  постоянных  времени τ_i  и  τ_н  имеют  вид :

Суммируя  полученные  величины находим  эквивалентную  постоянную  времени :

Отсюда  время  установления  2 – го , 3 – го  и  4 – го  предварительных  каскадов :

Это  значение  меньше  допустимой  величины  для  предварительных  каскадов :

Входные  параметры  каскада  не  зависят  от  нагрузки и поэтому  совпадают  с  параметрами  предвыходного  транзистора , тогда для  всех  предварительных  каскадов :

Выбор  емкостей  в  цепи  связи  в  цепи  эмиттера  и  в  цепи  эмиттерной  коррекции  осуществим  после  расчетов  остальных  каскадов .

3. Расчет  входного  каскада .

В качестве  входного  каскада  с  целью  увеличения  входного  сопротивления  усилителя  используем  эмиттерный  повторитель ( схема  общий  коллектор )  с  коррекцией  спада  плоской  вершины ( см. рис. 8 ) .

Чтобы  не  изменился  режим  работы  транзистора  , примем  данном  каскаде  сопротивление  резистора   R_ф  равным  39 Ом , тогда  сопротивление  R_э , будет  равно :

Рис. 8. Расчетная  схема  входного  каскада .

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

22

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

3.1  Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя транзистора входного каскада .

Как  видно из  схемы , в  данном  каскаде  действует  100% - ая  ООС  по переменному  напряжению , за  счет  этого  схема  имеет  большое  входное  сопротивление . В  этих  условиях  возникает  необходимость  пересчета  параметров  элементов  схемы температурной стабилизации.             Но  т.к.  положение  рабочей  точки  транзистора  не  изменилось , то изменение  дестабилизирующих  факторов  за  счет  температуры  останется  таким  же . Поэтому  произведем  перерасчет  величин R_б , R_б1  и  R_б2 по  тем  же  формулам [ см 1] :

Получаем   сопротивления   базового  делителя :

В  этом  случае  ток  через  делитель  равен :

3.2 Расчет  характеристик  входного  каскада  по  переменному  току .

Рассчитаем  , коэффициент  усиления , время  установления , входное  сопротивление  и  входную  емкость  эмиттерного  повторителя  по  формулам , приведенным  в [ 2. стр. 128]:

Эквивалентное сопротивление для эмиттерного повторителя , нагруженного на  каскад без ООС :

Тогда  коэффициент  усиления  по  напряжению :

Время  установления  эмиттерного повторителя :

где  τ_э – эквивалентная  постоянная  времени ,  для  выбранной  схемы   определяется  по  формуле :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

23

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Выражения  для  постоянных  времени τ_i  и  τ_s  имеют  вид :

здесь К_пр – коэффициент  усиления  второго  каскада .

Подставляя  числовые  значения  получаем :

Получаем  время  установления  каскада :  

Время  установления  весьма  мало , что  объясняется  влиянием  глубокой  ООС  и  малым  влиянием  емкости  нагрузки .

Рассчитаем  входное  сопротивление  каскада , которое  и  будет  являться  входным  сопротивлением  всего  усилителя :

Рассчитаем  входную  емкость  каскада  т.е.  и  всего  усилителя  вцелом :

4. Расчет  вспомогательных  цепей  усилителя .

Под  вспомогательными  цепями  усилителя  подразумеваем  цепи  коррекции  спада  плоской  вершины  и  цепи  связи . Необходимо  рассчитать  оптимальные  значения  емкостей  в  цепях  эмиттера , цепях  связи  и  цепях  коррекции . Для  этого  оценим  общий  спад  плоской  вершины  усилителя  , задавшись  следующими  величинами  емкостей  в  цепях  эмиттера  и  цепях  связи .

Итак , пусть  емкость  всех  разделительных  конденсаторов , кроме  входной  равна  1 мкФ .

Входная  разделительная  емкость  может  быть  гораздо  меньше  из – за  большого  входного  сопротивления  эмиттерного  каскада , примем  ее  значение  равной  0.01 мкФ . Тогда  общий  спад  за  счет  разделительных  емкостей  будет  равен  сумме  спадов , создаваемых  каждым  каскадом   [ см. 2. стр. 136 ] :

Спад  в  каждом  каскаде  определяется  следующими  формулами [ см. 1. стр. 136 ] :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

24

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Примем  сопротивление  источника  сигнала  R_г  равным  требуемому  входному  сопротивлению  усилителя , т.е.  300 Ом  и  рассчитаем  общий  спад :

Пусть  емкость  в  цепи  эмиттера  каждого  транзистора  равна  50 мкФ , тогда  спад  плоской  вершины  за  счет  этой  цепи  будет  равен :

Для  каждого  каскада  [ см. 2. стр. 136 ]:

Подставив  числовые  значения  получим :

   Суммарный  спад  во  всем  усилителе  составляет :

Данный  спад  необходимо  компенсировать  за  счет  цепей  коррекции . Примем  емкость  в  цепи  коррекции  каждого  каскада  равной  1 мкФ . Тогда  подьем   плоской  вершины  импульса  можно  определить  по  формуле :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

25

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

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

Для  расчета  мощностей , рассеиваемых  на  резисторах , необходимо  знать  средний  ток , протекающий  по  данным  резисторам . Для  резисторов , стоящих  в  цепях  коллектора  и эмиттера , в  качестве  среднего  тока  можно  использовать  средний  коллекторный  ток  транзистора . Ток , текущий  через  резисторы  базового  делителя  определим  по  закону  Ома .

В результате  вычислений  получаем  следующие  значения  мощностей , рассеиваемых  на  резисторах ( нумерация  сопротивлений  в  соответствии  со  схемой ) :

Как  видно  из  расчетов , для  всех  резисторов , кроме  R₂₅  и  R₂₇  рассеиваемая  мощность  не  превышает  0.125 Вт , что  позволяет для  этих  сопротивлений  применить  класс  резисторов  с  такой  рассеиваемой  мощностью . Для   сопротивления  R₂₅  необходимо  взять  резистор  с  рассеиваемой  мощностью  не  менее  1 Вт , для  сопротивления  R₂₇ – 2 Вт .

Напряжения , на  которые  должны  быть  рассчитаны  конденсаторы , зависят  от  напряжения  питания  усилителя , поэтому  конденсаторы  С1 – C13  и С15  должны  быть  рассчитаны  на  напряжение  не  менее  9 В , конденсатор С14 – на  напряжение  не  менее  90 В , а  остальные  конденсаторы – на  напряжение  не  менее  80 В .   

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

27

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Подставив  числовые  значения  получаем  :

Рассчитаем  суммарные  характеристики  усилителя .

1. Общий  спад  всего  усилителя  вцелом  составляет :

Эта  величина  является  допустимой  для  данного  усилителя .

2. Время  установления  усилителя  :

Данная  величина  меньше  заданной  в  задании  на  проектирование .

3. Коэффициент  усиления   по  напряжению :

Полная  характеристика  усилителя  ( на  основе  расчетных  данных )  приведена  в  приложении  к  данному  документу  ( стр.  28 ) .

Расчет  импульсного  усилителя .

Лист

26

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Поз. обозначение

Наименование

Кол.

Примечание

Резисторы

R1

МЛТ - 0.125 - 5.6 кОм  ±5%

1

R2

МЛТ - 0.125 - 2.2 кОм  ±5%

1

R3

МЛТ - 0.125 - 39 Ом  ±5%

1

R4

МЛТ - 0.125 - 130 Ом  ±5%

1

R5 , R10 , R15 , R20

МЛТ - 0.125 - 2.4 кОм  ±5%

4

R6 , R11 , R16 , R21

МЛТ - 0.125 - 560 Ом  ±5%

4

R7 , R12 , R17

МЛТ - 0.125 - 43 Ом  ±5%

3

R8, R9 , R13 , R14

МЛТ - 0.125 - 68 Ом  ±5%

4

 R18 , R19 , R22 , R24

МЛТ - 0.125 - 68 Ом  ±5%

4

R23 , R28

МЛТ - 0.125 - 47 Ом  ±5%

2

R25

МЛТ - 1.0 - 7.4 кОм  ±5%

1

R26

МЛТ - 0.125 - 750 Ом  ±5%

1

R27

МЛТ - 2.0 - 1.1 кОм  ±5%

1

R29

МЛТ - 0.125 - 700 Ом  ±5%

1

Конденсаторы

C1

К10 - 17б  Н90 - 0.01 мкФ

1

C2 , C4 , C7 , C10 , C13

К50 - 16 - 10 - 1 мкФ

5

C3 , C5 , C8 , C11

К50 - 16 - 10 - 1 мкФ

4

C6 , C9 , C12 , C15

К50 - 16 - 10 - 50 мкФ

4

C14 , C16

К50 - 16 - 100 - 1 мкФ

2

C17

К50 - 16 - 100 - 50 мкФ

1

Транзисторы

VT1,VT2 ,VT3,VT4,VT5

КТ3107А

1

VT6

КТ602А

1

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – Э1

Импульсный  усилитель.

Спецификация

Лит.

Листов

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

у

1

1

Разраб.

МихайловА.В

РТ 5 – 03

Провер.

Дуркин В.В

2.2 Расчет  режима  по  постоянному  току .

2.2.1  Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя  транзисторов  предварительных  каскадов .

Расчет  производим  аналогично   выходному  каскаду  по  методике , приведенной  в [3] .

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 .

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.

Определим   максимальную и  минимальную температуры  перехода по  формулам :

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

.                                    где   

Подставляя  данные  получаем :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

15

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Максимальную  температуру  перехода  можно  считать  приемлемой , поэтому  нет  необходимости  менять  режим  работы  транзистора  или  применять  теплоотвод .

Для  расчета  необходимо  определить  эквивалентное  сопротивление  цепи  стабилизации  R_б по  следующей  формуле :

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

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            по  формуле , справедливой  для  кремниевых  транзисторов :

Определим  входное  сопротивление         в  рабочей  точке:

Определим  полное  изменение  обратного  коллекторного  тока :

Допустимое  изменение  коллекторного  тока :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

16

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Для  получения  достаточно большого сопротивления  цепи  стабилизации  примем 

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 , поэтому  расчет  схемы  стабилизации  можно  считать  законченным .

Т.к. во  всех  каскадах  предварительного  усиления  режим  работы  транзисторов  одинаков , то  данный  расчет  верен  для  каждого  из  каскадов  предварительного  усиления .

2.3  Примерный  расчет  необходимого  числа  предварительных  каскадов .

Для  определения  необходимого  числа  предварительных  каскадов  по  методике , приведенной  в  [ 2. стр. 48 ] нужно  знать  время  установления  и  коэффициент  усиления  предварительных  каскадов . При  условии  малого  выброса  в  каждом  каскаде , эти  величины  можно  определить  из  следующих  формул :

здесь  t_у и K – время  установления  и  коэффициент  усиления  всего  каскада , t_у.вх и  K_вх  - время  установления  и  коэффициент  усиления  входного  каскада , t_у.вых и  K_вых  - время  установления  и  коэффициент  усиления  выходного  каскада  соответственно .

Т.к.  расчет  входного  каскада  еще  не  произведен , то  вместо  неизвестных  величин  необходимо  взять  приближенные . Для  обеспечения  достаточно  высокого  входного  сопротивления  усилителя  применим  во  входном  каскаде  эмиттерный  повторитель . Тогда  его  коэффициент  усиления  по  напряжению  примем  равным  0.9 , а  время  установления  пусть  будет  таким  же  как  и  у  остальных  предварительных  каскадов .

В  этом  случае  получим :

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

17

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Далее  по  формуле , приведенной  в  [ 2. стр. 49 ]  определяем  добротность  некорректированных  каскадов  предварительного  усиления :

Здесь  r_б – сопротивление  базы , С_к – емкость  коллектора , τ – постоянная  времени  транзистора.

Для  расчета по этой формуле берем из справочника следующие параметры транзистора КТ3107А:

Подставляя  значения  для  выбранного  транзистора  получаем :

Находим  произведение             :

По  графикам , приведенным  в  [ 2. стр. 48 ]   число  некорректированных  каскадов , при данном  режиме  работы  транзистора  и   необходимых  характеристиках  усилителя  , с  учетом  входного  каскада  равно  четырем . Но  в  этом  случае  коэффициент  усиления  каждого  каскада  в  отдельности ( кроме  входного )  должен  составлять :

Для  предотвращения  самовозбуждения  усилителя  ограничим  коэффициент  усиления  отдельного  каскада  до  20 . Тогда  число  каскадов  предварительного  усиления  увеличится  на  один  и  станет  равно  пяти ( включая  входной ) . В  этом  случае  на  каждый  каскад  ( кроме  входного )  придется  коэффициент  усиления , равный :

Допустимое  время  установления  каждого  предварительного каскада :

Т.к. коэффициент  усиления  достаточно  мал , то  для  предварительных  каскадов (кроме  входного ) выбираем  некорректированный  реостатный  каскад , т.к. он  имеет  наименьшее  время  установления  и  монотонную  переходную  характеристику .

КП - НГТУ – ХХХХХХХХ – 03 – ПЗ

Лист

18

Изм

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Министерство образования

Российской  Федерации

Кафедра  РП  и  РПУ .

Курсовой  проект 

по  предмету :

Схемотехника  аналоговых  электронных  устройств .

Тема : Усилитель  импульсных  сигналов .

Факультет:  РЭФ

Группа:  РТ5-03

Студент:  Михайлов А.В.

Преподаватель:  Дуркин  В.В

Дата сдачи:

Новосибирск 2002