Расчёт вспомогательных цепей

Техническое задание

 

Произвести расчёт импульсного  усилителя со следующими характеристиками:

параметры усиливаемых  импульсов на входе и выходе усилителя:

• амплитуда U_ВХ = 10 мВ, длительность τ_U=50 мкс, форма прямоугольная;
• амплитуда импульса на выходе усилителя U_ВЫХ = 6 В;

• скважность импульсной последовательности q=500;
• сопротивление нагрузки R_Н=1,5 кОм;
• ёмкость нагрузки C_н=9пФ;
• допустимые искажения: время установления фронта импульса τ_Y=50нс, допустимый выброс вершины δ=1,2%, допустимый спад вершины Δ=2,5%;
• изменение температуры окружающей среды t=10÷40⁰С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Задание………………………………………………………………………...2

Содержание……………………………………………………………………3

Введение………..……………………………………………………………...4

1. Выбор типа транзистора  для входного и предварительных каскадов усилителя……………………………………………………………...............5

2. Выбор режима и  расчёт выходного каскада………………………….......6

3. Расчёт схемы с  температурной стабилизацией   рабочей точки транзистора предварительного каскада…………………………………………. .11

4. Расчёт входной цепи…………………………………………….......... .12

5.Определение основных  параметров предоконечного каскада……… .13

6. Расчёт вспомогательных  цепей………………………………………...14

     7.  Расчёт  фильтров………………………………………………………...15

Заключение………………………………………………………………….17

Список используемой литературы…………………………………….......18

Приложения……………………………………………………………....... 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

     Области использования импульсных усилителей весьма многочисленны. Особенно широко импульсные усилители применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики и вычислительной техники. Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или в другом случае. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу усилительных элементов(ламп или транзисторов) и особенностям электрической схемы, так и по конструкции.

Проектирование многокаскадного  усилителя характеризуется в  первую очередь тем, что решение  не является однозначным. В связи  с этим возникает задача выбора оптимального варианта. Решая вопрос о том, какому варианту следует отдать предпочтение, необходимо, выполняя электрический расчёт, принимать во внимание также и дополнительные соображения, которые связаны главным образом с условиями производства усилителя и условиями его эксплуатации.

Общей задачей проектирования является отыскание наиболее простого, экономичного решения. Сложность проектирования как раз и заключается в  том, чтобы найти это относительно простое решение.

При проектировании усилителя задачу выбора схемы и параметров отдельных каскадов следует рассматривать как частную, подчинив её общей задаче – выполнению технических требований, предъявляемых к усилителю в целом. Поэтому рационально, исходя из общих технических требований, формулировать частные технические условия к отдельным каскадам усилителя и вести их расчёт на основании этих частных условий, которые должны находиться в определённой связи друг с другом.

Расчёт и проектирование транзисторных усилителей имеют  ряд особенностей по сравнению с расчётом и проектированием ламповых усилителей. В частности, в схемах на полупроводниковых триодах обязательно должна предусматриваться температурная стабилизация режима их работы.

Решение о выборе в  качестве усилительного элемента транзистора следует принимать с учётом как требований, предъявляемых к электрическим показателям усилителя, так и требований, вытекающих из условий эксплуатации (надёжность, вес, габариты, устойчивость к динамическим нагрузкам и др.) 

 

  

 

 

 

 

 

 

Импульсные усилители.

 

Классическое определение импульсного  сигнала: - периодический сигнал, длительность которого на несколько порядков меньше Т повторения.

Импульсным усилителем называется четырехполюсник, усиливающий напряжение по форме отличающееся от гармонического (треугольные импульсы, прямоугольный и трапециидальный меандр).

Нижняя частота усиливаемых  колебаний м.б. » единиц или десятков герц, а верхняя – несколько мегагерц (100-200МГц). Например усилители в осциллографах для усиления колебаний наносекундной длительности.

Для испытания импульсных усилителей (рис.а) на их вход подаётся прямоугольный импульс достаточно большой длительности τ_и , имеющий плоскую вершину и крутой фронт. На выходе усилителя наблюдается импульс – рис. б.

      Длительность фронта  – характеризуется временем нарастания t_н (амплитуда от 0,1 до 0,9Е₀). Время нарастания тем меньше, чем больше верхняя частота f_в).

 

Выброс на вершине импульса зависит  от формы АЧХ усилителя в области  верхних частот. Он тем больше, чем  резче изменяется характеристика. Выброс оценивается в процентах           

Длительность переходного процесса характеризуется временем установления t_уст (в течение которого выходное напряжение изменяется от первого пересечения уровня 0,1 до последнего пересечения с уровнем 0,9.

Вершина импульса может иметь различную  форму, зависящую от АЧХ усилителя  в области нижних частот. (f_н от f_в отличается на несколько порядков).

 

Время нарастания фронта.

 

При рассмотрении частотных  характеристик  резисторных усилителей на транзисторах было показано, что эквивалентная схема усилителя в области верхних частот сводится к интегрирующей цепи, и ее переходная характеристика может быть представлена выражением:  T=RC

Зная  h(t) , можно определить время нарастания:

t₁=>h(t₁)=0,1

t₂=>h(t₂)=0,9

t_нар=t2-t1=2,2×RC

 

Принципы построения схем импульсных усилителей.

 

Основное требование, предъявляемое к ИУ – равномерность  усиления в широкой полосе частот. Ламповые схемы имеют преимущества в широкополосности перед транзисторными.

Для усиления импульсивных сигналов применяются все 3 схемы  включения транзисторов. Выбор той или иной схемы включения определяется конкретным требованием к каскаду усиления.

Многокаскадный  усилитель по схеме c ОБ применяется редко, поскольку они требуют согласования высокого выходного сопротивления с низким входным. В этих схемах непосредственная связь между каскадами является неприемлемой, так как за счет межкаскадного рассогласования усиление существенно падает.

При использовании эмиттерного  повторителя в качестве согласующего каскада можно получить сравнительно большее сопротивление. Однако такой  усложненный каскад теряет преимущества широкополосности по сравнению со схемой с ОЭ. Отличительная  особенность такой схемы: высокое входное и высокое выходное сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для согласования каскада с ОБ можно использовать трансформатор. Недостаток: ограничение  полосы пропускания в области нижних  частот (такой усилитель может использоваться в качестве дифференцирующего).

 

 

Каскады на полевых транзисторах

Уступают биполярным по широкополосности и по усилению мощных сигналов, но используется входное сопротивление, порядка 10⁸ , 10⁹  Ом, а также малый уровень собственных шумов, поэтому они нашли широкое применение в усилителях слабых сигналов.

 

Частотная коррекция  резисторного усиления в области  верхних частот.

 

При усилении импульсов резисторным  усилителем для уменьшения шунтирующего влияния входной и выходной емкостей приходится значительно уменьшать сопротивление нагрузки в выходной цепи электронного прибора. Сопротивление нагрузки R  при   этом оказывается меньше внутреннего сопротивления электронного прибора. Таким образом полосу расширяют, уменьшая сопротивление нагрузки, что ведет к уменьшению усиления в области средних частот. В области средних частот коэффициент усиления:        K_СР= -S×R

В области верхних усиливаемых  частот K_В= -SZ (Z – полное сопротивление нагрузки, состоящей из R и шунтирующей ёмкости).

Для уменьшения шунтирующего влияния  емкости С включают корректирующую индуктивность. В основном используются 2 способа включения: параллельная – (простая) коррекция и последовательная – (сложная) коррекция.

Параллельная (простая) коррекция.

 

Эквивалентная схема усиления с  параллельной коррекцией напряжения:

 

U_ВЫХ= -S×U_ВХ×Z ,

где

 

Коэффициент усиления:

Коэффициент усиления в области  средних частот:

K_СР= -S×R

Относительный коэффициент усиления:

  (1)

Введены обозначения:  (2)

где  f₂ -  верхняя граничная частота некорректированного усилителя:

,     где   (3) – коэффициент коррекции, равный отношению  индуктивного сопротивления на f₂ к активному сопротивлению.

Подставляя (2), (3) в (1) получаем:

  (4)

Модуль этого выражения даст АЧХ корректированного усилителя:

Для того, чтобы АЧХ имела  максимально плоскую вершину, первая производная должна быть равна 0

k=0,41 – коэффициент коррекции, соответствующий наиболее широкой полосе пропускания без выброса на вершине .

 

Фазовая характеристика  φ=arctg[(k-1)x-k²x²]

ФЧХ максимально линейна, если:

Усилитель является неискажающим, если его коэффициент передачи постоянный и ФЧХ линейна для всей области усиливаемых частот и проходит через начало координат.

В реальных усилителях даже при максимально  плоской АЧХ усиления в пределах полосы пропускания не является постоянным.

Условия максимальной равномерности АЧХ  (R=0,41) и максимальной линейности ФЧХ (R=0,32) не совпадают. Следовательно, реальный импульсный усилитель всегда искажает прямоугольный импульсный сигнал с широким частотным спектром. Высокочастотная коррекция не устраняет искажения формы усиливаемого импульса, а лишь позволяет уменьшить время нарастания его фронта.

 

 

При проектировании импульсных усилителей допускается выброс S=0,01(1%). Исходя из этого чаще берут R=0,35. При этом полоса расширяется  в 1,6 раза по сравнению с полосой пропускания некорректированного усилителя.

 

 

Последовательная сложная  коррекция.

 

Схема усиления с такой коррекцией изображена  на рисунке.

  

 

 

7

 

 

 

 

Уменьшение коэффициента усиления в области верхних частот компенсируется (выравнивается) введением корректирующей L. Образуется  параллельный колебательный контур, резонансная частота которого должна быть больше верхней граничной частоты некорректированного усилителя. Этот способ позволит уменьшить время нарастания на 10-50% по отношению ко времени нарастания при простой коррекции.

 

Коррекция в цели эмиттера.

 

Можно включить в эмиттерную цель корректирующую RC цель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На низких частотах сопротивление  конденсатора в 1000 пФ больше шунтируемого им резистора в 91 Ом, т.е. сопротивление  в цели эмиттера увеличивается и пропорционально этому увеличению уменьшается коэффициент усиления усилителя.

С ростом частоты все большая  часть эмиттерного тока будет  ответвляться в С_Э=1000 пФ, что вызовет уменьшение эквивалентного сопротивления эл. цепи эмиттера, а, следовательно, увеличения коэффициента усиления, т. о. при этом способе коррекции происходит выравнивание АЧХ усилителя, площадь усиления остается неизменной в отличие от предыдущего способа, где S усиления увеличивается.

 

Частотная коррекция  ИУ в области низких частот.

 

                   

 

Схема коррекции осуществляется включением точки R_ФС_Ф последовательно, с сопротивлением нагрузки R. Добавление к сопротивлению R сопротивления цепи R_ФС_Ф увеличивает общее сопротивление нагрузки при уменьшении коэффициента передачи цепи С_РАЗД R_Н в области нижних частот.

Найдем условие коррекции. При  RС_Ф=R_НС_РАЗД ток I делится на токи I₁ и I₂ т.о., что составляющие всех частот делятся в одном и том же отношении и следовательно напряжение на нагрузке остается постоянным. Это условие низкочастотной коррекции. Это условие справедливо только для начала импульса.