Схемотехническое проектирование и расчет усилителя импульсных сигналов

Содержание:

Введение.

1. Задание на проектирование.
2. Выбор типа проводимости транзисторов.
3. Выбор значения начального тока в каскадах.
4. Расчет элементов схемы из условия обеспечения требуемого значения тока Iко.

-Расчет токов  делителей.

-Расчет сопротивлений.

5. Анализ воздействия дестабилизирующих факторов на работу каскада на постоянном токе.

-Расчет нестабильностей.

-Расчет g-параметров.

-Расчет входных  и выходных сопротивлений транзисторов.

-Расчет коэффициентов  передачи транзисторов.

-Расчет собственных  нестабильностей коллекторных токов.

-Расчет нестабильности  выходного напряжения.

6. Мероприятия по снижению влияния источников нестабильности.

- Корректирование  сопротивлений R6 и R4.

- Расчет петлевой передачи.

7. Оценка предельно допустимого сопротивления нагрузки.

- Расчет коэффициентов  передачи.

- Расчет паразитных  емкостей.

8. Оценка спада НАЧХ входной цепи.
9. Определение значений емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов.
10. Оценка значения коэффициента усиления тракта в целом.
11. Оценка нелинейных свойств усилительного тракта.

Заключение. 
 
 

Введение.

     По  роду усиливаемых электрических  сигналов усилители можно разделить  на две группы:

     Усилители гармонических сигналов (или гармонические усилители), предназначенные для усиления квазипериодических сигналов различной величины и формы, т. е. сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя. К гармоническим усилителям относятся: микрофонные, усилители воспроизведения аудиозаписи, кино, многие измерительные усилители и т. д. 
Усилители импульсных сигналов (или импульсные усилители), предназначенные для усиления импульсных сигналов различной величины и формы. Устанавливающиеся процессы в цепях этих усилителей должны протекать с такой скоростью, чтобы не искажать недопустимым образом форму усиливаемых импульсов. К импульсным усилителям относятся усилители импульсных систем связи, импульсных радиолокационных и радионавигационных устройств, многие усилители систем регулирования и управления, телевизионные видеоусилители и т. д.

     По  ширине полосы и абсолютным значениям  усиливаемых частот усилители делят  на следующие типы:

     Усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов), предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты в пределах от низшей рабочей частоты f_H = 0 до высшей рабочей частоты f_B, т. е. усилители, усиливающие как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

 
            Усилители переменного тока, предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты в пределах от f_H > 0 до f_В, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

     Усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты (как модулированной, так и немодулированной), например принимаемых приёмной антенной радиоприёмного устройства. УВЧ можно подразделить на усилители радиочастоты, усиливающие электрические колебания несущей частоты, и усилители промежуточной частоты, усиливающие электрические колебания преобразованной частоты (в радиоприёмных устройствах   супергетеродинного   типа).   УВЧ характеризуются отношением высшей рабочей частоты к низшей, близким к единице (обычно (f_B/f_H) < 1,1), так как спектральные составляющие модулированного колебания тесно группируются вблизи несущей или промежуточной частоты.

     Усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих непреобразованного передаваемого или принимаемого сообщения. Такое название этот тип усилителей получил в начале развития радиотехники, когда по радио передавались только речь, музыка и сигналы невысокой скорости, и гармонические составляющие непреобразованного сигнала действительно имели низкую частоту, не превышающую десятка килогерц. 

     B настоящее время название «усилитель  низкой частоты» является неподходящим  для многих усилителей непреобразованного  сигнала, так как частоты последнего  нередко вовсе не являются  низкими. Например, в телевидении  частота сигналов изображения  достигает нескольких мегагерц; усилители этих сигналов нередко  называют видеоусилителями. В технике радиопередающих устройств усилители модулирующих колебаний обычно называют модуляторами. 
Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10-500 для усилителей звуковых частот и превышающим 10⁵ для некоторых типов видеоусилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называют широкополосными усилителями.

     Кроме того, усилители разделяются на усилители прямого усиления, в которых подводимые электрические колебания усиливаются непосредственно, без преобразования частоты этих колебаний, и усилители с преобразованием, в которых спектр частот усиливаемых колебаний преобразуется.

      Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в узкой полосе частот; их усиление резко падает на частотах как выше, так и ниже средней частоты. Избирательные усилители подразделяют на резонансные, усиление которых с изменением частоты меняется по закону, связанному с законом изменения полного сопротивления параллельного резонансного контура, и узкополосные, усиление которых почти постоянно в узкой полосе частот и резко падает за её пределами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Задание на проектирование.

 
 
 
 
 

Номинальные значения основных параметров:

• сопротивление базовой области гб – 30 Ом;
• коэффициент усиления по току в схеме ОЭ h21э – 100;
• обратный ток эмиттерного  перехода Iоэ – 10 А;
• напряжение Эрли – Uer = 150B;
• наибольший ток коллектора Ikmax – 0.3;
• паразитная емкость перехода база-коллектор Ск – 1 пФ;
• модуль коэффициента усиления по току в схеме ОЭ на частоте 250 МГц – 2.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Выбор типа проводимости транзисторов.

 

Схема ОЭ-ОЭ-ОБ

Вход

Выход

Еп+

Еп-

ОБ

n-p-n 

ОЭ

n-p-n 

ОЭ

n-p-n 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Выбор значения начального тока в каскадах.

Выбираем во входном  каскаде на транзисторе VT1 ток коллектора и, соответственно , ток эмиттера равный 2 мА, а в оконченном каскаде на транзисторе VT3 ток коллектора равный 3 мА, который будет соответствовать току коллектора транзистора VT2, вследствие последовательного соединения каскадов на транзисторах VT2 и VT3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Расчет  элементов схемы  из условия обеспечения  требуемого значения тока Iко.

Выбираем разность потенциалов база – эмиттер равную 0.7 В. Будем полагать, что падение  напряжения на резисторе эмиттера первого  каскада равно 0.5 В, второго каскада 0.7В. Прием напряжения коллектор – эмиттер транзисторов VT1 и VT2 равным 1.5 В. 
 
 

Расчет  токов делителей:

Ik1 – ток коллектора VT1.

Ik2 – ток коллектора VT2 равный току коллектора VT3.

Ib1, Ib2 – токи баз транзисторов VT1 и VT3.

Idel1, Idel2 – токи базовых делителей.

В – коэффициент  усиления по току. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  сопротивлений:

Ube – напряжение база – эмиттер.

Uke – напряжение коллектор – эмиттер.

Up1=Eп+, Up2=Eп- - напряжение источников питания.

Uri – падение напряжения на соответствующем сопротивление.

UR5=0.7 B, UR4=0.5 B, UR2=UR4+Ube=1.2 B, UR3=UR5+Ube=1.4 B,

UR7=UR5+Uke+Ube=2.9 B, UR8=Up1-Up2-UR7=6.1 B. 
 
 
 
 
 

R6 рассчитываем исходя из условий линейного режима работы при формирование предельного значения импульса на выходе. 
 
 

Выбираем величины резисторов из стандартного ряда сопротивлений:

R1 = 15600 Ом ~ 16 кОм                   R2 = 2400 Ом

R3 = 700 Ом ~ 680 Ом                        R4 = 250 Ом ~ 240 Ом

R5 = 233 Ом ~ 240 Ом                        R6 = 767 Ом ~ 750 Ом

R7 = 3867 Ом ~ 3900 Ом                    R8 = 8133 Ом ~ 8200 Ом 

5. Анализ  воздействия дестабилизирующих  факторов на работу каскада на постоянном токе.

Расчет  нестабильностей:

∆t = 60°C; 
 
 
 
 
 

Расчет  g – параметров

M – коэффициент не идеальности p-n перехода.

Ut – температурный потенциал. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  входных и выходных сопротивлений транзисторов:

Rout1 – выходное сопротивление каскада ОЭ на VT1.

Rout2 – выходное сопротивление каскада ОЭ на VT2.

Rout3 – выходное сопротивление каскада ОБ на VT3.

Rin2 – входное сопротивление каскада ОЭ на VT2.

Rin3 – входное сопротивление каскада ОЭ на VT3. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  коэффициентов передачи транзисторов:

К2 – коэффициент передачи каскада ОЭ на VT2.

К3 – коэффициент  передачи каскада ОБ на VT3.

gn2, gn3 – проводимости нагрузок на второй и третий каскады. 
 
 

K2 = 0.142                   K3=21.109

Расчет  собственных нестабильностей  коллекторных токов:

Расчет нестабильности соединения (ОЭ-ОБ) производим только с  учетом нестабильности каскада ОЭ, считая, что каскад ОБ не вносит существенных изменений в общую нестабильность усилителя. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  нестабильности выходного  напряжения:

∆U31, ∆U32 – влияние нестабильности первого и второго каскадов на третий каскад.