Электрический расчет выходного каскада усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

транзистор каскад импульсный усилитель

Введение

1. Электрический расчет выходного каскада усилителя

1.1 Выбор транзистора для выходного каскада

1.2 Выбор режима работы транзистора в выходном каскаде

1.3 Расчет выходного каскада по переменному току

2. Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя выходного транзистора

2.1 Исходные данные для расчета схемы температурной стабилизации

2.2 Расчет величин сопротивлений Rб1 и Rб2

3. Определение числа каскадов предварительного усиления

3.1 Выбор транзистора для каскадов предварительного усиления

3.2 Выбор режима работы транзисторов каскадов предварительного усиления и определение g-параметров в рабочей точке

3.3 Определение числа каскадов предварительного усиления

4. Расчет каскада предварительного усиления

4.1 Электрический расчет предварительного каскада

4.2 Расчет схемы температурной стабилизации рабочей точки транзистора предварительного каскада

5. Расчет входного каскада усилителя

5.1 Выбор режима работы транзистора и расчет входного каскада по постоянному току

5.2 Расчет стабилизации рабочей точки

5.3 Определение времени установления входного каскада и всего усилителя в целом

6. Расчет вспомогательных цепей усилителя

7. Определение загрузки элементов

8. Характеристики полученного усилителя

9. Принципиальная электрическая схема усилителя

Список использованной литературы



1. Электрический расчет выходного каскада усилителя

1.1 Выбор транзистора для выходного каскада

Основное требование, предъявляемое к выходному каскаду импульсного усилителя это обеспечение заданной амплитуды импульса на нагрузке. Транзистор для выходного каскада выбирается по трем критериям: по частоте, по напряжению и по току.

Выбор транзистора по частоте усиливаемого сигнала

Для обеспечения заданных характеристик каскада(времени установления) транзистор должен удовлетворять следующему условию:

Выбор транзистора по напряжению

где k_з = 1,2-1,5 -- коэффициент запаса. Выберем k_з=1,2

Величины напряжений входящих в эту формулу выбираются максимальными с целью обеспечить некоторый запас надежности при работе каскада.

Выбор транзистора по току.

I_2m - импульс тока в нагрузке, определяется по формуле



где - выходная емкость транзистора, для оценки тока в нагрузке зададимся емкостью коллектора , тогда амплитуда тока будет равна

Характеристики выбранного транзистора

Приведенным выше условиям удовлетворяет p-n-p транзистор BD166.

Обозначение	Наименование параметра	Значение
fТ, МГц	Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	6
IК max, А	Максимальный ток коллектора	1.5
IК имп, А	Максимальный импульсный ток коллектора (скважность импульсов не менее 100, длительности импульсов не более 1 мс)	3
UКЭ max, В	Максимальное напряжение коллектор-эмиттер	45
PК max, Вт	Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе	20
rб, Ом	Распределенное сопротивление базы	50
|h21Э|	Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте в схеме с общим эмиттером	2.5
СК/UКЭ, пФ/В	Емкость коллекторного перехода при напряжении UКЭ	60/5
g11, мСм	Входная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте	100
g21 А/В	Проводимость прямой передачи в схеме с ОЭ на низкой частоте	1.7
g22, мСм	Выходная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте	0.9
h21 min	Минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером	40
h21 max	Максимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером	60
IКБ0, мкА	Обратный ток коллекторного перехода при температуре 25...60С	50
Rпк, 0С/Вт	Тепловое сопротивление переход-корпус	6.25
Rкс, 0С/Вт	Тепловое сопротивление корпус-среда	90
Tп max, 0С	Максимальная температура перехода	150



Зная параметры транзистора найдем импульс тока в нагрузке, для этого пересчитаем из справочной выходную емкость транзистора, пусть U_{kэ min}=2 B

и импульс тока:

1.2 Выбор режима работы транзистора в выходном каскаде

Выбор режима работы транзистора в выходном каскаде осуществляется по выходным статическим характеристикам рисунок 1.

Рис. 1. Статические выходные характеристики

Выбираем следующие координаты рабочей точки:

Iк.рт =4.37 мА; Uкэ.рт = 27 В;

При емкостной нагрузке сопротивление коллектора находится следующим образом



,

берем ближайший номинал . Теперь определим напряжение питания по формуле:

,

ближайшее стандартное с запасом- напряжение питания выходного каскада.

На графике рисунка 1, проведем прямую через значение на оси напряжений - 36 В и рабочую точку с координатами Iк.рт = 2,2 мА, Uкэ.рт = 22,5 В, получим нагрузочную прямую по постоянному току. Посмотрим значение тока в точке пересечения прямой с осью коллекторного тока: ; сопротивление нагрузки по постоянному току

, а ,

откуда , вычислив получим значение сопротивления в цепи эмиттера округлим до ближайшего стандартного значения .

Определим значения тока и напряжения в средней точке.

,

.



Все графические построения сопровождающие этот расчет находятся на рисунках 1, 2.

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 завися от режима работы транзистора их определение производится для среднего положения рабочей точки. g- параметры определяем по статическим входным и выходным характеристикам методом малых приращений. Найдем среднее значение h₂₁-параметра,

Координаты среднего положения рабочей точки :

Uкэ = 22,5 В; Iкэ = 7,5 мА; Iб = 200 мкА; Uб = 0.7 В.

По причине малой величины параметра g12 при расчете его значение принимаем равным нулю.

Графические построения сопровождающие расчет находятся на рисунке 2.



Рис. 2. Входные и выходные характеристики. Определение g параметров

Далее определим коэффициент усиления и время установления выходного каскада.

Коэффициент усиления каскада по напряжению.

Коэффициент усиления каскада слишком высок. Это приведет к малому входному сопротивлению и большой входной емкости каскада. Поэтому введем в каскад отрицательную обратную связь по току в виде не зашунтированного конденсатором большой емкости сопротивления в цепи эмиттера. Определим величину этого сопротивления:



Ко - коэффициент усиления каскада без ОС .

К - коэффициент усиления каскада с ОС.

Поскольку величина сопротивления обратной связи много меньше сопротивления в цепи эмиттера, то сопротивление обратной связи практически не повлияет на режим работы транзистора по постоянному току.

Для проведения дальнейшего расчета необходимо учесть влияние обратной связи на параметры транзистора. Для этого пересчитаем g - параметры транзистора с учетом обратной связи.

;;

- параметры транзистора с ОС.

- параметры транзистора без ОС.

R - сопротивление обратной связи.

Теперь можем рассчитать время установления выходного каскада:



Для определения постоянных времени необходимо знать сопротивление базы и емкость коллектора в рабочем режиме: определяем емкость коллекторного перехода значениях тока и напряжения коллектора в рабочей точке. Найдем значение этой емкости, пересчитав из справочной величины по формуле:

,

где - справочная выходная емкость (определяется при напряжении ). Подставив получим

определяем сопротивление базы:

определяем постоянные времени:

;

;

;



Время установления каскада превышает 0,6 от времени установления всего усилителя поэтому для его уменьшения применим в выходном каскаде индуктивную высокочастотную коррекцию.

Для определения индуктивности корректирующего дросселя и времени установления корректированного каскада определим эквивалентные безразмерные постоянные времени:

,

зададимся значением

,

,

Проверим получившийся результат



Время установления выходного каскада составляет менее 0,6 времени установления всего усилителя , что считается допустимым.

Определяем индуктивность корректирующей катушки:

На этом электрический расчет выходного каскада можно считать законченным.

Схема выходного каскада на рисунке 3.

Рис.3. Схема выходного каскада



2. Расчет схемы температурной стабилизации тока покоя выходного транзистора

2.1 Исходные данные для расчета схемы температурной стабилизации

Координаты рабочей точки:

Iк = 2,2 мА; Uк = 22,5 В; Iб = 20 мкА; Uб = 0.7 В.

Относительная нестабильность тока покоя транзистора:

N = 0.125

Диапазон изменения температуры окружающей среды:

tmin = -20 C; tmax = 40 C.

Диапазон изменения статического коэффициента тока базы в схеме с ОЭ:

h21min = 25; h21max = 100.

Обратный ток I_кбо:

I_кбо = 1 мкА.

Тепловое сопротивление переход-окружающая среда.

Rпс = 500 К/Вт.

2.2 Расчет величин сопротивлений Rб1 и Rб2

Определение максимальной и минимальной температуры перехода транзистора.

tп.max = tc.max + RпсPк

Рк - мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора.



тогда

Эта мощность является допустимой для данного транзистора без применения теплоотвода.

Определение нестабильности параметра h₂₁э:

Нестабильность параметра h₂₁э определяется по формулам:

;

Определение Uбэ:



Определение параметра h11э в рабочей точке:

Определение нестабильности обратного тока коллектора базы:

Определение эквивалентного генератора тока I₀:

Определение допустимого изменения тока коллектора:

Определение величины сопротивления Rб:

Определяем величину сопротивлений Rб1 и Rб2:



Определяем ток делителя напряжения:

Ток делителя оказался меньше тока коллектора в рабочей точке поэтому расчет схемы температурной стабилизации рабочей точки можно считать законченным.

Результат расчета выходного каскада усилителя:

Еп = 36 B; Rк = 2,7 кОм; Rэ = 2,7 кОм; Rос = 82 Ом; L = 40 мкГн;

Rб1 = 30 кОм; Rб2 = 7,5 кОм;

схема каскада - рисунке 3.

Характеристики каскада:

K₀ = 25; ty = мкС

Входное сопротивление каскада:

Входная емкость каскада:



На этом расчет входного каскада усилителя закончен и можно переходить к расчету каскадов предварительного усиления.



3. Определение числа каскадов предварительного усиления

3.1 Выбор транзистора для каскадов предварительного усиления

Выбор транзистора для каскадов предварительного усиления осуществляется по тем же критериям что и выбор транзистора для выходного каскада. При выборе остановимся на транзисторах p-n-p структуры для того чтобы выходной транзистор был заперт в промежутке между импульсами сигнала.

Выбор транзистора по частоте усиливаемого сигнала:

Выбор транзистора по напряжению.

Величины напряжений входящих в эту формулу выбираются максимальными с целью обеспечить некоторый запас надежности при работе каскада.

Выбор транзистора по току

I2m - импульс тока в нагрузке. I2m определяется по формуле:

Где к = 2 - коэффициент запаса.

Характеристики выбранного транзистора.

Приведенным выше условиям удовлетворяет транзистор КТ307Б.

КТ307Б - кремниевый планарно-эпитаксиальный p-n-p транзистор предназначен для использования в быстродействующих импульсных схемах , узлах и блоках

Оформление бескорпусное. Масса транзистора не более 0,002 г.

3.2 Выбор режима работы транзисторов каскадов предварительного усиления и определение g-параметров в рабочей точке

Выбираем режим работы рекомендуемый для транзисторов малой мощности с учетом обеспечения требуемой амплитуды выходного сигнала .Координаты рабочей точки: Iк = 1,8 мА; Uк = 2B; Iб = 20 мкА; Uб = 0.65 В.

Справочные h₂₁ - параметры: h₂₁ = 40

Определяем g - параметры транзистора в рабочей точке по входным и выходным статическим характеристикам транзистора рисунок 4.

Рис. 4. Входные и выходные характеристики. Определение g параметров



3.3 Определение числа каскадов предварительного усиления

Определение требуемого коэффициента усиления:

,

зададимся коэффициентом входного каскада равным и найдем коэффициент усиления предварительного каскада

Определение допустимого времени установления предварительных каскадов:

Определяем сопротивление базы:



Определяем постоянную времени транзистора:

Определяем добротность каскадов:

Зная коэффициент усиления предвыходного каскада К^*=13,84 отложим его на оси абсцисс графика на рисунке №, а значение на оси ординат. В результате получим точку (рисунок 5), определяющую количество каскадов в предусилителе.

В ПУ будет один каскад,

N = 1.

Рис. 5. Определение числа каскадов



4. Расчет каскада предварительного усиления

4.1 Электрический расчет предварительного каскада

Исходные данные.

Координаты рабочей точки:

Iк = 1,8 мА; Uк = 2 B; Iб = 20 мкА; Uб = 0.65 В.

g-параметры транзистора:

; ; .

Высокочастотные параметры транзистора:

Ск = 10 пФ; ;

Требуемый коэффициент усиления:

Параметры нагрузки:

Rн = 2.53кОм; Сн = 14,97 пФ.

Определение величин сопротивлений Rк, Rэ и напряжения питания каскада.

Величину Rк определяем исходя из заданного коэффициента усиления каскада.

Выбираем напряжение питания каскада равным 6 В и проводим на выходных статических характеристиках транзистора нагрузочную прямую по постоянному току рисунок. Наклон этой прямой определяет нам сопротивление по постоянному току (рис. 4).

Определяем сопротивление в цепи эмиттера:

Определяем время установления первого предварительного каскада.

Каскад выполняем некорректированным, определяем постоянные времени:

;

;

Время установления каскада является допустимым и вводить коррекцию не имеет смысла.

4.2 Расчет схемы температурной стабилизации рабочей точки транзистора предварительного каскада

В каскадах предварительного усиления применим схему эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора (схема рис. 2).

Исходные данные для расчета.

Координаты рабочей точки:

Iк = 1,8 мА; Uк = 2 В; Iб = 20 мкА; Uб = 0.65 В.

Относительная нестабильность тока покоя транзистора:

N = 0.15

Диапазон изменения температуры окружающей среды:

tmin = -20 C; tmax = 40 C.

Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ:

h₂₁ = 40.

Обратный ток Iкбо:

Iкбо = 10 мкА

Тепловое сопротивление переход-окружающая среда.

Rпс = 600 К/Вт.

Определение величин сопротивлений Rб1 и Rб2.

Определение максимальной и минимальной температуры перехода транзистора.

t_п.max = t_c.max + R_псP_к

Р_к - мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора.

P_к = _Iк.срU_кэ

Эта мощность является допустимой для данного транзистора без применения теплоотвода, т.к. справочное значение предельной мощности 0,0015 Вт

Определение нестабильности параметра h21э :

Нестабильность параметра h21э определяется по формулам:



;

Определение Uбэ:

Определение Iкбо :

Определение параметра h11э в рабочей точке:

Определение Io:

Определение допустимого изменения тока коллектора:



Определение величины сопротивления Rб:

Определяем величину сопротивлений Rб1 и Rб2:

Определяем ток делителя напряжения:

Ток делителя оказался меньше тока коллектора в рабочей точке поэтому расчет схемы температурной стабилизации рабочей точки можно считать законченным.

Результат расчета первого предварительного каскада усилителя:

Еп = 6 B; Rк = 1,3 кОм; Rэ = 1.1 кОм;

Rб1 = 2,2 кОм; Rб2 = 1,6 кОм;

схема каскада - рис. 4.

Характеристики каскада:

Ko = 13,84; ty = 0.1046 мкС

Входное сопротивление каскада:



Входная емкость каскада:



5. Расчет входного каскада усилителя

Применим полевой транзистор КП302Б.

Общие сведения о транзисторе. Транзистор кремниевый полевой планарный с изолированным затвором и индуцированным р-каналом предназначен для работы в переключающих и усилительных схемах. Корпус металлический герметичный с гибкими выводами. Масса транзистора не более 1г.

Основные электрические параметры:

Входная емкость С_зи= 10_*10^-12 Ф

Проходная емкость С_зс= 5_*10^-12 Ф

Выходная емкость С_си=10^-12 Ф

Максимальный постоянный ток стока I_c.max= 25 мА

5.1 Выбор режима работы транзистора и расчет входного каскада по постоянному току

По сток-затворной характеристике выбираю рабочую точку рисунок 6.

Координаты рабочей точки:

Ic = 2 мА; Ucи = 5 В

- амплитуда напряжения

- амплитуда тока на выходе входного каскада.



Рис. 6. Выходные и характеристики полевого транзистора КП302Б

Определяю крутизну транзистора в рабочей точке:

Определяем величину эквивалентного сопротивления Ro:

Определяем величину сопротивления в цепи стока:

Определяем напряжение питания входного каскада

округляем до ближайшего большего напряжение питания берем 9 вольт

Определяем величину сопротивления по постоянному току (выходные характеристики транзистора приложение рис. 7):

Величина сопротивления в цепи истока:

5.2 Расчет стабилизации рабочей точки

Так как у полевого транзистора ток стока практически не зависит от изменения температуры, так как напряжение затвора находится примерно в районе термостабильной точке, то можно поставить одно сопротивление в цепи затвора равное заданному входному.

Рис. 7. Схема входного каскада



5.3 Определение времени установления входного каскада и всего усилителя в целом

Определим время установления входного каскада:

Эквивалентная постоянная времени:

Время установления входного каскада:

Схема входного каскада, рисунок 7.

Определяем время установления всего усилителя:

Общее время установления усилителя получилось меньше заданного в задании () поэтому проведенный расчет усилителя можно считать приемлемым.

Результаты расчета входного каскада усилителя:

время установления каскада 0,114 мкс;

коэффициент усиления каскада 3;

входное сопротивление не менее 10⁵ Ом;



6. Расчет вспомогательных цепей усилителя

К вспомогательным цепям усилителя относятся разделительные конденсаторы между каскадами обеспечивающие развязку каскадов по постоянному току и блокировочные конденсаторы в цепях эмиттеров транзисторов. Эти конденсаторы устраняют (по переменному току) отрицательную обратную связь по току создаваемую резистором Rэ. Введение в схему элементов с большой постоянной времени приводит к появлению спада плоской вершины импульса.

Выбираем величины этих конденсаторов следующими:

Cр = 2 мкФ Cэ = 50мкФ

Во всех каскадах используются конденсаторы одинаковой емкости.

Рассчитаем спад плоской вершины импульса создаваемый этими конденсаторами.

Спад создаваемый за счет Cэ:

Выходной каскад:

Предварительный каскад:

Входной каскад:



Спад создаваемый разделительными конденсаторами Cр:

Выходной каскад

Общий спад создаваемый всем усилителем:

Максимально допустимая величина спада - 1,5 %.

В результате расчетов получилось, величина спада плоской вершины в пределах требуемого значения, значит в фильтр ставить не надо.



7. Определение загрузки элементов

Определение мощностей рассеиваемых резисторами:

Резистор: максимальная мощность рассеивается на коллекторном резисторе выходного каскада.

R1: ;

Мощность рассеиваемая на каждом из резисторов усилителя не превышает 0,125 Вт поэтому в усилителе применим резисторы типа МЛТ-0,125.

Конденсаторы С1, С2, С4 - не полярные на напряжение не менее 12 В; С7 на напряжение не менее 36 В; С3, С5, С6 - электролитические на напряжение не менее 16 В; Тип конденсаторов выбираем в соответствии с верхней частотой усилителя:



8. Характеристики полученного усилителя

Время установления	0,157 мкс
Спад плоской вершины импульса не более	0,9%
Выброс переходной характеристики	отсутствует
Амплитуда выходного сигнала не менее	15 В
Коэффициент усиления не менее	1071
Напряжения питания	36 В, 9 В, 6В
Входное сопротивление не менее	100 кОм

Характеристики усилителя удовлетворяют требованиям задания.



9. Принципиальная электрическая схема усилителя



Список использованной литературы

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru

...