УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ИМПУЛЬСНЫЙ

Определение числа каскадов

При расчете усилителей первым делом определяют количество каскадов [1,2]. Число каскадов определяется по коэффициенту усиления, который определяется техническим заданием (тз). Для этого выбирается коэффициент усиления для одного каскада. Потом коэффициент усиления усилителя делится на коэффициент усиления одного каскада. Но стоит так же учитывать что в моём ТЗ полярность на выходе такая же, что и на входе, а известно что каскад ОЭ инвертирует сигнал, поэтому целесообразно использовать нечетное число каскадов, например 3.

2.2 Распределение искажений на высоких частотах

На высоких частотах в усилителе возникают нелинейные искажения вследствие нелинейности его элементов, что приводит к искажению выходного сигнала и отклонению амплитудно-частотной характеристики.

При распределении искажений на высоких частотах определяются искажения, приходящиеся на каждый каскад усилителя[1,2].

Для этого допустимые временные и частотные искажения, определяемые заданием, делятся на число каскадов усилителя.

По заданию время установления фронта импульса на выходе должнобыть не более 15нс. В усилитель входит 3 каскада. Для многокаскадного ИУ результирующее время установления фронта импульса равно:

(с), (2.4)

где

- результирующее время установления;

- время установления входной цепи;

- время установления i-го каскада, начиная со входного;

N- число каскадов.

При оценке общего времени установления можно предположить, что самым большим временем установления будет обладать предоконечный каскад(на транзисторе малой мощности), т.к. он будет нагружен на вход оконечного каскада средней мощности. В дальнейших расчетах будем принимать следующее распределение времени установления фронта импульса по каскадам:

Результирующая неравномерность плоской вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей:

, (2.5)

где

- неравномерность за счет i-ой блокировочной цепи;

М- число блокировочных цепей (эмиттерные и разделительные).

Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (в области больших времен), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы усилителя, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов.

3 Расчет оконечного каскада

3.1 Расчет рабочей точки

Рабочей точкой называется ток или напряжение на транзисторе при отсутствии входного воздействия.

Рабочая точка рассчитывается по заданной мощности Рвых или выходному напряжению Uвых. В выданном мне ТЗ указывается выходное напряжение.

По известному сопротивлению нагрузки и выходному напряжению можно найти выходной ток :

3.1.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада

Координаты рабочей точки находятся по выражениям:

(4.1)

(4.2)

Итак, рассчитаем рабочую точку транзистора. Принципиальная схема резистивного каскада представлена на рис.4.1.

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема резистивного каскада

Найдём RЭКВ - сопротивление параллельного соединения сопротивлений RK и RН. Примем RK=RН=50 Ом, тогда

. (4.3)

Находим ток и напряжение в рабочей точке по формулам (4.2) и (4.3)

Рассчитаем напряжение источника питания. Оно складывается из падениях напряжений на сопротивлении RK и транзисторе (см. рис.4.1):

; (4.4)

.

Выражение (4.4) называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой будет изменяться рабочая точка.

3.2 Выбор транзистора оконечного каскада

            Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:

- предельный допустимый ток коллектора    IК МАХ> (1,5…2) UВЫХ МАХ/RH;

- предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ> (1,5…2)UВЫХ МАХ;

- предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе РК МАХ>РК;

- граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ?Т?(3,5…35)/tу.

Этим требованиям удовлетворяет транзистор KТ363A [3]. Основные технические характеристики этого транзистора приводятся ниже.

Электрические параметры:

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ

100 МГц;

-постоянная времени цепи обратной связи при

5 В

50 пс;

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

50;

-емкость коллекторного перехода при

5 В CK=2 пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ = 15 В;

-постоянный ток коллектора IК МАХ = 30?10-3 А;

4.3 Расчёт схемы Джиаколлето

Эквивалентная схема замещения Джиаколлето биполярного транзистора представлена на рис.4.2. Эквивалентные параметры схемы зависят от того, как выбрана рабочая точка транзистора. Рабочая точка нашего транзистора известна, поэтому можем рассчитать параметры схемы по следующим формулам.

Рисунок 4.2 – Схема Джиаколетто

Сопротивление базы

, (4.6)

Итак,

Ом.

Проводимость перехода база-эмиттер

См, (4.7)

где rЭ – сопротивление эмиттерного перехода:

. (4.8)

; (4.9)

;

Ёмкость эмиттера

(4.10)

.

4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Существует несколько видов схем термостабилизации[5,6]. Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований к термостабильности. В данной работе рассмотрена эмиттерная термостабилизация: .

4.4.1Эмиттерная термостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена на рисунке (4.3). Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в [5,6].

При расчёте элементов схемы выбирается падение напряжения Uэ на сопротивлении Rэ (в интервале 2-5В), расчитываются ток делителя Iд, напряжение питания ЕП, сопротивления Rб1, Rб2, RЭ.. Выбрано напряжение Uэ=3В.

    Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 4.3 – Схема эмиттерной термостабилизации

Ток базового делителя находится по выражению:

, (4.15)

где

. (4.16)

Сопротивления Rб1, Rб2, RЭ определяются выражениями:

(4.17)

(4.18)

(4.19)

Напряжение питания ЕП: ЕП=UК0+ UЭ+.URK (4.20)

После подстановки получаются следующие результаты:

кОм.

кОм.

4.5 Расчёт некорректированного каскада

Электрическая схема некорректированного каскада изображена на рис.(4.4).

     Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 4.4 – Схема некорректированного каскада

Перейдём к однонаправленной модели (см. рис.4.5). На схеме   GЭКВ = gi + gH.

Рисунок 4.5 – Однонаправленная модель биполярного транзистора

1) Рассчитаем коэффициент усиления на средних частотах К0:

К0 = S0 RЭКВ, (4.21)

где

; (4.22)

- параметры схемы замещения Джиаколлето.

После подстановки численных значений, получим

25 Ом;

;

.

Оценим требуемое значение постоянной времени каскада в области ВЧ (малых времен) для ИУ, предполагая время установления этого каскада:

с.

с. (4.23)

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени каскада в области верхних частот (малых времен).

(4.24)

Если

, (4.25)

то ожидаемые искажения будут не более заданных.

Видим, что временные удовлетворяют требованиям к рассчитываемому усилителю, т.е. время установления фронта импульса меньше критического значения

Входное сопротивление каскада коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

(4.30)

5 Расчет промежуточного каскада

5.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада

Координаты рабочей точки находятся по выражениям:

(5.1)

(5.2)

Итак, рассчитаем рабочую точку транзистора. Принципиальная схема резистивного каскада представлена на рис.4.1.

Рисунок 5.1 - Принципиальная схема резистивного каскада

Найдём IK0 , где в данном случае RЭКВ - сопротивление параллельного соединения сопротивлений RK и RН. Примем RK=RН=203 Ом, тогда

. (5.3)

Находим ток и напряжение в рабочей точке по формулам (4.2) и (4.3)

; (5.4)

.

Выражение (5.4) называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой будет изменяться рабочая точка.

5.2 Выбор транзистора промежуточного каскада

            Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:

- предельный допустимый ток коллектора    IК МАХ> (1,5…2) UВЫХ МАХ/RH;

- предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ> (1,5…2)UВЫХ МАХ;

- предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе РК МАХ>РК;

- граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ?Т?(3,5…35)/tу.

Этим требованиям удовлетворяет транзистор ГТ341А. Основные технические характеристики этого транзистора приводятся ниже.

Электрические параметры:

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ

300 МГц;

-постоянная времени цепи обратной связи при

5 В

10 пс;

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

65;

-емкость коллекторного перехода при

5 В CK=1 пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ =10 В;

-постоянный ток коллектора IК МАХ = 10 мА;

5.3 Расчёт схемы Джиаколлето

Эквивалентная схема замещения Джиаколлето биполярного транзистора представлена на рис.5.2. Эквивалентные параметры схемы зависят от того, как выбрана рабочая точка транзистора. Рабочая точка нашего транзистора известна, поэтому можем рассчитать параметры схемы по следующим формулам.

Рисунок 5.2 – Схема Джиаколетто

Сопротивление базы

, (5.6)

Итак,

Ом.

Проводимость перехода база-эмиттер

См, (5.7)

где rЭ – сопротивление эмиттерного перехода:

. (5.8)

; (5.9)

;

Ёмкость эмиттера

(5.10)

.

5.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Существует несколько видов схем термостабилизации[5,6]. Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований к термостабильности. В данной работе рассмотрена эмиттерная термостабилизация: .

5.4.1 Эмиттерная термостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена на рисунке (5.4). Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в .

При расчёте элементов схемы выбирается падение напряжения Uэ на сопротивлении Rэ (в интервале 2-5В), рассчитываются ток делителя Iд, напряжение питания ЕП, сопротивления Rб1, Rб2, RЭ.. Выбрано напряжение Uэ=3В.

     Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 5.4 – Схема эмиттерной термостабилизации

Ток базового делителя находится по выражению:

, (5.13)

где

. (5.14)

Сопротивления Rб1, Rб2, RЭ определяются выражениями:

(5.15)

(5.16)

(5.17)

Напряжение питания ЕП: ЕП=UК0+ UЭ+.URK (5.18)

После подстановки получаются следующие результаты:

.

ЕК=UK0+ URЭ+ URк=5.485+3+5?10-3?203=9.5В;

кОм.

кОм.

5.5 Расчёт некорректированного каскада

Электрическая схема некорректированного каскада изображена на рис.(5.5).

     Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 5.5 – Схема некорректированного каскада

Перейдём к однонаправленной модели (см.

рис.5.6). На схеме   GЭКВ = gi + gH.

Рисунок 5.6 – Однонаправленная модель биполярного транзистора

1) Рассчитаем коэффициент усиления на средних частотах К0:

К0 = S0 RЭКВ, (5.19)

где

; (5.20)

- параметры схемы замещения Джиаколлето.

После подстановки численных значений, получим

101 Ом;

            где RВХ – входное сопротивление выходного каскада

            RВХ =RК=203 Ом

;

с.

с. (5.21)

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени каскада в области верхних частот (малых времен).

(5.22)

Если

, (5.23)

то ожидаемые искажения будут не более заданных.

Видим, что временные и усилительные свойства некорректированного каскада удовлетворяют требованиям к рассчитываемому усилителю, т.е время установления фронта импульса меньше критического значения

Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

(4.50)

6 Расчет входного каскада

6.1 Расчет рабочей точки для резистивного каскада

Координаты рабочей точки находятся по выражениям:

(6.1)

(6.2)

Итак, рассчитаем рабочую точку транзистора. Принципиальная схема резистивного каскада представлена на рис.6.1.

Рисунок 6.1 - Принципиальная схема резистивного каскада

Найдём IК0 по формуле (6.1), где в данном случае RЭКВ - сопротивление параллельного соединения сопротивлений RK и RН. Примем RK=RН=436 Ом, тогда

. (6.3)

Находим ток и напряжение в рабочей точке по формулам (4.2) и (4.3)

, (6.4)

.

Выражение (6.4) называется нагрузочной прямой по постоянному току. В пределах этой прямой будет изменяться рабочая точка.

6.2 Выбор транзистора входного каскада

            Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:

- предельный допустимый ток коллектора    IК МАХ> (1,5…2) UВЫХ МАХ/RH;

- предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ> (1,5…2)UВЫХ МАХ;

- предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе РК МАХ>РК;

- граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ ?Т?(3,5…35)/tу.

Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ372А. Основные технические характеристики этого транзистора приводятся ниже.

Электрические параметры:

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ

1 ГГц;

-постоянная времени цепи обратной связи при

5 В

7,5 пс;

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

35;

-емкость коллекторного перехода при

5 В CK= 0,65 пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер UКЭ МАХ = 15 В;

-постоянный ток коллектора IК МАХ = 10 мА;

6.3 Расчёт схемы Джиаколлето

Эквивалентная схема замещения Джиаколлето биполярного транзистора представлена на рис.6.2. Эквивалентные параметры схемы зависят от того, как выбрана рабочая точка транзистора. Рабочая точка нашего транзистора известна, поэтому можем рассчитать параметры схемы по следующим формулам.

Рисунок 6.2 – Схема Джиаколетто

Сопротивление базы

, (6.6)

Итак,

Ом.

Проводимость перехода база-эмиттер

См, (6.7)

где rЭ – сопротивление эмиттерного перехода:

. (6.8)

;

Ёмкость эмиттера

(6.9)

.

6.4 Расчет цепей питания и термостабилизации

Существует несколько видов схем термостабилизации. Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований к термостабильности. В данной работе рассмотрена эмиттерная термостабилизация: .

6.4.1 Эмиттерная термостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена на рисунке (4.7). Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в.

При расчёте элементов схемы выбирается падение напряжения Uэ на сопротивлении Rэ (в интервале 2-5В), расчитываются ток делителя Iд, напряжение питания ЕП, сопротивления Rб1, Rб2, RЭ.. Выбрано напряжение Uэ=3В.

Ток базового делителя находится по выражению:

, (6.10)

где

. (6.11)

    Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 6.3 – Схема эмиттерной термостабилизации

Сопротивления Rб1, Rб2, RЭ определяются выражениями:

(6.12)

(6.13)

(6.15)

Напряжение питания ЕП: ЕП=UК0+ UЭ+.URK (6.16)

После подстановки получаются следующие результаты:

.

ЕК=UK0+ URЭ+ URк=4.821+3+5?10-3?436=10 В;

кОм.

кОм.

6.5 Расчёт некорректированного каскада

Электрическая схема некорректированного каскада изображена на рис.(4.10).

     Еп

                                                                RБ1                                     RК

                                                             a                                                CP

                                            CP

                                                                  RБ2                                     RЭ                       СЭ                  RH

Рисунок 6.4 – Схема некорректированного каскада

Перейдём к однонаправленной модели (см. рис.4.11). На схеме   GЭКВ = gi + gH.

Рисунок 4.11 – Однонаправленная модель биполярного транзистора

Рассчитаем коэффициент усиления на средних частотах К0:

К0 = S0 RЭКВ, (6.17)

где

; (6.18)

- параметры схемы замещения Джиаколлето.

После подстановки численных значений, получим

218 Ом;

            где RВХ – входное сопротивление выходного каскада

            RВХ =RК=436 Ом

;

с.

с. (6.19)

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени каскада в области верхних частот (малых времен).

(6.20)

Если

, (6.21)

то ожидаемые искажения будут не более заданных.

Видим, что временные свойства некорректированного каскада удовлетворяют требованиям к рассчитываемому усилителю, т.е. время установления фронта импульса меньше критического значения.

Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

(6.27)

6.6 Расчёт искажений, вносимых входной цепью

Схема входной цепи каскада по переменному току приведена на рисунке 4.12, где RГ - внутреннее сопротивление источника сигнала.

Рисунок 6.7 – Однонаправленная эквивалентная схема

замещения транзистора с учётом входной цепи

Комплексный коэффициент передачи входной цепи в области высоких частот:

, (6.28)

где

- коэффициент передачи входной цепи в области средних частот;

- постоянная времени, учитывающая искажения коэффициента передачи входной цепи в области высоких частот;

. (6.29)

Где СВХ, RВХ входное сопротивление и входная емкость каскада

Рассчитаем коэффициент передачи входной цепи в области средних частот:

с.

с.

Рассчитаем ожидаемое значение постоянной времени каскада в области верхних частот (малых времен).

Если

,то ожидаемые искажения будут не более заданных.

Видим, что искажения на высоких частотах, обусловленные входной не велики. Они вписываются в допустимые искажения.

7 Определим номиналы разделительных и блокировочных емкостей

(7.1)

(7.2)

Где ?i – спад плоской вершины импульса, распределенных на разделительных и блокировочных кондесаторах.

7.1 Переходная характеристика

Для построения переходной характеристики используется выражение

(7.3)

Где

Где tВХ.Ц. – время установления для входной цепи;

tуi – время установления для i-го каскада;

Рисунок 7.1 – Переходная характеристика в области малых времен

8 Заключение

Рассчитанный усилитель на нагрузку Rн=50 Ом имеет следующие технические характеристики:

1 Время установления фронта импульса не превышает 40 нс

2 Коэффициент усиления 67.7дБ

3 Амплитуда выходного напряжения Uвых=1,2 В

4 Питание однополярное, Eп=10 В

9 Литература

1) Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств - Томск: ТУСУР, 2000.-29с.

2) Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов - М.: Связь. 1977 г.

3) Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; Под ред. А.В. Голомедова. – М.: Радио и связь,1989 – 640 с.

4) Титов А.А., Бабак Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности. Электронная техника. Серия СВЧ-техника. Выпуск 1/2000

5) Болтовский Ю.Г. Расчёт цепей термостабилизации электрического режима транзисторов. Методические указания. – Томск: ТИАСУР, 1981 г.

6) Широкополосные радиопередающие устройства /Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь. 1978.