Импульсный усилительный каскад

 

где  -эквивалентные безразмерные постоянные времени, которые вычисляются по формулам:

 

 

 

Причем для их расчета нужно вычислить постоянные времени, которые рассчитываются как:

 

 

 

Рассчитывая постоянные времени зададимся емкостью нагрузки (емкостью монтажа) такой же как и в п. 3.5., а емкость коррекции выберем такой, чтобы на зависимости выброса  от коэффициента при разных коэффициентах наш заданный выброс не превышал 3,5% () и коэффициенты и лежали в пределах: , . Пусть емкость коррекции равна , тогда постоянные времени равны:

 

 

 

 

Подставив в формулы постоянные времени находим эквивалентные безразмерные постоянные времени:

 

 

 

 

Найдем коэффициенты и и определим выброс, не превышающий  3%, по зависимости выброса  от коэффициента при разных коэффициентах :

 

 

=0.634%

Выброс, найденный по зависимости равен , что не превышает 3,5%, т.е. не превышает заданного выброса.

По найденным коэффициентам и найдем безразмерную величину обобщенного времени установления , которая  находиться по  зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах

Безразмерная величина обобщенного времени установления равна . Тогда время установления корректированного выходного каскада равно:

 

 

Что соответствует необходимым условиям:

 

 

То есть введя высокочастотную коррекцию в эмиттерную цепь  выходного каскада уменьшили коэффициент усиления и время установления. Схема корректированного выходного каскада показана на рис. 1.6.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.6.1 Схема корректированного выходного каскада.

 

7. Определение входного сопротивления и входной емкости выходного каскада.

Найдем входное сопротивление и входную емкость корректированного выходного каскада:

 

 
где – входное сопротивление стабилизации равное общему сопротивлению в цепи базы. Выполнив подстановку всех уже известных значений, найдем и :

 

 

Причем входное сопротивление и входная емкость выходного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать предвыходной каскад.

Таким образом, получили следующие результаты:

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет предварительных каскадов.

1. Выбор транзистора для предварительных каскадов.

Выбор типа биполярного транзистора в каскадах предварительного усиления определяется, как и в выходном каскаде, по следующим параметрам:

4. По максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер. Для этого должно выполняться условие:

,

где – амплитуда импульса напряжения на выходе  последнегопредварительного каскада. Для нашего низковольтного транзистора выберем  и .

.

=2,7, а не 2,68

2. По максимальному току коллектора транзистора ( ):

,

где – импульс тока коллектора; – - амплитуда импульса тока в нагрузке предварительного каскада. Для нашего маломощного транзистора возьмем коэффициент и коэффициент запаса найдем максимальный ток коллектора равен:                                

 

А величина импульса тока коллектора равна: .

 

3. Граничная частота транзистора должна быть не ниже рассчитанной в п. 3.1.: .

В предварительных каскадах используем транзистор 2N4400 структуры n-p-n. Перечень основных параметров транзистора приведен в таблице 3 (см. ниже).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. Основные электрические параметры транзистора 2N4400.

Расшифровка обозначения	Обозначение	Величина
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	, [MГц]	200
Максимальный ток коллектора	, [А]	0,6
Максимальный импульсный ток коллектора	, [A]	1
Максимальное напряжение коллектор – эмиттер	, [В]	40
Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе		1.2
Распределенное сопротивление базы	, [Ом]	25
Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте в схеме с ОЭ		1.3
Емкость коллекторного перехода при напряжении	, []
Входная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте	, [мСм]	30
Проводимость прямой передачи в схеме с ОЭ на низкой частоте	, []	1.7
Выходная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте	, [мСм]	0,47
Минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ		50
Максимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ		150
Обратный ток коллекторного перехода при температуре 25…60	, [мкА]	10
Тепловое сопротивление переход – корпус	, []	83.3
Тепловое сопротивление корпус – среда	, []	120
Максимальная температура перехода	, []	150

 

 

Значения g – параметров транзистора измерены при  и

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор режима работы транзисторов в каскадах предварительного усиления.

Все предварительные каскады включены  по схеме общий эмиттер с эмиттерной стабилизацией рабочей точки транзистора. Необходимо выбрать рабочую точку (А) на семействе выходных статических характеристик транзистора. Для того чтобы выбрать режим работы по постоянному току, необходимо выбрать ток коллектора () и напряжение () в  рабочей точке. Положение рабочей точки транзистора в предварительных каскадах должно быть выбрано так, чтобы транзистор мог работать и на запирание, и на открывание, не заходя в область отсечки и насыщения. К тому же необходимо учесть, что ток коллектора в рабочей точке предварительных каскадов должен быть меньше тока коллектора в рабочей точке выходного каскада  и больше величины импульса тока коллектора  :

 

 

Исходя из того, что  это условие не выполняется, поэтому выбран транзистор   структуры n–p-n, для которого ток в рабочей  точке не должен превышать ток покоя в выходном каскаде, т.е. рабочая точка (А) будет лежать внизу на выходной характеристики: .

Поэтому выбираем координату рабочей точки по оси тока коллектора равную , а по оси напряжения коллектор–эмиттер равную

,

где – минимальное напряжение на транзисторе, при котором он гарантированно не входит в область насыщения.

 

Определим мощность, рассеиваемую транзистором в рабочей точке, она не должна превышать десятых долей ватта:

.

Это условие выполняется, следовательно режим работы по постоянному току выбран правильно.

Зная координаты рабочей точки (А), величину импульса тока коллектора и амплитуду импульса напряжения на выходе последнего предварительного каскада , определим режим работы по переменному току, построив рабочий отрезок  нагрузочной прямой АБ на выходных статистических ВАХ транзистора, по которому перемешается рабочая точка в процессе усиления сигнала (рис.2.2.1.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2.1. Выбор рабочего отрезка нагрузочной прямой транзистора в предварительных каскадах  импульсного усилителя.

После определения рабочего отрезка нагрузочной прямой убедимся, что на всем его протяжении мгновенная мощность транзистора не превышает максимально допустимой , т.е. нагрузочная прямая должна лежать ниже гиперболы, соответствующей мощности . Эти условия выполняются, следовательно проверим тепловой режим транзистора. Для этого определим максимальную температуру перехода транзистора:

,

где – средняя мощность, рассеиваемая транзистором, которую можно рассчитать:

,

где –скважность импульсов, тогда средняя мощность равна:

 

 

Подставляя значение находим максимальную температуру перехода транзистора:

.

Полученное значение максимальной температуры перехода не превышает максимально допустимой для выбранного транзистора: ().

 

 

 

 

 

3. Определение параметров транзистора в рабочей точке.

Для нахождения низкочастотных и высокочастотных параметров в рабочей точке, воспользуемся справочными значениями, взятые из табл.3:

 

Зная значения тока коллектора в рабочей точке, рассчитаем низкочастотные g – параметры, для которых выполняется условие (малой величиной обратной проводимости передачи обычно пренебрегают и принимают ):

 

 

 

Проверим правильность нахождения g – параметров:

 

По уже известным g–параметрам и координате рабочей точки,  определим высокочастотные параметры: емкость коллекторного перехода , объемное сопротивление базы    и постоянную времени транзистора .

Величину емкости коллекторного перехода при напряжении на коллекторе в рабочей точке рассчитаем, воспользовавшись следующей формулой:

 

где – справочное значение емкости, измеренное при напряжении (см. табл. 3):

 

Объемное или распределенное  сопротивление базы  приведено в табл. 2:

Постоянную времени транзистора в рабочей точке рассчитаем по следующей формуле:

 

где – крутизна транзистора (проводимость прямой передачи) в средней точки; – граничная частота транзистора; – параметр, зависящий от типа и технологии производства транзистора. Для нашего транзистора выберем  , подставив все значения в формулу получим:

 

4. Определение количества предварительных каскадов.

Число предварительных каскадов зависит от требуемого коэффициента усиления этих каскадов , от допустимого времени установления и параметров используемого транзистора.

Коэффициент усиления предварительных каскадов

 

а их время установления

 

где ; A – запас по усилению, от 1,5 до 2; – общий коэффициент усиления и время установления всего усилителя, индексы «вх» и «вых» означают принадлежность данных параметров соответственно к входному и выходному каскаду усилителя.

Коэффициент время определены при расчете выходного каскада, а коэффициентом  и временем задаемся, в зависимости от требуемого от усилителя входного сопротивления (табл. 1). Так как входное сопротивление усилителя , то входной каскад – эмиттерный повторитель, который имеет коэффициент усиления  , а время установления . Приняв коэффициент усиления и время установления входного каскада, найдем примерное время установления и коэффициент усиления предварительных каскадов  :

 

 

 

Определив требуемый коэффициент усиления и допустимое время установления,задаемся ориентировочно числом предварительных каскадов , и находим коэффициент усиленияи время установления, приходящиеся на один предварительный каскад усилителя:

 

 

Отсюда находим требуемую добротность каскада:

 

 

 

Определим импульсную добротность каскада без коррекции, которую можно реализовать на данном транзисторе по уже рассчитанным параметрам:

 

 

Сравним найденные добротности, причем реализуемая должна быть больше требуемой:

 

.

Поскольку это условие выполняется, то это означает, что транзистор в предварительных каскадах и число каскадов выбраны верно, т.е. двухкаскадный предварительный усилитель на выбранном транзисторе позволяет обеспечить требуемые от него параметры (коэффициент усиления и время установления).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет первого предварительного каскада по постоянному и переменному току.
1. Расчет элементов стабилизации первого предварительного каскада.

Расчет первого предварительного каскада по постоянному и переменному току, проводим аналогично расчету выходного каскада. Для упрощения расчетов важно, чтобы предварительные каскады были одинаковыми. Определим эквивалентное сопротивление (активное сопротивление нагрузки по переменному току), зная коэффициент усиления каждого каскада

 

Так как нагрузкой первого предварительного каскада является входное сопротивление выходного каскада  , то

несложно найти сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. :

 

Округляем до номинала  .

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада, которое складывается из падения напряжения на коллекторной нагрузки , падения напряжения на сопротивлении обратной связи и напряжения на коллектор – эмиттер в рабочей точке:

 

Поскольку ток базы транзистора в  меньше тока коллектора, им пренебрегаем и считаем, что ток эмиттера равен току коллектора. Кроме того компромисс между стабильностью режима и энергетикой каскада достигается, когда на падает 10…15 от всего напряжения питания. Тогда напряжение питания каскада равно:

 

 

Из стандартного ряда напряжений выберем напряжение питания. .

Зная напряжение питания каскада  и координаты рабочей точки рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:

 

 

Ток базы в рабочей точке находим по семейству выходных статистических ВАХ транзистора.