Импульсный усилительный каскад

.

 

Для расчета сопротивлений базового делителя необходимо задаться током делителя . Чем больше ток делителя, тем выше стабильность режима работы, но тем больше мощность, рассеиваемая резисторами и , и тем выше входное сопротивление каскада. Для получения приемлемой стабильности режима ток делителя должен как минимум в несколько раз превосходить ток базы в рабочей точке. Обычно величина тока базового делителя должна удовлетворять условию:

 

 

 

Выберем ток делителя  .

Используя семейство входных статистических ВАХ транзистора, по известному току и напряжению находим напряжение база – эмиттер в рабочей точке (рис. 3.1.1.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1.1. Выбор напряжения база – эмиттер в рабочей точке.

 

.

По известному току делителя и напряжению база – эмиттер в рабочей точке находим сопротивление резисторов делителя, обеспечивающие это напряжение:

 

 

 

 

Округлим до ближайшего номинального значения .

 

Током базы пренебрегаем  т.к. :

 

 

Округлим до ближайшего номинального значения

В итоге получили следующие параметры:

 

,

 

 

 

По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора:

 

где – абсолютное изменение тока коллектора при изменении температуры кристалла транзистора; – абсолютное изменение напряжения база – эмиттер при изменение температуры перехода на величину ; – абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода при изменении температуры; , – коэффициенты, учитывающие работу схемы эмиттерной стабилизации тока коллектора транзистора;  – общее сопротивление в цепи базы; и – g-параметры транзистора в рабочей точке при комнатной температуре.

Взяв из пункта 4.2. максимальную температуру перехода транзистора определим минимальную температуру перехода:

 

 

Изменение температуры перехода транзистора:

 

Абсолютное изменение напряжения база – эмиттер:

.

 определим  используя типовые нормированные  зависимости обратного тока коллекторного  перехода от температуры:

Рис. 3.1.2. Типовые нормированные зависимости обратного тока коллекторного перехода от температуры.

 

Так как  транзистор  малой мощности (), следовательно на рис.3.1.2. выбираем зависимость 1, по которой находим нормированное значение изменения обратного тока коллекторного перехода    при изменении температуры перехода на величину :

 

Тогда абсолютное изменение обратного тока коллекторного перехода:

.

Для нахождения коэффициентов и   рассчитаем общее сопротивление в цепи базы:

 

Найдем коэффициенты и , зная и g – параметры, рассчитанные в рабочей точке (взятые из пункта 4.3.: ,):

 

 

 

Рассчитаем величину относительной нестабильности тока коллектора транзистора , по уже известным значениям (для каскадов импульсных усилителей она не должна превышать 0,25):

 

 

 

 

 

 

2. Расчет времени установления первого предварительного каскада.

Для расчета времени установления  первого предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке(см. п. 4.3.), эквивалентным сопротивлением (вычисленным в пункте 5.1.). Время установления первого предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося на один предварительный каскад усилителя:

 

Чтобы определить время установления первого предварительного каскада  без коррекции найдем эквивалентную постоянную времени:

 

Для первого предварительного каскада емкостью нагрузки является входная емкость выходного каскада , зная ее и параметры, вычисленные выше, рассчитаем постоянные времени:

 

.

Определим эквивалентную постоянную времени:

.

Тогда время установления первого предварительного каскада равно:

 

Таким образом, получаем, что время установления первого предварительного каскада слишком большое, т.е.  условие не выполняется, следовательно нужно вводить параллельную коррекцию (индуктивную коррекцию), которая позволит при том же коэффициенте усиления, приходящийся на один предварительный каскад , получить значительно меньшее время установления.

Время установления первого предварительного каскада с индуктивной высокочастотной коррекцией, можно определить по следующей формуле:

 

где  – постоянная времени транзистора в рабочей точке; - эквивалентная безразмерная величина; - безразмерная величина обобщенного времени установления, которая  находиться по  зависимости этой величины от коэффициента при разных коэффициентах . Эти коэффициенты и находятся по следующим формулам:

 

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

 

 

Причем для их расчета используем эквивалентное сопротивление , постоянные времени и , вычисленные выше, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада, равное входному сопротивлению выходного каскада , а такжезная сопротивление коллекторной нагрузки ,нужно рассчитать постоянную времени , которая рассчитываются как:

 

Рассчитывая постоянную времени, выберем индуктивность коррекции такой, чтобы на зависимости выброса  от коэффициента при разных коэффициентах наш заданный выброс не превышал 3% () и коэффициенты и лежали в пределах: , . Пусть индуктивность коррекции равна , тогда постоянная времени равна:

 

Подставив в формулы постоянные времени, сопротивление нагрузки первого предварительного каскада и эквивалентное сопротивление, находим эквивалентные безразмерные постоянные времени:

 

 

 

Найдем коэффициенты и и определим выброс, не превышающий  3%, по зависимости выброса  от коэффициента при разных коэффициентах (рис. 3.6.1.):

 

 

  Найдём зависимость выброса  от коэффициента при коэффициенте по формуле:

=0,453

 

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 первого предварительного каскада равно:

 

Что соответствует необходимым условиям:

 

 

То есть введя индуктивную высокочастотную коррекцию в коллекторную цепь  первого предварительного каскада уменьшили время установления. Схема корректированного первого предварительного каскада показана на рис. 3.2.1.:

 

Рис. 3.2.1. Схема корректированного  первого предварительного каскада

 

 

 

 

 

 

3. Определение входного сопротивления и входной емкости первого предварительного каскада.

Найдем входное сопротивление и входную емкость корректированного первого предварительного каскада для активной нагрузки

 

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

 

 

Причем входное сопротивление и входная емкость первого предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать второй предварительный каскад.

Таким образом, получили следующие результаты:

 

,                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току.
1.    Расчет элементов стабилизации второго предварительного каскада.

Расчет второго предварительного каскада по постоянному и переменному току, проводим аналогично расчету первого предварительного каскада. Предварительные каскады должны быть одинаковыми, т.е. у них остается неизменным положение рабочей точки. Но, т.к. нагрузкой второго предварительного каскада являются входное сопротивление и емкость первого, приходиться произвести некоторый пересчет.

Пересчитаем сопротивление коллекторной нагрузки, т.е. :

 

Округляем до номинала из ряда .

По закону Кирхгофа определим напряжение питания каскада:

 

Целесообразно сделать напряжение питания одним и тем же для всех предварительных каскадов, т.е. .

Зная напряжение питания каскада  и координаты рабочей точки,проверим не изменится ли сопротивление в цепи эмиттера :

 

Номинальное значение в ряду стандартных сопротивленийОм

Для расчета сопротивлений базового делителя и , зададимся током делителя  :

 

Округлим до ближайшего номинального значения .

.

Округлим до ближайшего номинального значения .

 

В итоге получили следующие параметры:

 

,

 

 

 

По рассчитанным параметрам элементов стабилизации режима работы транзистора, следует рассчитать величину относительной нестабильности тока коллектора:

 

Для нахождения коэффициентов и   рассчитаем общее сопротивление в цепи базы:

 

Найдем коэффициенты и :

 

 

 

 

 

Относительная величина нестабильности:

 

 

 

2. Расчет времени установления второго предварительного каскада.

Для расчета времени установления  второго предварительного каскада воспользуемся низкочастотными и высокочастотными параметрами транзистора, вычисленными в рабочей точке, эквивалентным сопротивлением  . Время установления второго предварительного каскада должно быть меньше либо равняться времени установления, приходящегося на один предварительный каскад усилителя:

 

Чтобы определить время установления второго предварительного каскада  без коррекции  найдем эквивалентную постоянную времени:

 

Постоянная времени транзистора – прежняя,   тоже не изменится. Зная входную емкость первого предварительного каскада , которая является для второго предварительного каскада емкостью нагрузки, рассчитаем постоянную времени :

.

Определим эквивалентную постоянную времени:

.

Тогда время установления второго предварительного каскада равно:

 

Что соответствует необходимым условиям:

 

 

Очевидно, время установления второго предварительного каскада   меньше времени установления приходящегося на один каскад, следовательно, коррекцию вводить не нужно.

3. Определение входного сопротивления и входной емкости второго предварительного каскада.

Найдем входное сопротивление и входную емкость некорректированного второго предварительного каскада для активной нагрузки, оно находится по тем же самым формулам, что и для первого предварительного каскада:

 

 

 

Ом

 

Причем входное сопротивление и входная емкость второго предварительного каскада являются параметрами нагрузки, на которую будет работать входной каскад.

Таким образом, получили следующие результаты:

 

,                               

 

 

 

Схема второго предварительного каскада будет отличаться от схемы первого, т.к. она не имеет высокочастотной индуктивной коррекции (см. рис. 4.3.1.).

 

Рис. 4.3.1. Схема второго предварительного каскада без коррекции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет входного каскада.

5.1. Расчет времени установления входного каскада.

Импульсный усилитель по заданию должен обладать значительным входным сопротивлением, которое можно обеспечить, применяя во входном каскаде биполярный транзистор включенный по схеме общий коллектор (эмиттерный повторитель). По условию входной каскад обладает коэффициентом усиления .

Напряжение источника питания:

В

Выбираем напряжение источника питания: EП = 9 В.

  Сопротивление в цепи эмиттера:

Номинальное значение в ряду стандартных сопротивлений Ом

Определим эквивалентное сопротивление

Рассчитаем постоянные времени:

- коэффициент  усиления следующего каскада.

 

 

Сопротивление цепи эмиттера входного каскада приблизительно равно сопротивлению цепи эмиттера КПУ, поэтому входной каскад в пересчете режима температурной стабильности не нуждается.

 

2. Расчет входного сопротивления и входной емкости входного каскада.

Для расчета входного сопротивления и входной емкости предвыходного каскада воспользуемся следующими формулами:

 

Условие выполняется.

 

Рис. 5.2.1. Схема входного  каскада.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет вспомогательных цепей.

К вспомогательным цепям усилителя относятся разделительные конденсаторы, включаемые между каскадами которые обеспечивают развязку каскадов по постоянному току. Так же относятся блокировочные конденсаторы  в цепях эмиттеров транзисторов (для полевого транзистора в цепи истока). Эти конденсаторы устраняют ООС по переменному току. Введение в схему элементов с большой постоянной времени приводит к появлению спада плоской вершины импульса. В принципе можно было бы поставить эти конденсаторы  достаточно большой емкости для обеспечения требуемого спада плоской вершины. Но такой путь не приемлем, так как приводит к повышению массы и цены устройства. Потому обычно на емкости этих конденсаторов накладывают вполне определенные ограничения, в нашем случае они не должны превышать такие значения: