Усилитель импульсный

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

УСИЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫЙ

Выполнил: А.В. Черепанов

Руководитель работы: А.А. Титов

Реферат

Объектом исследования в данном курсовом проекте являются методы расчета усилительных каскадов на основе транзисторов.

Цель работы - приобрести практические навыки в расчете усилительных каскадов на примере решения конкретной задачи.

В процессе работы производился расчет различных элементов импульсного усилителя.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007.

Техническое задание

.Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=75 Ом.

.Сквозной коэффициент усиления ku=30дБ.

.Длительность усиливаемых импульсов Ти=4 мкс.

.Скважность усиливаемых импульсов Q=100.

.Время установления фронта импульсов tу=7нс.

.Спад вершины импульсов на выходе ?=20%

.Полярность усиливаемых импульсовотрицательная.

.Полярность импульсов на выходе отрицательная.

.Максимальная амплитуда импульсов на выходе Uвых=6 В.

Содержание

Введение

. Расчетная часть

.1 Структурная схема усилителя

.2 Расчет выходного каскада

.2.1 Выбор рабочей точки

.2.2 Выбор транзистора

.2.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора

.2.4 Расчёт цепей термостабилизации

.2.4.1 Эмиттерная термостабилизация

.3 Расчет входного каскада

.3.1 Выбор рабочей точки

.3.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора

.3.4 Расчёт цепей термостабилизации

.4 Расчёт разделительных и блокировочных емкостей

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В настоящее время наблюдается стремительный рост приборов, работающих не с аналоговыми сигналами, а именно с импульсными. Преобладающее применение импульсных устройств обусловлено их высоким КПД, более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. В связи с этим особо актуальной становится задача разработки импульсных усилителей, способствующих более полному восприятию поступающей в импульсной форме информации.

Целью данного курсового проекта являлся расчет импульсного усилителя.

1. Расчетная часть

.1 Структурная схема усилителя

Для обеспечения требуемого коэффициента усиления равного 30 дБ и одинаковой полярности сигнала на входе и выходе примем число каскадов усилителя равное 2, каждый каскад вносит свой вклад в усиление. Также входной отвечает за обеспечение одинаковой полярности входного и выходного сигналов.

Структурная схема усилителя, приведенная на рисунке 2.1, содержит кроме усилительных каскадов источник сигнала и нагрузку.

Рисунок 2.1 - Структурная схема усилителя

1.2 Расчет выходного каскада

.2.1 Выбор рабочей точки

Рассчитаем рабочую точку двумя способами:

.При использовании активного сопротивления Rк в цепи коллектора.

.При использовании дросселя в цепи коллектора.

. Рассчитаем рабочую точку при использовании активного сопротивления Rк в цепи коллектора [2].

Рисунок 2.2 - Каскад с активным сопротивлением в цепи коллектора.

Расчеты производятся при условии, что:

, ;

;

;(2.2.1)

;

;

Рассчитаем ток рабочей точки:

;(2.2.2)

Для ИУ однополярных сигналов с большой скважностью:

;(2.2.3)

Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе:

;(2.2.4)

Мощность, рассеиваемая на :

;(2.2.5)

Требуемое значение напряжения источника питания для рассмотренных выше случаев равно:

;(2.2.6)

Потребляемая мощность:

;(2.2.7)

Выходная мощность:

;(2.2.8)

Коэффициент полезного действия:

;(2.2.9)

Пусть, .

Найдем по формуле (2.2.1):

.

Рассчитаем рабочую точку по формулам (2.2.2) и (2.2.3):

;

Т.к. оказываются значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, то положим .

;

Определим по (2.2.6):

;

Найдём потребляемую мощность, мощность, рассеиваемую на коллекторе, выходную мощность и мощность, рассеиваемая на Rк по формулам (2.2.7), (2.2.4), (2.2.8) и (2.2.5) соответственно:

;

;

;

.

Из формулы (2.2.9) находим КПД:

.

. Рассчитаем рабочую точку при использовании дросселя в цепи коллектора [2].

Рисунок 2.3 - Каскад с дросселем в цепи коллектора.

Пусть,

, т.к. сопротивление дросселя по переменному току .

Рассчитаем рабочую точку по формулам (2.2.2) и (2.2.3):

.

Т.к. оказываются значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, то положим .

;

Найдем Еп по формуле (2.2.6) с учетом того, что сопротивление дросселя по постоянному току :

.

Найдём потребляемую мощность, мощность, рассеиваемую на коллекторе и выходную мощность (2.2.7), (2.2.4) и (2.2.8) соответственно:

;

;

.

Из формулы (2.2.9) находим КПД:

.

Результаты выбора рабочей точки двумя способами приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты расчетов рабочей точки двумя способами

Каскад, (В), (В), (А), (Вт), (Вт)Rэкв, (Ом)?, (%)Резистивный5,450,0050,0270,01537,556Дроссельный5,450,0050,0270,0157556

Для данного курсового задания выберем резистивный каскад.

1.2.2 Выбор транзистора

Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров [2]:

;

;

;

,

где - верхняя граничная частота

.

Этим требованиям полностью соответствует транзистор 2T607A-4.

Его основные технические характеристики приведены ниже [3].

Электрические параметры:

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ;

Постоянная времени цепи обратной связи при ;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

Ёмкость коллекторного перехода при .

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер ;

Постоянный ток коллектора ;

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора .

1.2.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора

Многочисленные исследования показывают, что даже на умеренно высоких частотах транзистор не является безынерционным прибором. Свойства транзистора при малом сигнале в широком диапазоне частот удобно анализировать при помощи физических эквивалентных схем. Наиболее полные из них строятся на базе длинных линий и включают в себя ряд элементов с сосредоточенными параметрами. Наиболее распространенная эквивалентная схема - схема Джиаколетто, которая представлена на рисунке 2.4 [1].

Рисунок 2.4 - Эквивалентная схема Джиаколетто

Значения элементов схемы Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим формулам:

(2.2.10)

где U¢кэо - справочное или паспортное значение напряжения;

Uкэо - требуемое значение напряжения.

;(2.2.11)

;(2.2.12)

;(2.2.13)

;(2.2.14)

;(2.2.15)

;(2.2.16)

;(2.2.17)

где - ток эмиттера в рабочей точке в миллиамперах;

.

Получим следующие значения:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Перейдем к однонаправленной модели.

Схема однонаправленной модели транзистора приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Однонаправленная модель

Значения элементов схемы замещения, приведенной на рисунке 2.5, могут быть рассчитаны по следующим формулам:

;(2.2.18)

.(2.2.19)

Расчет некорректированного каскада:

;(2.2.20)

;(2.2.21)

;(2.2.22)

;

;(2.2.23)

.(2.2.24)

Подставив соответствующие значения параметров элементов, получим:

;

;

;

Расчет некорректированного каскада:

;

;

;

;

;

;

.

Видно, что время установления получилось небольшим, следовательно, выходной каскад можно использовать без какой-либо коррекции.

1.2.4 Расчёт цепи термостабилизации

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования к термостабильности. В данной работе рассмотрим эмиттерную термостабилизацию.

1.2.4.1 Эмиттерная термостабилизация

Схема эмиттерной термостабилизации приведена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема эмиттерной термостабилизации

Выбираем падение напряжения на резисторе из условия (пусть ), также Uбэ0 примем за 0,7(В) затем производим следующий расчёт:

импульсный усилитель транзистор эмиттерный

;(2.2.25)

;(2.2.26)

;(2.2.27)

;(2.2.28)

;(2.2.29)

;(2.2.30)

;(2.2.31)

.(2.2.32)

В результате расчетов получим:

;

;

;

;

;

;

;

.

1.3 Расчет входного каскада

Входной каскад будем рассчитывать на 2Т608А с использованием резистивного каскада.

Электрические параметры [3]:

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ;

Постоянная времени цепи обратной связи при ;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

Ёмкость коллекторного перехода при .

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер ;

Постоянный ток коллектора ;

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора .

1.3.1 Выбор рабочей точки

Оценим значение входного каскада:

,

где - выходное напряжение следующего каскада;

- коэффициент усиления следующего каскада.

Нагрузкой входного каскада являются входное сопротивление и входная динамическая емкость следующего каскада.

Рассчитаем рабочую точку по формулам (2.2.1) - (2.2.3), учитывая, что , .

;

;

.

Т.к. и оказываются значительно меньше аналогичных справочных значений для маломощных транзисторов, то положим , а .

1.3.3 Расчет эквивалентной схемы транзистора

Рассчитаем элементы эквивалентной схемы транзистора по формулам (2.2.10) - (2.2.17).

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

По формуле (2.2.18) рассчитаем входную проводимость транзистора:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Рассчитаем время установления фронта импульсов на выходе каскада:

Сквозной коэффициент усиления каскада будет равным 31 дБ.

1.3.4 Расчёт цепей термостабилизации

Будем применять эмиттерную термостабилизацию.

Пусть . Выбираем падение напряжения на резисторе из условия (пусть ), затем произведем следующий расчёт по формулам (2.2.25) - (2.2.32).

;

;

;

;

;

;

.

1.4 Расчёт разделительных и блокировочных емкостей

Рассчитаем разделительные емкости [2]:

,

где- сопротивление предыдущего каскада,

- сопротивление следующего каскада,

- кол-во разделительных конденсаторов.

;

;

.

Для расчета емкости эмиттера воспользуемся формулой (* обозначаются элементы с выходного каскада):

;

.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан импульсный усилитель с характеристиками указанным в техническом задании. Выходной каскад обеспечивает требуемое выходное напряжение, а также вместе с входным обеспечивает необходимое усиление.

.Сопротивление источника сигнала и нагрузки Rг=75 Ом.

.Сквозной коэффициент усиления ku=31дБ.

.Длительность усиливаемых импульсов Ти=4 мкс.

.Скважность усиливаемых импульсов Q=100.

.Время установления фронта импульсов tу=6,9нс.

.Спад вершины импульсов на выходе ?=20%

.Полярность усиливаемых импульсовотрицательная.

.Полярность импульсов на выходе отрицательная.

.Максимальная амплитуда импульсов на выходе Uвых=6 В.

Усилитель имеет небольшой запас по усилению . Это необходимо для того, чтобы в случае ухудшения усилительных свойств коэффициент передачи усилителя не опускался ниже заданного уровня, определённого техническим заданием.

Проверка рассчитанной схемы была выполнена в программе Multisim.

Спроектированный усилитель удовлетворяет всем требованиям, указанным в задании, что говорит о правильности проделанной работы.

Список использованных источников

. Титов А.А. Расчёт элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах: учебно-методическое пособие. - Томск: ТУСУР, 2002. - 45 стр.

. Красько А.С., Проектирование аналоговых устройств: методические указания. - Томск: ТУСУР, 2000 - 28 стр.

. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник Под ред. Горюнова Н.Н. -М.: Энергоатомиздат, 1985 - 903стр.

Приложение

Принципиальная схема

Таблица

НаименованиеКол-воПримечаниеVT12T607A-41VT22Т608А1КонденсаторыC1CC0603JRNPO9BN270 - 27 пФ - 5%1C2GRM1885C1H150JA01D - 15 пФ - 5%1C3GRM188F51H473ZA01D - 46 нФ - 5%1C4CC0805ZKY5V6BB106 - 10 мкФ- 5%1C5CC0805ZKY5V6BB106 - 10 мкФ - 5%1РезисторыR1RC0603JR-073K9 - 3,9 кОм - 5%1R2RC0603JR-072K2- 2,2 кОм - 5%1R3RC0805JR-0751R - 51 Ом - 5%1R4CRCW0402715RFKED - 715 Ом - 5%1R5CRCW040215K0JN- 15 кОм - 5%1R6RC0805JR-078K2 - 8,2 кОм - 5%1R7RC0805JR-0768R - 68 Ом - 5%1R8RC0603JR-07680R - 680 Ом - 5%1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Больше работ по теме: