Расчёт и проектирование импульсного усилителя

Целью данной работы является приобретение навыков аналитического расчёта усилителя по заданным требованиям. В процессе работы производился расчёт параметров усилителя.

Импульсные усилители нашли широкое применение. Особенно широко они применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики, в приборах экспериментальной физики, в измерительных приборах.

Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или другом случае. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу активных элементов (транзисторов или ламп) и особенностям электрической схемы, так и по конструкции. Однако существует общая методика, которой следует придерживаться при проектировании усилителей.

Для импульсного усилителя применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту. Такие транзисторы называются высокочастотными.

В результате работы получили принципиальную готовую схему усилителя с известными номиналами элементов.

2.Описание работы

Цель работы: спроектировать и рассчитать схему усилительного устройства на полевых транзисторах, обеспечивающего коэффициент усиления равный заданному.

Исходные данные к работе:

E0, В	К0	Uвых, В	Rн, Ом	Rг, Ом	fн, Гц	fв, МГц	tu, мкс	fп, Гц
12	150	-0,75	75	75	-	-	0,2	103

В этой работе используются полевые транзисторы, что позволяет не рассчитывать температурную стабилизацию, поскольку работа полевого транзистора не зависит от температурных условий эксплуатации, и его характеристики остаются практически неизменными в диапазоне рабочих температур (-40…+85оС). Также отпадает необходимость проверки Fв, поскольку полевые транзисторы в основном работают в диапазоне частот от 400МГц, что более чем достаточно для выполнения поставленной задачи.

3. Расчетная часть

3.1.Расчет выходного каскада

В качестве выходного каскада в данном усилителе служит истоковый повторитель (каскад с общим стоком).

Повторитель служит для согласования низкоомного Rн с выходом предыдущего каскада и исключает его перегрузку.

Рассчитываемый усилитель работает на малое Rн=75 Ом, поэтому повторитель на выходе необходим. Этот каскад повторяет форму входного сигнала и имеет коэффициент усиления близкий к 1, поэтому на амплитуду сигнала влияет несущественно.

Принципиальная схема каскада:

Эквивалентная схема каскада:

Расчет:

Требования к транзистору

Uси max тр >0,75В

Iс max тр > (23)Iвых = 30 мА

Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 7,5 мВт

Выбираем КП302Г

Общие сведения

Кремниевые планарные полевые с n-каналом и диффузионным затвором транзисторы предназначены для работы в приемной, усилительной и другой аппаратуре. Применение приборов во вновь разрабатываемой аппаратуре запрещается. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 1,5 г.

Ic max = 165мА; Uси max = 10 В; S = (714.5)мА/В; C11 = 8,7пФ; C12 = 2,6пФ;

Выберем рабочую точку транзистора:

Рабочий режим:

Iст (РТ) = 11мА

Uси (РТ) = 7,8В

Uзи (РТ) = 1,5В

Расчет элементов схемы:

Сумма сопротивлений делителя должна составлять (30ч150)кОм.

Выберем

R1+R2 = 80 кОм.

Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА

U2 = Uзи(РТ)+ Uси (РТ) = 9,3В

U1 = Еп - U2 = 2,7В

R1 = U1/Iдел = 2,7/0.15 кОм = 18кОм

R1(E24) = 18кОм

R2 = U2/Iдел = 9,3/0.15 кОм = 62кОм

R2(E24) = 62 кОм

Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) = 1,5/11 Ом = 136Ом

Rи(Е24) = 130 Ом

Rвх = R1||R2 = 18*62/80 кОм = 13,95 кОм

Rвх(Е24) = 13 кОм

Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (0,75 + 1,5)В = 2,25 В

Кповт = Uвых/Uвх = 0,75/2,25= 0,333

3.2 Определение Кус каскадов, назначение требований по граничным частотам

N = 3

Fнк = Fп = 1 кГц

tф = (20ч30)% от tи = 0,04 ч 0,06 мкс

3.3 Расчет первого усилительного каскада

Принципиальная схема каскада:

Эквивалентная схема каскада:

Этот усилительный каскад выполнен на полевом транзисторе по схеме с общим истоком. Схема с ОИ является усилителем и обладает хорошей температурой стабильностью, большим входным сопротивлением. В цепи истока содержится последовательная обратная связь по току, которая шунтируется ёмкостью Си.

Расчет элементов схемы:

Rн = Rвх повт = 13 кОм

Uвых max = Uвх повт = 2,25 В

фв=1/2*р* ; фв= Rэкв*Cпар=*(С11+С12*к +См)

Cм = 5пФ

= 0,328 кОм =330 Ом

Rc(E24) = 330 Ом

Rc||Rн = 1/(1/330+1/13000) = 321,83 Ом

Требования к транзистору:

Uси max тр > 2,25В

Iс max тр > 36,364 мА

Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 81,819 мВт

Выбираем КП902А.

Общие сведения

Кремниевые планарные полевые,МДП с изолированным затвором и каналом n-типа полевые транзисторы предназначены для работы в приемно-усилительной, передающей и другой аппаратуре. Корпус металлокерамический, герметичный, с жесткими выводами и монтажным винтом. Масса транзистора не более 6 г.

C11 = 7пФ; C12 = 0,31пФ;

Выберем рабочую точку транзистора

Рабочий режим:

Iст(РТ) = 30мА

Uси(РТ) = 3 В

Uзи(РТ) = 3В

Расчет элементов схемы:

Выберем R1+R2 = 80 кОм.

Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА

U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 6 В

U1 = Еп - U2 = 6 В

R1 = U1/Iдел = /0.15 кОм = 40 кОм

R1(E24) = 40 кОм

R2(E24) = 40 кОм

Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =3/30 кОм = 0,1 кОм

RИ(Е24) =0,1 кОм

СИ(Е24) = 33 мкФ

gвых = g22 + gН +gC = 0.000030 + 1/13000 + 1/330 = 110м А/В

Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/33) кОм = 19,388 кОм

Rвх(Е24) = 20 кОм

Rвых = 1/gвых = 9 Ом

Rвых(Е24) = 9,1 Ом

Uвх = -Uвыхmax / Kус = -2,25/7,665В = -293 мВ

3.4 Расчет второго усилительного каскада

Принципиальная схема каскада

Эквивалентная схема каскада:

Расчет элементов схемы:

Rн = Rвх повт = 13 кОм

Uвых max = Uвх повт = 2,25 В

фв=1/2*р* ; фв= Rэкв*Cпар=*(С11+С12*к +См)

Cм = 5пФ

= 0,328 кОм =330 Ом

Rc(E24) = 330 Ом

Rc||Rн = 1/(1/330+1/13000) = 321,83 Ом

Требования к транзистору:

Uси max тр > 2,25В

Iс max тр > 36,364 мА

Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 81,819 мВт

Выбираем КП902А

Общие сведения:

C11 = 7пФ; C12 = 0,31пФ;

Выберем рабочую точку транзистора:

Рабочий режим:

Iст(РТ) = 30мА

Uси(РТ) = 3 В

Uзи(РТ) = 3В

Расчет элементов схемы:

Выберем R1+R2 = 80 кОм.

Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/80 мА = 0,15 мА

U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 6 В

U1 = Еп - U2 = 6 В

R1 = U1/Iдел = /0.15 кОм = 40 кОм

R1(E24) = 40 кОм

R2(E24) = 40 кОм

Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =3/30 кОм = 0,1 кОм

RИ(Е24) =0,1 кОм

Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (2,25+ 3)В = 5,25 В

СИ(Е24) = 33 мкФ

gвых = g22 + gН +gC = 0.000030 + 1/13000 + 1/330 = 110м А/В

Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/33) кОм = 19,388 кОм

Rвх(Е24) = 20 кОм

Rвых = 1/gвых = 9 Ом

Rвых(Е24) = 9,1 Ом

Uвх = -Uвыхmax / Kус = -2,25/7,665В = -293 мВ

3.5 Расчет третьего усилительного каскада

Принципиальная схема каскада

Эквивалентная схема каскада

Расчет элементов схемы:

Rн = Rвх 2 = 17,875 кОм

Uвых max = Uвх 2 = 10 В

= 695,3 Ом

Rc(E24) = 680 Ом

Rc||Rн = 1/(1/680+1/17875 ) = 655,079 Ом

Требования к транзистору:

Uси max тр > 10В

Iс max тр > 1,67мА

Pmax тр > Umax тр*Imax тр = 16,7 мВт

Выбираем КП902А, как в 1м и во 2м усилительных каскадах.

Выберем рабочую точку транзистора:

Рабочий режим:

Iст(РТ) = 10 мА

Uси(РТ) = 7 В

Uзи(РТ) = 0,5В

Расчет элементов схемы:

Выберем R1+R2 = 75 кОм.

Iдел = Еп/(R1+R2) = 12/75 мА = 0,16 мА

U2 =Uзи(РТ)+ Uси(РТ) = 7,5 В

U1 = Еп - U2 = 4,5 В

R1 = U1/Iдел = 7,5/0.16 кОм = 46,875 кОм

R1(E24) = 47 кОм

R2 = U2/Iдел = 4,5/0.16 кОм = 28,125кОм

R2(E24) = 27 кОм

Rи = Uзи(РТ)/Iст(РТ) =0,5/10 кОм = 50 Ом

RИ(Е24) =51 Ом

Uвх = Uвых + Uзи (РТ) = (10+ 0,5)В = 10,5 В

СИ(Е24) = 36 мкФ

gвых = g22 + gН +gC = 0.000015+ 1/17875+ 1/680 = 1.541*10-3 Cм

Rвх = R1||R2 = 1/(1/47+1/27) кОм = 17,149 кОм

Rвх(Е24) = 18 кОм

Rвых = 1/gвых = 642.67 Ом

Rвых(Е24) = 620 Ом

Kус = -S/(g22 + gН + gC) = -/1.541 = -10.169

К0 = Кповт*К1*К2*К3 = 0,882*(-10.368)*(-10,266)*(- 10.169) = -954,648

3.6 Расчет разделительных ёмкостей

Разделительные емкости рассчитываются из соотношения:

где берутся для каскадов, которые ёмкость разделяет.

Между вторым и третьим:

Между первым и вторым:

Между повторителем и первым:

Ср3-г(Е24) = 1,8 нФ

Ср2-3(Е24) = 1,8 нФ

Ср1-2(Е24) = 1,8 нФ

Срповт-1(Е24) = 2 нФ

Срн-повт(Е24) = 22 нФ

4.Схема усилительного устройства

5.Эпюры входного и выходного напряжений каждого каскада усилительного устройства

Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
	Транзисторы
VT1, VT2, VT3	КП902А	3
VT4	КП302Г	1
	Конденсаторы
С1, С2, С4	КМ-4 М-47-1п8±10%	3
С3, С5	К50-36мк-±10%	2
С6	КМ-4 М-47-2п0±10%	1
С7	К50-10мк-±10%	1
С8	КМ-4 М-47-2п2±10%	1
	Резисторы
R1	МЛТ-0,25-47к±10%	1
R2	МЛТ-0,25-27к±10%	1
R3	МЛТ-0,25-M68±10%	1
R4, R13	МЛТ-0,25-51к±10%	2
R5	МЛТ-0,25-к62±10%	1
R6	МЛТ-0,25-39к±10%	1
R7	МЛТ-0,25-33к±10%	1
R8	МЛТ-0,25-к62±10%	1
R9, R10	МЛТ-0,25-36к±10%	2
R11	МЛТ-0,25-к36±10%	1
R12	МЛТ-0,25-62Е±10%	1
R14	МЛТ-0,25-24к±10%	1
R15	МЛТ-0,25-68Е±10%	1

6.Вывод

В результате проделанной работы был спроектирован импульсный усилитель. За счет использования усилительных каскадов был получен необходимый коэффициент усиления, за счет повторительного каскада на выходе обеспечивается согласование с малым Rн. Также выполнены требования по граничным частотам. Таким образом, спроектированное устройство обеспечивает заданные параметры и передает сигнал без искажений в нагрузку.

7.Список литературы

1.Транзисторы для аппаратуры широкого применения Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана