Методичка_САЭУ

(предвыходного) предварительных каскадов совпадает, а при нечётном нет.

Если это возможно, то стремятся для предварительного усиления использовать однотипные каскады, что упрощает как методику их расчета, так и практическую реализацию.

После ориентировочного определения числа предварительных каскадов производят расчет отдельных каскадов, начиная с предвыходного. Находят его коэффициент усиление, время установление, рассчитывают элементы задания и стабилизации рабочей точки, определяют входное сопротивление. Для схемы с ОЭ это сопротивление комплексное с емкостным характером реактивной составляющей. Далее приступают к аналогичному расчету каскада, который предшествует предвыходному, учитывая, что его нагрузкой является входное сопротивление предвыходного каскада, и т.д., двигаясь к входу.

Если к первому каскаду предварительного усиления предъявляются специфические требования, то его схемное решение может отличаться от схемного решения других предварительных каскадов. Например, проектируемый усилитель (т.е. его первый каскад) должен иметь высокое входное сопротивление и малую входную емкость или в этом каскаде необходимо предусмотреть плавную регулировку усиления и т.п. В этом случае первый каскад рассчитывается отдельно. Последовательность расчета входного каскада ни чем не отличается от последовательности расчета предварительных каскадов. Однако, кроме времени установления и коэффициента усиления при проектировании входного каскада необходимо обеспечить и заданное входное сопротивление, причем этот параметр, как правило, является определяющим.

Параметры входной цепи (коэффициент передачи и время установление) зависят от характера и величины внутреннего сопротивления источника сигнала и входного сопротивления первого каскада. Входное сопротивление последнего зависит, как известно, от выбора активного элемента и схемы его включения, а также от наличия или отсутствия в этом каскаде отрицательной обратной связи. Считается, что входная цепь спроектирована верно, если её коэффициент передачи близок к единице, а время уста-

11

новление не превышает времени установления предварительного каскада.

После расчет отдельных каскадов и входной цепи находят время установление, коэффициент усиления и выброс переходной характеристики всего усилителя. Если эти параметры удовлетворяют техническому заданию, то приступают к расчёту вспомогательных цепей: разделительных конденсаторов, блокировочных конденсаторов в эмиттерных цепях, а также конденсаторов фильтров в цепях питания, используемых для низкочастотной коррекции. Именно эти элементы влияют на поведение резисторного каскада в области больших времён. Чем больше емкости разделительного конденсатора и конденсатора в цепи эмиттера, тем меньше спад плоской вершины импульса. Однако конденсаторы большой емкости, имеют плохие частотные свойства, большой разброс емкостей и значительные паразитные утечки. Применение низкочастотной коррекции позволяет уменьшить емкости этих конденсаторов, или при неизменных емкостях уменьшить спад. В принципе можно использовать низкочастотную коррекцию во всех каскадах, однако, как правило, в выходных каскадах её стараются не применять. Это связано с тем, что в выходных каскадах используют мощные транзисторы, работающие с большими токами, и на резисторе корректирующего фильтра будет заметное падение напряжения источника питания.

5. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Процедура проектирования импульсного усилителя, как и любого другого радиоэлектронного устройства, неоднозначна и чаще всего носит итерационный характер. Поэтому разработать жесткий алгоритм синтеза принципиальной схемы импульсного усилителя, применимый для всех вариантов заданий, не представляется возможным. Однако, опираясь на освещенные в предыдущем разделе вопросы, а также на опыт проектирования подобных устройств можно рекомендовать следующую последовательность действий при выполнении проекта.

12

1.Выбор схемы выходного каскада, в зависимости от типа и параметров нагрузки. Как правило, выбор производится между одиночным каскадом, выполненным по схеме с ОЭ, и тандемом эмиттерного повторителя с каскадом, выполненным по схеме с ОЭ.

2.Выбор транзистора выходного каскада по граничной частоте, максимальному напряжению коллектор-эмиттер и максимальному току коллектора.

3.Выбор режима работы транзистора выходного каскада по постоянному току и расчет элементов, обеспечивающих стабилизацию этого режима.

4.Определение низкочастотных (g11, g12, g21, g22) и высоко-

частотных (rб, Ск, τ) параметров транзистора выходного каскада в средней точке, соответствующей половине импульса коллекторного тока.

5.Расчет выходного каскада по переменному току, включающий расчет коэффициента усиления и времени установления.

6.Решение вопроса о необходимости введения в каскад частотно независимой отрицательной обратной связи.

7.Решение вопроса о необходимости применения эмиттерной или параллельной высокочастотной коррекции выходного каскада.

8.Окончательный расчет выходного каскада по переменному току с учетом введенных цепей обратной связи и коррекции.

9.Определение входного сопротивления и входной емкости выходного каскада, т.е. определение параметров нагрузки, на которую будет работать предвыходной каскад.

10.Выбор транзисторов для каскадов предварительного усиления по граничной частоте, максимальному напряжению кол- лектор-эмиттер и максимальному току коллектора.

11.Выбор режима работы транзисторов в каскадах предварительного усиления.

12.Определение высокочастотных и низкочастотных параметров транзисторов предвыходных каскадов в рабочей точке.

13.Определение количества каскадов предварительного уси-

ления.

13

14.Полный электрический расчет каскадов предварительного усиления по постоянному и переменному току, аналогичный расчету выходного каскада.

15.Выбор схемы входного каскада в зависимости от требуемого входного сопротивления усилителя. Как правило, выбор производится между каскадом с ОЭ, эмиттерным повторителем и каскадом на полевом транзисторе.

16.Расчет вспомогательных цепей: фильтры питания, разделительные и блокировочные конденсаторы.

17.Принятие решения о необходимости применения низкочастотной коррекции всех или части каскадов усилителя.

18.Определение суммарных параметров усилителя (с учетом всех обратных связей и цепей коррекции) и сравнение их с техническим заданием.

19.В случае не соответствия параметров рассчитанного усилителя техническому заданию принимается решение о необходимости изменения схемы усилителя или параметров его каскадов. Производится возврат на соответствующий этап расчета.

20.Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах, напряжений действующих на конденсаторах и токов протекающих через катушки индуктивности. Выбор типов этих элементов.

21.Компьютерное моделирование разработанной схемы уси-

лителя.

Компьютерное моделирование усилителя в среде Micro-Cap включает следующие этапы [8, 9]:

1.Ввод разработанной схемы усилителя в компьютер с помощью редактора схем.

2.Задание источника сигнала, соответствующего по параметрам (амплитуда, длительность, частота повторения импульсов

ивыходное сопротивление) источнику сигнала, указанному в задании.

3.Получение осциллограммы напряжения на нагрузке в режиме анализа переходных процессов.

4.Измерение параметров импульсов напряжения на нагрузке (амплитуда, время установления, выброс и спад плоской вершины) и сравнение их с заданными и расчетными значениями.

14

6. ВЫБОР ТРАНЗИСТОРОВ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Выбор типа биполярных транзисторов для выходного каскада и каскадов предварительного усиления осуществляется по трем основным параметрам – граничной частоте ( fТ ), максимально

допустимому напряжению коллектор-эмиттер (UКЭmax ) и максимально допустимому току коллектора ( IКmax ).

Для граничной частоты транзистора должно выполняться условие:

fТ ≥3 tу ,

(6.1)

где tу – заданное время установления усилителя.

Если условие (6.1) не выполняется, то построить на таком транзисторе каскад с нужным временем установления скорее всего не удастся.

Для максимально допустимого напряжения коллектор-

эмиттер транзистора должно выполняться условие:
UКЭ max ≥ kЗ (U2m +UКЭ min ),		(6.2)
где kЗ =1.2 ÷1.4 – коэффициент запаса;	U2m – амплитуда им-
пульса напряжения на нагрузке; UКЭmin	– минимальное напря-

жение коллектор-эмиттер.

Минимальное напряжение коллектор-эмиттер (UКЭmin ) огра-

ничивается напряжением насыщения транзистора. При работе каскада рабочая точка транзистора не должна заходить в область насыщения. В противном случае скоростные характеристики транзистора резко ухудшаются, и получить малое время установление каскада не удастся. При определении максимального напряжения коллектор-эмиттер (6.2) величину UКЭmin можно при-

нять равной	2÷5	В	для	низковольтных	транзисторов
(UКЭmax <100В)	и	5÷15	В для	высоковольтных	транзисторов
(UКЭmax >100В)

15

Большие величины kЗ (6.2) следует выбирать для мощных каскадов ( I2m >1 А), а также для усилителей, работающих при высокой температуре окружающей среды ( tc.max > 50 DC ).

Для выбора транзистора по максимально допустимому току коллектора необходимо определить величину импульса тока коллектора:

IKm = kН I2m ,	(6.3)
где I2m – импульс тока в нагрузке; kН =1.5 ÷2	– коэффициент,

учитывающий наличие в каскаде активной коллекторной нагрузки RК . При выборе величины kН следует помнить, что большие

значения импульса тока позволяют получить большее усиление и меньшее время установления каскада, но увеличивают мощность, рассеиваемую его элементами.

Величину импульса тока в нагрузке I2m для активной нагрузки можно рассчитать по очевидной формуле:

I2m =	U2m	.	(6.4)
	RН

При работе каскада на емкостную нагрузку CН амплитуду

импульса тока можно оценить по формуле:
I2m = 4	U2m (CН +CК)	,	(6.5)
	tу

где CК – емкость коллекторного перехода транзистора. До выбора типа транзистора точное значение емкости CК не известно.

Поэтому его можно принять равным 5÷15 пФ для маломощных транзисторов ( IКmax <1А), 100÷150 пФ для транзисторов сред-

ней мощности (1А< IКmax <10 А) и 500÷1000 пФ для мощных транзисторов ( IКmax >10 А).

Для максимально допустимого тока коллектора транзистора

должно выполняться условие:
IКmax ≥ kЗIКm ,	(6.6)
16

где kЗ =1.2 ÷1.8 – коэффициент запаса; I2m – амплитуда им-

пульса тока в нагрузке.

Коэффициент запаса kЗ вводится с целью повышения надежности каскада. Большие величины kЗ следует выбирать для мощных каскадов ( I2m >1 А), для каскадов с большим рабочим напряжением (U2m >50 В), а также для усилителей, работающих

при высокой температуре окружающей среды ( tc.max > 50 DC ). При выборе транзистора по току вместо максимально допус-

тимого тока коллектора ( IКmax ) в условии (6.6) можно использо-

вать максимально допустимый импульсный ток коллектора ( IКимп. ). Это возможно, если скважность и длительность усили-

ваемых импульсов не выходят за рамки диапазона, разрешенного для данного транзистора.

При выборе транзисторов для каскадов усилителя следует избегать необоснованного использования мощных, высоковольтных и высокочастотных транзисторов. Такие транзисторы имеют большую стоимость, а также часто уступают по другим характеристикам менее мощным низкочастотным аналогам. Запас по напряжению, току и граничной частоте транзистора не должен быть слишком большим. Для мощных каскадов выбор транзистора можно считать приемлемым, если запас по напряжению, току и частоте на превышает двукратного. Для маломощных каскадов, допустим больший запас по току и напряжению.

При прочих равных условиях следует отдавать предпочтение транзисторам с большим коэффициентом передачи тока ( h21 ).

Это позволяет увеличить коэффициент усиления каскадов и уменьшить их число. Кроме того, во внимание могут приниматься и другие параметры транзистора, например, величина коллекторной емкости. Меньшее значение CК позволяет повысить доб-

ротность каскада.

17

Выбор полевых транзисторов для усилительных каскадов осуществляется по трем параметрам: максимальной частоте усиления fmax , максимальному току стока IСmax , максимальному

напряжению сток-исток UСИmax и практически не отличается от

выбора биполярных транзисторов.

Следует отметить, что при выборе полевого транзистора для входного каскада по току и напряжению обычно проблем не возникает, т.к. амплитуды импульсов тока и напряжения во входном каскаде не велики. Как правило, входной каскад может быть реализован практически на любом маломощном транзисторе, подходящем по максимальной частоте усиления. При этом необходимо лишь обеспечить попадание рабочей точки в оптимальный для выбранного транзистора диапазон токов и напряжений.

В таблицах 6 и 7 приведены условные обозначения основных параметров биполярных и полевых транзисторов. В таблицах 8 и 9 представлены параметры ряда зарубежных биполярных и полевых транзисторов соответственно, которые можно использовать при выполнении курсового проекта. Списки транзисторов отсортированы в порядке убывания максимальной частоты усиления, максимального тока стока и максимального напряжения стокисток.

Таблица 6

Обозн.

Расшифровка обозначения

fграничная частота коэффициента передачи тока в схеме с об-

Тщим эмиттером

IК max	максимальный ток коллектора
IK имп.	максимальный импульсный ток коллектора (скважность им-
	пульсов не менее 100, длительности импульсов не более 1 мс)
UКЭ max	максимальное напряжение коллектор-эмиттер
PK max	максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе
rб	распределенное сопротивление базы
|h21Э|	модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте в
	схеме с общим эмиттером
СК/UКЭ	емкость коллекторного перехода при напряжении UКЭ
g11	входная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте
	18

Обозн.

g21

g22

h21 min

h21 max

IКБ0

RП-К

RК-С

TП. max

Окончание табл. 6

Расшифровка обозначения проводимость прямой передачи в схеме с ОЭ на низкой частоте выходная проводимость в схеме с ОЭ на низкой частоте

минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером максимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером

обратный ток коллекторного перехода при температуре

25÷60°С

тепловое сопротивление переход-корпус тепловое сопротивление корпус-среда максимальная температура перехода

Таблица 7

Обозн.

fmax

IС max

UСИ max

PС max

UЗИ max

UОТС.

Iут.

S

СЗИ

СЗС

ССИ

RП-C

TП. max

Расшифровка обозначения максимальная частота усиления максимальный ток стока максимальное напряжение сток-исток максимальная рассеиваемая мощность максимальное напряжение затвор-исток напряжение отсечки ток утечки затвора

средняя крутизна транзистора емкость затвор-исток (входная емкость транзистора)

емкость затвор-сток (проходная емкость транзистора) емкость сток-исток (выходная емкость транзистора) тепловое сопротивление переход-среда максимальная температура перехода

19

Таблица 8

Тран-	Тип*	fТ,	IК max,	IК имп.,	UКЭ max,	PК max,	rб,	|h21Э|	CK/UКЭ,	g11**,	g21**,	g22**,	h21 min	h21 max	IКБО,	RП-К,	RК-С,	TП. max,
зистор		МГц	А	А	В	Вт	Ом		пФ/В	мСм	А/В	мСм			мкА	°С/Вт	°С/Вт	°С
2N2369	N	500	0.2	0.5	40	0.36	20	2	4/5	12	0.39	0.18	40	120	10	147	340	200
2N4264	N	300	0.2	0.4	15	1	20	1.5	4/5	5	0.71	0.22	40	160	0.1	125	120	150
2N3903	N	250	0.2	0.4	40	1.2	60	1.4	4/5	19	0.5	0.22	50	150	1	83.3	120	150
2N4400	N	200	0.6	1	40	1.2	25	1.3	6.5/5	30	1.7	0.47	50	150	10	83.3	120	150
2N3905	P	200	0.2	0.4	40	1.2	40	1.4	4.5/5	3	1	1.5	50	150	1	83.3	120	150
2N4410	N	180	0.25	0.5	80	1.2	20	7	12/10	5.4	0.4	0.18	60	400	0.01	83.3	120	150
MJE350	P	160	0.5	1	300	20	20	2	8/50	39	2.2	0.35	30	240	1	6.25	80	150
BD157	N	160	0.5	1	250	20	20	2	8/50	30	2.8	0.39	30	240	100	6.25	90	150
BD135	N	140	1.5	3	45	12	30	2	100/10	38	2.3	0.38	40	250	100	10	90	150
BD136	P	140	1.5	3	45	12	30	2	100/10	38	2.3	0.38	40	250	100	10	90	150
MJE371	P	120	4	6	40	40	10	2.1	80/10	170	5.2	2.2	40	80	300	3.12	80	150
2N6515	N	120	0.5	1	250	1.2	20	1.2	6/20	4.6	0.46	0.093	50	300	0.05	83.3	120	150
2N5550	N	100	0.6	1	140	1	40	1.9	6/10	28	0.44	0.22	60	250	0.01	83.3	120	150
MJE200	N	65	5	10	40	15	15	1.9	80/10	102	6.5	2.3	45	180	1	8.34	80	150
MJE210	P	65	5	10	40	15	15	1.9	120/10	102	6.5	2.3	45	180	1	8.34	80	150
MJE171	P	50	3	6	80	125	15	2.1	60/10	280	8.2	2.7	50	250	1	10	73	175
MJE181	N	50	3	6	80	125	15	2.1	40/10	280	8.2	2.7	50	250	1	10	73	175
MJE243	N	40	4	8	100	15	15	2.1	50/10	110	5.3	1.6	40	180	1	8.34	80	150
MJE253	P	40	4	8	100	15	15	2.1	50/10	110	5.3	1.6	40	180	1	8.34	80	150
2N5209	N	25	0.05	0.1	50	0.625	20	2	4/5	1.6	0.23	0.11	100	300	0.015	83.3	120	150
MJD47	N	10	1	2	250	15	10	2.1	50/100	110	5.9	0.7	30	150	200	8.33	70	150
MJE341	N	10	0.5	1	150	20	40	2	15/10	39	2.7	0.5	25	200	300	6.25	80	150
BD165	N	6	1.5	3	45	20	50	2.5	60/5	360	5.9	2.2	40	100	15	6.25	90	150
BD166	P	6	1.5	3	45	20	50	2.5	60/5	100	1.7	0.9	40	60	50	6.25	90	150
2N6497	N	5	5	10	250	80	10	2.1	150/10	130	8	1.3	10	75	1000	1.56	70	150
BD789	N	4	4	8	80	15	15	2	70/10	110	5.2	1.7	40	250	700	8.34	60	150
BD790	P	4	4	8	80	15	15	2	70/10	110	5.2	1.7	40	250	700	8.34	60	150