Материал: Аналоговые электронные устройства

Аналоговые электронные устройства

РЕФЕРАТ

Курсовой проект 51 с., 12 рис., 5 источников.

ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ВРЕМЯ УСТАНОВЛЕНИЯ, СПАД ПЛОСКОЙ ВЕРШИНЫ ИМПУЛЬСА, КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ, ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ, РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ, ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ.

Объектом исследования является усилительное устройство как один из классов аналоговых электронных устройств.

Цель работы - практическое ознакомление с методами проектирования импульсных усилителей при составлении и расчете схемы измерительного усилителя.

Анализ усилительных устройств возможен во временной и в частотной области. При проектировании импульсных усилителей основную роль играют переходные искажения, поэтому решение будем производить с помощью известных временных характеристик, основываясь на их связи с частотными показателями приборов.

Курсовой проект выполнен с использованием математического пакета MathCad 15. Пояснительная записка оформлена с помощью текстового редактора Microsoft Word 2013.

Содержание

1. Введение

. Общие вопросы проектирования

.1 Возможные решения поставленной задачи

.2 Выбор и обоснование структурной схемы

.3 Требования к входному сопротивлению усилителя

. Расчет усилителя

.1 Оконечный каскад

.1.1 Определение режима транзистора

.1.2 Расчет параметров транзистора

.1.3 Характеристики каскада

.1.4 Цепи питания и термостабилизация

.2 Предоконечный каскад - повторитель

.2.1 Обоснование выбранного режима транзистора

.2.2 Параметры эквивалентной схемы транзистора

.2.3 Основные показатели каскада

.2.4 Расчет термостабилизации

.3 Промежуточный каскад усиления

.3.1 Выбор режима транзистора

.3.2 Параметры эквивалентной схемы транзистора

.3.3 Основные показатели каскада

.3.4 Расчет термостабилизации

.4 Входной каскад

.4.1 Обоснование выбранного режима

.4.2 Параметры эквивалентной схемы транзистора

.3.3 Основные показатели каскада

.4.4 Расчет термостабилизации

.5 Входная цепь

. Регулировка усиления.

. Результирующие характеристики

.1 Коэффициент усиления

.2 Параметры усилителя в области малых времен

.3 Расчет параметров в области больших времен

. Расчет запаса устойчивости усилителя

. Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

1. Введение

При проектировании усилительных устройств решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям технического задания, с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов. Целью данной курсовой работы является проектирование импульсного усилителя. Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими для ИУ являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем установления фронта , выбросом переходной характеристики  и спадом плоской вершины . Использование известной связи между  и  и граничными частотами и  позволяет проектировать ИУ частотным методом.

Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или ином случае. Так, например, измерительный усилитель должен удовлетворять очень жестким требованиям, которые находят отражение в ТЗ. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу активных элементов и особенностям электрической схемы, так и по конструкции. Несмотря на это можно наметить некоторую общую линию, которой представляется удобным придерживаться при проектировании усилителей.

Проектирование многокаскадного усилителя характеризуется в первую очередь тем, что решение не является однозначным. В связи с этим возникает задача выбора оптимального варианта. Решая вопрос о том, какому варианту следует отдать предпочтение, необходимо, выполняя электрический расчет, принимать во внимание также и дополнительные соображения, которые связаны главным образом с условиями его эксплуатации.

Общей задачей проектирования является отыскание наиболее простого, экономичного решения. Сложность проектирования как раз и заключается в том, чтобы найти это относительно простое решение.

При проектировании усилителя задачу выбора схемы и параметров отдельных каскадов следует рассматривать как частную, подчинив ее общей задаче - выполнению технических требований к усилителю в целом. Поэтому рационально, исходя из общих технических требований, формулировать частные технические условия к отдельным каскадам усилителя или к усилительным секциям и вести их расчет на основании этих частных условий, которые должны находиться в определенной связи друг с другом [2].

2. Общие вопросы проектирования

.1 Возможные решения поставленной задачи

Принципиальные схемы усилителей импульсных сигналов практически не отличаются от схем усилителей гармонического сигнала. Однако, есть некоторые отличия.

Во-первых, они выбираются по допустимому изменению формы усиливаемых сигналов. Это связано с тем, что искажения импульсного сигнала в идентичных схемах, например, усилительных каскадах, реализованных на биполярных и полевых транзисторах, заметно различаются. Объясняется это различной внутренней структурой самих приборов и различным характером их работы в импульсном режиме.

Во-вторых, анализ импульсных усилителей существенно отличается от анализа усилителей гармонических сигналов. Например, оценка искажений при усилении импульсных сигналов по существу сводится к анализу переходных процессов, протекающих в импульсных усилителях. По переходной характеристике усилителя с помощью интеграла Дюамеля можно определить форму напряжения на выходе импульсного усилителя при действии на его входе как простого, так и сложного сигнала.

Анализ импульсного усилителя заключается в определении формы выходного сигнала и его искажений. Когда известны искажения фронта, среза и вершины импульса, устанавливается связь между этими искажениями и параметрами усилителя, и находятся соответствующие аналитические соотношения, с помощью которых определяются элементы импульсного усилителя по допустимым искажениям сигналов. При этом следует иметь в виду, что точность полученных результатов будет заметно уступать точности анализа с помощью АЧХ усилителей, так как параметры транзисторов сильно изменяются с изменением токов, особенно когда характер изменения токов импульсный. При значительных амплитудах импульсного тока транзистора параметры его изменяются так сильно, что он становиться абсолютно нелинейным элементом, для которого преобразование Лапласа неприменимо. Поэтому анализ такого усилителя становиться весьма трудной, а порой и неразрешимой инженерной задачей, так как точные и строгие методы определения переходных процессов в нелинейных цепях пока отсутствуют.

Тем не менее, возможно провести решение задачи проектирования импульсного усилителя на основании известного математического аппарата и при этом определяющим моментом является правильный выбор транзистора.

Из всего множества приборов для усиления импульсных сигналов применяют специальные транзисторы, имеющие высокую граничную частоту (высокочастотные и сверхвысокочастотные). Это сильно сужает круг поиска усилительного элемента. В силу того, что расчет в большинстве случаев выгодно начинать с выходного каскада, вторым критерием при выборе является обеспечение требуемого размаха выходного напряжения (и, соответственно, тока) на характеристиках транзистора, обращая внимание при этом на предельно допустимые условия эксплуатации прибора.

После предварительного выбора целесообразно оценить качество рассчитываемой схемы с точки зрения разнообразия комплектующих деталей и возможной их унификации.

Транзистор КТ369 является высокочастотным, имеет большое значение , имеет хороший запас по току и напряжению с точки зрения выходных характеристик, но в тоже время он имеет большое значение ёмкости коллекторного перехода.

Простое решение получается при использовании в выходном каскаде транзистора КТ607А-4, он полностью удовлетворяет всем предъявляемым требованиям, но имеет бескорпусное оформление.

Такие приборы, как КТ610Б и КТ911А имеют хорошие частотные свойства, но обладают одни недостатком: они выполнены с полосковыми выводами и монтажным винтом. Кроме того, расчёт показывает, что на выходном каскаде будет большая входная динамическая ёмкость и время установления фронта. Тем более, что КТ911А при том же напряжении имеет большее значение ёмкости коллекторного перехода, чем КТ607А-4.

Подводя итоги, можно сказать, что наиболее приемлемым по всем основным принципиально важным показателям является транзистор КТ607А-4. Все расчетные соотношения, поясняющие критерии выбора прибора, будут приведены ниже в процессе расчета схемы.

Следует отметить, что режим работы при слабых сигналах выбирают, главным образом, для получения определенной величины усилительных параметров и обеспечения экономичности питания. В этом случае используется очень малый участок динамической характеристики. Достаточно определить положение исходной рабочей точки и соответствующие ей рабочие значения токов и напряжений. Поэтому в качестве усилительного элемента для всех каскадов, кроме выходного и предоконечного можно использовать транзистор КТ339А. В предоконечном каскаде можно оставить КТ607А-4, поскольку есть небольшой запас на нагрузочной прямой.

Для полного и точного выполнения расчета схемы усилителя и ее параметров необходимо иметь максимум информации о транзисторе. Именно по этой причине в справочном приложении приведены различные зависимости. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ можно определить по графику, либо по формуле [2]:

 .

Все же главное значение имеют входные и выходные характеристики транзисторов.

усилитель каскад питание термостабилизация

2.2 Выбор и обоснование структурной схемы

Выбором транзистора КТ607А-4 в качестве усилительного прибора для выходного и предоконечного и КТ339А для остальных каскадов, определяется специфика построения схемы усилителя. Тем не менее, существуют общие методы при решении вопроса построения структурной схемы. Главными критериями в этом случае должны стать исходные данные, представленные в техническом задании. Так, например, полярность импульсов на входе положительная, а на выходе отрицательная. В этом случае следует применять нечетное число каскадов, так как при часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) происходит изменение фазы.

Для ориентировочного определения числа каскадов необходимо знать коэффициент усилиления. Амплитуда входного сигнала равна , а выходного . Таким образом, коэффициент усиления c учетом входной цепи усилителя равен:

.

Тогда по формуле, приведенной в [1], число каскадов:

.

Прежде чем построить структурную схему усилителя, нужно отметить следующее. Специальное рассмотрение входного и выходного каскадов отдельно от промежуточных связано с тем, что первый проектируется так, чтобы обеспечить заданные входные параметры усилителя, второй - выходное напряжение на нагрузке. Все изложенное обобщает схема, представленная на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Обобщенная структурная схема усилителя

Попытаемся более конкретно сформулировать основные требования к различным каскадам и усилителю в целом и тем самым построить структурную схему усилителя, содержащую максимум информации о рассчитываемой схеме.

Для многокаскадных импульсных усилителей время установления фронта равно:

.

Результирующее установление фронта импульса, установленное непосредственно на усилитель, напрямую не задано, поэтому может быть определено следующим образом:

.

Искажения в области больших времен, образующиеся за счет разделительных и блокировочных цепей, будут рассмотрены на заключительном этапе проектирования. Это можно обосновать тем, что наличие тех или иных емкостей обуславливается конкретной структурой схемы отдельного каскада, и выбор номиналов подчиняется этим же законам, то есть ограничений с точки зрения общей структуры здесь нет .

В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас не только для коэффициента усиления, но и по основным характеристикам усилительного устройства в 1,2-1,5 раза [1]. Тем не менее, запас должен иметь разумные пределы. Так, например, излишне широкая полоса пропускания нежелательна с точки зрения вредного влияния шумов и помех.

Разделяя все рассмотренные показатели на отдельные каскады, можно, проводя эскизный расчет схемы, выдвинуть ряд предложений:

-используем сочетание усилительных каскадов с повторителями для двух целей. Во-первых, вследствие больших искажений определенных на выходной каскад, необходимо предъявить более жесткие требования к остальным каскадам усилителя. Во-вторых, общий спад, обусловленный техническим заданием мал (на довольно большую длительность импульсов), а при использовании схемы ОК-ОЭ можно обойтись без разделительной емкости;

-малая величина постоянной времени на высоких частотах, большое входное сопротивление, значительно меньшая, по сравнению с усилительным каскадом, входная емкость, позволяют путем введения дополнительного буферного каскада, коим является эмиттерный повторитель, существенно улучшить частотные свойства усилительного каскада, и, соответственно, решить задачу запаса на величину  (как показывает предварительный расчет, можно обойтись без коррекции).

-для снижения искажений в области больших времен (не главная задача) и обеспечения требуемого режима усилительных приборов (развязка по питанию) можно поставить фильтр. Таким образом, параллельно будут решены еще две задачи: устранение паразитной обратной связи через внутреннее сопротивление источника питания (путем соответствующего выбора емкости фильтра) и получение смешанной схемы стабилизации. Последнее выгодно с точки зрения стабилизации тока основных носителей.

Касаемо обеспечения требуемого режима усилительного элемента, то здесь идет речь о том, что вспомогательная цепь, которой в данном случае может выступать резистор в цепи эмиттера, не должна потреблять большую энергию от источника питания, чем основная (усилительная). Поэтому большая величина этого сопротивления не требуется. К тому же количество элементов схемы при наличии фильтра уменьшается, что обеспечивает меньшую стоимость усилителя, более высокую стабильность и устойчивость в смысле сохранения всех начальных показателей в пределах нормы в процессе эксплуатации.

При выборе сопротивления в цепи коллектора нужно учитывать ряд факторов. Так, например, одним из критериев для выбора  является обеспечение максимального КПД. Зачастую это требование не отвечает другой, не менее важной, зависимости. Имеется в виду увеличение постоянной времени на верхних частотах с ростом эквивалентного сопротивления нагрузки. При увеличении  возрастает коэффициент передачи и, соответственно, входная динамическая емкость каскада. Таким образом, необходимо найти компромисс на основании имеющегося математического аппарата.

Рисунок 2.2 - Структурная схема усилителя

2.3 Требования к входному сопротивлению усилителя