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.
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.
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 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.
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