На основе операционного усилителя с обратной связью
Техническое задание: проектировать и рассчитать импульсный усилитель со следующими данными:
Время нарастания фронта выходного импульса tФ= 0,04 мкс,
спад его плоской части 
=0,02 (2%) при длительности входного сигнала Т0=5мс,
коэффициент усиления устройства: КО=250.
Выполнение задания
Импульсный усилитель можно реализовать на основе операционного усилителя с обратной свяью. В [1, ч 2, с.210] в частности показано, что если использовать функциональную схему, приведенную на рис.1
| Рис.1 |
| ROC (ZOC) |
| IOC |
| U2(oc) |
| RВХ |
| RГ |
| RH |
| ΔU |
| EГ |
| KO |
| IГ |
| (ZГ) |
Если в качестве сопротивления RГ использовать последовательное соединение резистора и конденсатора, а вместо ROC
применить параллельное соединение резистора и конденсатора. то при определенных условиях можно реализовать импульсный усилитель. Обозначим операторный коэффициент сопротивления генератора ZГ
,
а операторный коэффициент цепи обратной связи 
,
то операторный коэффициент передачи устройства изображенного на рис.1 запишется в виде:
. (1)
Далее обозначим отношение RОС/RГ=КО- коэффициент усиления устройства., 
, 
постоянные звена генератора и обратной связи.
Обратное преобразование Лапласа выражения(1) множеного на операторный коэффициент единичного скачка 1(t) равное 1/Р позволяет записать переходную функция устройства в виде
(2)
Ес ли выполнить соотношение
, (3)
то переходная функция (2) поделенная на нормирующий множитель КО будет иметь вид изображенный на рис.2. Эта функция имеет вид характерный для переходной функции выходной цепи резисторного каск5ада, в которой имеется область малых временных интервалов, по которой можно оценить время нарастания входного импульсного сигнала, область средних временных интервалов, которая указывает величину усиления сигнала КО и,наконец, область больших времен. Последняя область дает возможность оценить спад плоской части импульса при заданной длительности входного сигнала.
| h (t) |
| 0,1 |
| Рис.2 |
0,9 D
T
t
t1 t2 Область средних Область
времен больших
Область времен
малых времен
Известно [1. ч.1 с.103],что время установления фронта импульса связано с постоянной 
соотношением
(4)
а спад плоской части импульса
(5)
Приведенные соотношения позволяют реализовать импульсный усилитель, удовлетворяющий техническим требованиям на основе функциональной схемы приведенной на рис.1
Проведем расчет внешних(навесных) элементов
Операционного усилителя.
Пусть сопротивление RГ=1 кОм, тогда при заданном К0=250, тогда сопротивление RОС =250 кОм. При заданном tФ=0,04мкс постоянная 
.Поскольку 
, то емкость конденсатора СОС будет:
Постоянная 
Поскольку 
, то емкость конденсатора СГ будет
Схемотехническое моделирование импульсного усилителя с помощью программы МС7[
На рис.3 приведена функциональная схема импульсного усилителя реализованного на операционном усилителе с параллельной ООС по току, в которую включены элементы источника RГ, СГ и звена обратной связи ROC, CОС с номиналами резисторов и конденсаторов, вычисленных в предыдущем разделе.
Рис.3
Следует заметить, что рассчитанная емкость конденсатора СОС получена весьма малой величины - СОС=7,2 10-14 Ф. практически не реализуемой на практике. Это произошло потому, что в техническом задании коэффициент К0 равен 250 единицам и сопротивление резистора выбрано равным RГ=1 кОм. Для получения приемлемых значений емкости конденсатора СОС следует уменьшать коэффициент К0 или величину сопротивления резистора RГ. Поэтому данный пример носит чисто иллюстративный характер.
На рис.4 приведены эпюры нормированного выходного сигнала синтезированного импульсного усилителя, а также источника входного сигнала V1 с амплитудой 5 мВ. Нормировка выходного сигнала произведена с учетом коэффициента усиления устройства К0=250 и амплитуды сигнала источника V! равной 5 мВ, кроме того для удобства анализа выходного сигнала произведено его инвертирование, поскольку как видно из рис.3 входной си гнал поступает на инвертирующий вход операционного усилителя.
Рис.4
С помощью навигатора программы МС7 при активировании пиктограммы CURSOR MODE нетрудно убедиться, что время нарастания фронта выходного сигнала устройства составляет заданную величину tФ~0,04 мкс.
Для анализа спада плоской части импульса выходного сигнала следует увеличить длину плоской части импульса источникаV1 до величины T0=5 мс и также время анализа., примерно до 8 мс. После указанной перенастройки проведено исследование переходного процесса выходного в области больших интервалов,. результаты которого приведены на рис.5.
Рис.5.
С помощью навигатора программы МС7- CURSOR MODE получено, что при длительности нормированного выходного сигнала равной TO=5 мс спад его плоской части составляет около 2%.
Определим частотную характеристику и полосу пропускания синтезированного импульсного усилителя, определив предварительно его нижние и верхние граничные частоты. Соглано известному соотношению
,
получаем fВ(гр)=*,7 МГц.
Из соотношений 
величина нижней граничной частоты оказывается равной:
Гц
На рис.6 приведены частотная и фазовая характеристики имульсного усилителя, из которых с помощью навигатора программы МС7 CURSOR MODE получено усиление в области средних частот равно К0=250, а верхняя и нижняя граничные частоты совпадают с вычисленными ранее. Таким образом, синтезированный импульсный усилитель оказался достаточно широкополосным устройством.
Рис.6
Выводы
1.Используя устройство, содержащее операционный усилитель и цепи обратной связи, функциональная схема которого приведена на рис.3, можно реализовать импульсный усилитель с необходимыми техническими показателями.
2. Такое устройство менее восприимчиво к изменениям температуры и напряжения источников питания, поскольку его технические характеристики в первую очередь зависят только от стабильности пассивных элементов цепей обратной связи.
3. Произведен расчет элементов функциональной схемы импульсного усилителя и подтверждено выполнение условий технического задания.
Список литературы
1. Теряев Б.Г. Схемотехника аналоговых электронных устройств ч.1, ч 2. М. МИРЭА 2005.
2. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью
MICRO-CAP 7. М. Горячая Линия-Телеком. 2003.
Пример 6
