Расчет широкополосного усилителя.

Содержание

		Стр.
	Введение
1.	Данные для расчета.
2.	Расчет широкополосного усилителя.
3.	Структурная схема широкополосного усилителя.
	Заключение
	Список литературы

введение

В современной РЭА (телевизионной, измерительной, системах телеуправления, импульсных радиолокаторах и т.д.) широкое применение находят усилители сигналов, спектр частот которых находится в пределах от звуковых до частот в несколько мегагерц, а в некоторых случаях – до десятков и сотен мегагерц. Такие усилители называются широкополосными.

 

Данные для расчета.

Для расчёта однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером за основу возьмём схему с эмиттерным смещением, как наиболее термостабильную.

Проводимость транзистора выберем типа n-p-n, как наиболее распространённую, вдобавок это может избавить от будущих проблем, при работе с другими схемами.

По условию задачи требуется рассчитать усилитель для импульсных сигналов с длительностью импульса в 1 мкс.

С помощью формулы рассчитаем постоянную времени выходной цепи:
T_B = 0.0455t_и = 0.0455*1 мкс = 0.0455 мкс.

T_B = 0.0455 мкс.

Теперь рассчитаем длительность установления импульса:
t_у = 2.2T_B = 2.2*0.0455 мкс = 0.1 мкс.
Теперь определим частоту импульса по формуле:
f_B = 2.2/2 π t_у = 0.35/ t_у

f_B = 0.35/0.1мкс = 3.5 Мгц.
Далее расчёт усилительного каскада будет сводиться к выбору транзистора, определению режима его работы и нахождению схемы каскада.

Транзистор надо будет выбирать с условием, что граничная частота передачи тока будет как минимум в 10 раз выше рабочей частоты усилителя, из этого следует, что нас удовлетворит транзистор с f_гр = 35 Мгц и выше.
Выберем транзистор КТ371, как обладающий малыми значениями ёмкостей перехода, для уменьшения искажений формы импульса.

 

 

Исходные данные для расчёта:

Питающее напряжение U_и.п. =12 В.
P_max =100 мВт; I_max =20 мА; h₂₁ >50.
Принимаем R_к=10*R_э
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U_бэ = 0,9 В

 

РАСЧЕТ ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

P_рас.max=0,8*P_max =0,8*100 мВт=80 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I_к0=P_рас.max/U_кэ0=P_рас.max/(U_и.п./2) = 80мВт/(12В/2) = 13 мА.

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R_к+R_э)=(U_и.п./2)/I_к0 = (12В/2)/13мА=6В/13мА = 460 Ом.

 

Округлим полученное значение до 470 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R_к=10*R_э, находим значения резисторов:

R_к = 430 Ом; R_э = 39 Ом.

Чтобы резистор в цепи эмиттера заметно не снижал усиление каскада за счёт ООС необходимо зашунтировать его конденсатором. Минимальную усиливаемую частоту примем равной 250 кГц, чтобы она не оказывала влияния. Значение ёмкости конденсатора найдём по следующий формуле:

 

С_э (мкф) = 2500/f_min = 2500/250000 = 0,01 мкФ = 10 нФ.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U_к0=(U_кэ0+ I_к0*R_э)=(U_и.п.- I_к0*R_к) = (12 В - 0,013А * 470 Ом) = 5,89 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I_б=I_к/h₂₁=[U_и.п./(R_к+R_э)]/h₂₁ = [12 В / (430 Ом + 39 Ом)] / 100 = 0, 25 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R_б1, R_б2. Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I_б, чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R_б1, R_б2: I_дел.=10*I_б = 10 * 0,25 мА = 2.5 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R_б1+R_б2=U_и.п./I_дел. = 12 В / 0,0025 А = 4800 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 3 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U_э=I_к0*R_э = 0,013 А * 39 Ом= 0,507 В,

где I_к0 - ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U_б=U_э+U_бэ =0,507 В+0,9 В=1,407 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R_б2= (R_б1+R_б2)*U_б/U_и.п. = 4800 Ом * 1,407 В / 12В = 562,8 Ом

R_б1= (R_б1+R_б2)-R_б2 = 4800 Ом – 562,8 Ом = 4237,2 Ом.

По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R_б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R_б1 =4,22 кОм (в соответствии с номинальным рядом Е48).

 

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t_н=R_вх*C_вх, где R_вх=R_э*h₂₁, C_вх - разделительная входная емкость каскада. C_вых транзисторного каскада, это C_вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f_н=1/t_н.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк - паразитная емкость коллекторного перехода.

t_н= R_э*h₂₁*C_вх = 39*100*1*10^-9 = 0,000039

f_н=1/t_н = 1/0,000039 = 25 640 Гц = ~26 КГц.

Но с учётом корректирующей цепочки в цепи эмиттера – минимальная усиливаемая частота – 250 КГц.

tв=Rвых*Cк=RкCк = 430*0,8*10^-12 = 3.4*10^-8

f_в=1/ tв = 1/3,4*10^-8 = 0,29*10¹⁰ = 290 МГц.

Полоса пропускания усилителя составит 250 КГц – 290 МГц.
Конечная схема усилителя будет иметь следующий вид: