Методичка_САЭУ

УДК 621.382.3(07) С 921

Составители: В.В. Дуркин, канд. техн. наук, доц. С.В. Тырыкин, канд. техн. наук, доц.

Рецензент: В.И. Говорухин, канд. техн. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре радиоприемных и радиопередающих устройств

©Новосибирский государственный технический университет

2

7.ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ УСИЛЕНИИ

8.РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАДАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ

9.ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ И

3

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Курсовое проектирование по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» заключается в разработке и полном расчете электрической схемы усилителя импульсных сигналов с последующим моделированием разработанной схемы в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap. Задание на проектирование предполагает реализацию всего усилителя на дискретных биполярных и полевых транзисторах. Выполнение курсового проекта преследует следующие цели.

1.Ознакомление с основными характеристиками биполярных и полевых транзисторов.

2.Ознакомление с основными схемотехническими решениями, используемыми в усилительных каскадах на биполярных и полевых транзисторах.

3.Приобретение навыков расчета усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах (выбор и обеспечение режима работы усилительного элемента по постоянному и переменному току, выбор и расчет схем высокочастотной и низкочастотной коррекции усилительных каскадов, расчет вспомогательных цепей).

4.Приобретение навыков оформления технической документации на радиоэлектронное устройство.

5.Приобретение навыков компьютерного моделирования аналоговых электронных устройств в современных программах схемотехнического моделирования.

2. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Задание на проектирование представляет собой совокупность требований к техническим характеристикам разрабатываемого усилителя. Наименования и обозначения характеристик, которые должны быть обеспечены при проектировании, представлены в таблице 1. Конкретные значения параметров определяются по таблицам 2÷5 исходя из четырехзначного номера варианта задания. Номер варианта выдается преподавателем.

4

Таблица 2

Таблица 3

5

Таблица 4

Таблица 5

3. СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Пояснительная записка к курсовому проекту должна быть оформлена в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД) [7], предъявляемыми к текстовым документам. Пояснительная записка должна содержать:

1.Титульный лист.

2.Содержание.

3.Задание на проектирование.

4.Введение, в котором должна быть определена общая идеология синтеза и расчета схемы усилителя.

5.Структурированное, т.е. разбитое на нумерованные разделы и подразделы, изложение всех этапов синтеза и расчета схемы импульсного усилителя. Изложение должно включать обоснование всех технических решений, применяемых разработчиком.

6.Заключение, в котором должны быть приведены параметры рассчитанного усилителя и сделан вывод об их соответствии техническому заданию. Кроме того, в заключении необходимо кратко проанализировать результаты компьютерного моделирования разработанного усилителя. В случае существенных расхо-

6

ждений между расчетными параметрами схемы и результатами моделирования необходимо дать объяснения причин этих расхождений.

7.Список литературы, использованной при выполнении проекта. Ссылки на источники информации по тексту пояснительной записки обязательны.

8.Приложения, в которые выносится вспомогательная информация, использованная при расчете усилителя, например, справочные характеристики и параметры транзисторов и других элементов схемы. Так же в приложения целесообразно вынести результаты компьютерного моделирования рассчитанной схемы.

Отдельно от пояснительной записки в соответствии с требованиями ЕСКД оформляется полная электрическая принципиальная схема и перечень элементов рассчитанного усилителя.

Следует обратить особое внимание на оформление расчетов. Расчет любой величины производится в следующем порядке: буквенное написание формулы, подстановка численных значений, результат вычислений, размерность величины. При указании размерности необходимо использовать приставки, обозначающие

множители. Например, вместо fT =3 106 Гц целесообразно написать fT = 3МГц.

При условии соблюдения требований ЕСКД допускается, как рукописное, так и машинописное оформление пояснительной записки. При небрежном оформлении пояснительной записки или принципиальной схемы проект к защите не допускается.

4. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Расчет импульсного усилителя начинается с выходного каскада. Зная амплитуду выходного сигнала, величину и характер внешней нагрузки, а также ограничения, накладываемые на время установления усиливаемых импульсов, выбирают соответствующий транзистор. Определяют его режим по постоянному току и требуемые для дальнейшего расчета высокочастотные и низкочастотные параметры.

7

Поскольку выходной, а иногда предвыходной каскады работают в режиме большого сигнала, то их следует рассматривать как нелинейные устройства. Так как методика инженерного расчета таких устройств в полной мере ещё не разработана, то ограничиваются расчётом, носящим приближенный характер. Это приближение состоит в том, что для расчета используют усредненные низкочастотные и высокочастотные параметры транзистора, которые соответствуют средним мгновенным значениям тока и напряжения (см. разд. 9). Причём на характер протекающих процессов большее влияние оказывает изменение тока коллектора, чем изменение коллекторного напряжения.

Выбор схемы выходного каскада зависит от параметров выходного сигнала и внешней нагрузки. Прежде всего, необходимо проверить возможности схемы с общим эмиттером (ОЭ). Для этого надо произвести расчет выходного каскада в области малых времён, т.е. определить время установления выходного импульса. Если это время не превышают 60% от общего времени установления, заданного на весь усилитель, а коэффициент усиления каскада меньше 20÷30, то в первом приближении считают выбранную схему приемлемой.

Зачем накладываются ограничения сверху на коэффициент усиления? Это приводит к увеличению требуемого коэффициента усиления от предварительных каскадов и, на первый взгляд, к увеличению количества этих каскадов. Но, чем меньше коэффициент выходного усиления каскада, тем меньше его входная ёмкость. Значит, предвыходной каскад будет нагружен на меньшую ёмкость, т.е. при заданном времени установления от этого каскада можно будет реализовать больший коэффициент усиления, а это может привести и к уменьшению количества предварительных каскадов.

Понятно, что приведённые цифры ориентировочные и в процессе дальнейшего расчета они могут быть неоднократно скорректированы.

Если же схема ОЭ дает большее время установление, то необходимо применить высокочастотную коррекцию. При емкостной

8

нагрузке целесообразнее использовать индуктивную коррекцию, а при активной – эмиттерную.

При критическом выбросе (т.е. выбросе, который не меняется при увеличении числа каскадов) δкр = 1% индуктивная коррекция (при чисто емкостной нагрузке!) дает выигрыш по импульсной добротности (в дальнейшем просто добротности) Ко/tу по сравнению с некорректированным каскадом в 1.68 раза. Так как при этом коэффициент усиления каскада Ко остается неизменным, то во столько же раз уменьшается и время установление. Чем больше индуктивность корректирующего дросселя, тем больше выигрыш по добротности, но тем больше и выброс. Так при δ = 3% выигрыш составит уже 1.82 раза.

Может оказаться, что при большой емкостной нагрузке, целесообразнее выходной каскад строить по схеме эмиттерного повторителя (ЭП). В этом случае ЭП будет играть роль буферного каскада, отделяющего емкость нагрузки от выходной цепи предвыходного усиливающего каскада, выполненного по схеме ОЭ. Применение комбинации ЭП-ОЭ имеет смысл только в том случае, если входная ёмкость ЭП будет меньше емкости нагрузки. При этом два каскада ЭП-ОЭ могут иметь большую добротность, чем одиночный каскад ОЭ. Следует помнить, что выходное сопротивление ЭП носит индуктивный характер и при емкости CН >12πfТR2 , где R2 – активное сопротивление нагрузки пере-

менному току, на переходной характеристике появляется выброс, возрастающий с ростом СН.

Применение эмиттерной коррекции приводит к уменьшению, как времени установления, так и коэффициента усиления корректируемого каскада. Однако время установление уменьшается в большой мере, чем коэффициент усиления, т.е. происходит возрастание добротности примерно на 30… 40%. Выигрыш по данному параметру будет тем больше, чем больше корректирующая ёмкость, однако при этом будет возрастать и выброс на переходной характеристике. К достоинствам эмиттерной коррекции следует отнести тот факт, что возникающая при этом последовательная отрицательная связь, увеличивает входное сопротивление

9

и уменьшает входную емкость корректируемого каскада, что благоприятно сказывается на работе предшествующего каскада.

Заканчивается расчёт выходного каскада определением параметров цепей смещения и стабилизации его рабочей точки и расчетом его входного сопротивления и входной ёмкости.

Следующий этап проектирования - определение числа предварительных каскадов. Это число зависит от допустимого на эти каскады времени установления, требуемого коэффициента усиления, выбранной схемы высокочастотной коррекции и параметров используемого транзистора. Так как, как правило, нагрузка в этих каскадах низкоомная (входное сопротивление схемы ОЭ), то наибольший эффект следует ожидать при использовании эмиттерной высокочастотной коррекции. При этом выигрыш в уменьшении числа каскадов будет тем больше, чем меньше время установление и чем больший коэффициент усиления.

Как известно, при Ко = const уменьшить время установления усилителя можно увеличением числа его каскадов с одновременным снижением коэффициента усиления, приходящихся на один каскад. Это объясняется тем, что добротность Ко/tу некорректированного резисторного каскада ограничена величиной g212.2C2 , где g21 – проводимость прямой передачи транзистора,

а С2 – суммарная емкость в его выходной цепи, состоящая из ёмкости нагрузки и выходной ёмкости транзистора. Если эта величина равна, например, 100 МГц, то это означает, что при коэффициенте усиления 100, получить время установление от некорректированного каскада менее 1 мкс принципиально невозможно. Если же требуемый коэффициент усиления равен 10, то реализуемое время установление будет ограничено уже величиной 0.1

мкс. Другими словами, чем меньше время установление, которое вы должны получить от каскада, тем меньший коэффициент усиления вы можете от него реализовать, т.е. тем большее число предварительных каскадов необходимо использовать.

Кроме того, необходимо помнить, что схема ОЭ инвертирует входной сигнал. Поэтому при четном числе предварительных каскадов полярность импульсов на входе первого и последнего

10