II. Расчетный раздел
5. Детальный расчет телекоммуникационного (усилительного) устройства
5.1. Расчет источника питания – стабилизатора напряжения компенсационного последовательного типа с регулирующим эллементом на двух транзисторах
Рис. 15. Стабилизатор напряжения компенсационного последовательного типа с регулирующим элементом на двух транзисторах
Последовательный стабилизатор напряжения имеет значение коэффициента стабилизации Кст ≥ 102. Исходные данные для расчета: Uвх = 30 В, ∆Uвых = ± 4 В, Iн.max = 0,5 A, Uн.min = 2 В, Uн.max = 8 В, ∆Uвх/Uвх = ±8%
1. Выбор типа регулирующего транзистора из условий:
где Uкэmax – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора,
Uвх – входное напряжение,
Uн.min – минимальное напряжение нагрузки,
Uн.max – максимальное напряжение нагрузки,
∆ Uвх - нестабильность входного напряжения.
где Pkmax - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе,
Iн.max - максимальный ток нагрузки.
Uкэmax =30 + 4 – 2 = 30 [В]
Pкmax = 10 В ∙ 0,5А = 5 [Вт]
Uкэmax доп > 30 В
Pкmax доп > 5 Вт
Iк доп > 0,5А
Этим условиям удовлетворяет транзистор типа КТ802А с параметрами:
|
|
|
Рис. 16. Входные и выходные характеристики транзистора КТ802А |
2. Выбор типа операционного усилителя из условий:
где Uвых.maxОУ, Iвых.maxОУ – предельные значения выходных напряжения и тока операционного усилителя,
Iбmax – максимальный ток базы.
[В]
[А].
Uвыхmax ОУ > 8,5 В
Iвыхmax ОУ > 0,002 А
Выбран операционный усилитель типа К157УД1, для которого Uвых.maxОУ = 12 В, Iвых.maxОУ = 300 мА.
Для создания опорного напряжения выбирается стабилитрон из условия:
Uоп = Uст < Uн.min,
где Uоп – опорное напряжение,
Uст – напряжение стабилитрона.
Uоп = Uст < 2В
Выбирается
КС113А с параметрами
В,
Ом,
мА.
4. Определяется сопротивление балластного резистора Rб, полагая, что Iст. ном. >> Iвх.ОУ:
.,
где Iст.ном. – номинальный ток стабилитрона.
2,87
[кОм].
5. Для расчета сопротивлений резисторов R1, R2, R3 предположим, что движок в потенциометре R2 стоит в крайнем верхнем положении. Тогда выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение. При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. В первом случае:
Во втором случае:
Полагая R3 = 1 кОм, из системы уравнений находятся R1 и R2:
R2в = 0
R2н = 4615,4 [Ом].
R1= 1307,7 [Ом].
Определяется коэффициент стабилизации схемы:
где
- множитель, обусловленный влиянием
делителя на коэффициент стабилизации
Кст
.
КОУ – коэффициент усиления ОУ без обратной связи,
rk – сопротивление коллекторного перехода току коллектора,
rэ – сопротивление эмиттерного перехода току эмиттера.
rk = U0kэ/I0k,
где U0kэ – напряжение коллектора в точке покоя,
I0k – ток покоя коллектора.
rk = 20/2,2 = 9,09 [Ом].
,
где I0э – ток покоя эмиттера.
I0э = I0k + I0б.
I0э = 2,2 + 0,02 = 2,22 [А].
=
0,01 [Ом].
=
0,25 ∙ 909 ∙ 3125 ∙ 0,81 = 575226,6
5.2. Расчет источника испытательных сигналов – импульсного усилителя с коррекцией
Рис. 17. Импульсный усилитель с коррекцией
В
данном импульсном усилителе коррекция
в области низких частот осуществляется
фильтром низких частот RфСф,
а на высоких частотах –
эмиттерной частотнозависимой отрицательной
обратной связью, создаваемой резистором
и конденсатором
.
Коррекция обычно применяется в
предварительных каскадах импульсного
усилителя.
Следует иметь в виду, что ООС можно вводить, имея запас по усилению, так как в усилителе с ООС усиление напряжения КООС меньше, чем в усилителе без обратной связи К0. Запас по усилению достигается выбором коэффициента усиления тока базы h21э больше требуемого значения, а в общем случае – увеличением числа каскадов.
Исходные
данные для расчета: Uвх.и
=2
мВ;
амплитуда выходного импульса Uвых.и
=
0,4 В; сопротивление резистора и емкость
конденсатора нагрузки Rн
=
1000 Ом и
пФ
соответственно; длительность импульса
tи
= 2,5 мкc;
длительность фронта
мкс;
относительный спад вершины импульса
%;
напряжение источника питанияЕк
=
9 В.
1. Определяется число каскадов и выбирается тип транзистора по коэффициенту усиления тока базы h21э:
,
где Rн – сопротивление на нагрузке,
RвхОЭ - входное сопротивление каскада с ОЭ,
kз = 1,3 – коэффициент запаса; п – число каскадов.
2. Ориентировочно задается сопротивление резистора Rк.
при
[кОм].
[Ом]
При этом сопротивление нагрузки переменному коллекторному току второго каскада:
[Ом].
3. Длительность фронта импульса, приходящаяся на один каскад:
.
[мкс].
Предварительно выбирается транзистора по предельной частоте:
,
где tф.кор – заданная длительность фронта импульса в усилителе с коррекцией,
Ск - емкость коллекторного перехода
.
[мкс].
Условиям
удовлетворяет транзистор типа ГТ313Б,
параметры которого имеют значения:
h21э
= 71; h11э
= 1 кОм; fh21б
= 450 МГц; Ск
= 2 пФ;
20
Ом;Iкб0
= 5 мкА; Iк
макс
= 30 мА; Uкэ
нас
= 0,7 В; fh21э
= fh21б/
h21э
= 450/71 = 6,3 МГц.
Определяем предельную частоту транзистора:
3,6
[МГц]
Условие
fh21э
fh21э.треб
выполняется.
4. Определяется режим покоя транзисторов.
Находится амплитуда импульса коллекторного тока, необходимого для получения заданной амплитуды выходного импульса Uвых.и:
.
[мА].
На выходных характеристиках транзистора, определяется некоторая вспомогательная точку А с координатами Iк А и Uкэ А:
;
,
где
и
–
ток и напряжение
запаса, необходимые для предотвращения
соответственно отсечки и насыщения
коллекторного тока.
0,15
[мА].
|Uкэ нас| = 0,7 [В].
1,225
[В].
[мА].
=
1,425 [В].
От
точки А
откладываются значения
и
,
и получаются две точки, одна из которых
определяет режим покояIк
п
= Iк0
и Uкэ
п
= Uкэ0,
а другая –
пределы изменения тока Iк
и напряжения Uкэ.
Рис. 18. Входные и выходные характеристики транзистора ГТ313Б
При этом по коллекторной характеристике находятся: Iк п = Iк0 = 0,235 мА, Uкэ п = Uкэ0 = 0,6 В, Iб п = Iб0 = 20 мкА, IкБ = 0,835 мА.
Переносим точку покоя с выходной на входную динамическую характеристику и находим Uбэ п = Uбэ0 = 0,1 В
Вычисляются сопротивления резисторов, определяющих режим покоя второго каскада.
Оставляя принятое ранее сопротивление резистора Rк = 1,5 кОм, находим:
.
[кОм].
,
.
Где U4 – напряжение на резисторе R4,
-
ток делителя.
.
[В].
[мА].
[кОм].
[кОм].
6. Коэффициент усиления по напряжению К2 и входное сопротивление Rвх2 второго каскада равны:
.
.
[Ом].
7. Длительность фронта, обусловленная вторым каскадом:
где
-
постоянная времени.
[мкс].
Допустимое значение длительности фронта первого каскада:
.
[мкс].
8. Амплитуда входного импульса второго каскада:
.
[В].
Требуемый коэффициент усиления первого каскада
9. Выбирается точка покоя транзистора первого каскада.
Точка покоя транзистора каскада: Iк0 = 0,235 мА, Uкэ0 = 0,6 В, Iб0 = 20 мкА, Uбэ0 = 0,1 В.
10. Рассчитываются сопротивления резисторов первого каскада. Находится максимальное значение сопротивления нагрузки переменному току коллектора первого каскада:
.
[Ом].
где
[мкс].
Для
получения требуемого коэффициента
усиления К1
сопротивление резистора
должно удовлетворять условию:
.
[Ом].
Ом,
т.е. условие выполняется.
.
[кОм].
.
[кОм].
.
[кОм].
.
[кОм].
При этом входное сопротивление первого каскада:
.
[Ом].
11. Емкости конденсаторов усилителя, обеспечивающие допустимый скол вершины импульса, рассчитываются следующим образом. Распределяется относительный спад между разделительными конденсаторами Ср и конденсаторами Сэ в эмиттерных цепях транзисторов. Имея в виду, что сопротивления в выражениях для постоянных времени разделительных конденсаторов намного больше, чем в выражениях для конденсаторов Сэ, относительный спад вершины целесообразно распределить в соотношении:
при таком условии удается получить не очень большие значения Сэ.
Принимая
в рассматриваемом примере
,
находим
.
.
Определяется емкость Cp:
.
[мкФ].
Относительный спад, приходящийся на блокирующие конденсаторы Сэ:
.
Емкости конденсаторов Сэ принимаются одинаковыми:
,
где Rг – выходное сопротивление источника входного сигнала.
[мкФ],
где для первого каскада
.
[Ом].
.
И для второго каскада
[Ом];
.
Элементы ООС выбираются согласно выражениям:
;
[Ом].
,
где
,
[мкс].
[Ом].
[мкс].
k = 2.
[пФ].
Емкость цепи коррекции вершины импульса рассчитывают по формуле
где
–
постоянная времени схемы в области
низких частот,
Rk – сопротивление коллекторной цепи без фильтрации.
,
где
и
- постоянные времени заряда (разряда)
разделительных конденсаторовСр
и конденсатора Сэ.
.
0,12∙10-8
[с].
.
[с].
.
[с].
Входное сопротивление каскада:
,
где
-
входное сопротивление отрицательной
обратной связи.
[кОм].
[кОм].
=
с-1
=
1,2∙10-9[с].
Из
условия
кОм определяется сопротивление
,
Где Rф - сопротивление резистора фильтра:
.
[Ом].
0,1
[Ом].
12
[нФ].