|
|
Выполнил:
студент группы 04-320
Гуренков Дмитрий
Проверил:
преподаватель
Игнатьев Ф. Н.
Москва 2008 год
Содержание
Задание.................................................................................................................................................................................. 3
Введение................................................................................................................................................................................ 3
Расчет многокаскадного усилителя.......................................................................................................... 4
Расчет апериодических и импульсных усилителей....................................................................... 5
Расчет "Y"-параметров транзистора.............................................................................................................. 7
Высокочастотная эмиттерная коррекция.............................................................................................. 9
Низкочастотная коррекция цепочкой ....................................................................................... 10
Выбор и стабилизация режимов работы усилительных каскадов на транзисторах. 11
Расчет................................................................................................................................................................................... 15
Расчет необходимого количества каскадов...................................................................................... 15
Расчет оконечного усилительного каскада....................................................................................... 16
Расчет Y-параметров................................................................................................................................................ 16
Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию................................................................................ 17
Низкочастотна коррекция цепочкой ...................................................................................................... 18
Стабилизация режима работы усилительного каскада................................................................................ 18
Расчет предоконечных усилительных каскадов.............................................................................. 19
Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию................................................................................ 20
Низкочастотна коррекция цепочкой ...................................................................................................... 20
Стабилизация режима работы усилительного каскада................................................................................ 20
Эксплуатационные данные............................................................................................................................... 21
Видео усилитель. Принципиальная схема............................................................................................. 23
Перечень элементов.................................................................................................................................................. 24
Литература....................................................................................................................................................................... 25
Задание
Разработать принципиальную схему и рассчитать видеоусилитель со следующими характеристиками:
- коэффициент усиления по напряжению ;
- длительность импульса мкс;
- относительный скол вершины импульса – не более ;
- относительная длительность фронта – не более ;
- сопротивление нагрузки усилителя кОм;
- емкость нагрузки усилителя - пФ.
Введение
Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности происходит за счет преобразования энергии источника питания в сигнал на заданной частоте. Функцию преобразователя выполняет активный прибор, управляемый входным сигналом. Таким образом, в усилителе относительно маломощный входной сигнал управляет передачей большой мощности на частоте сигнала от источника питания в нагрузку, причем выходной сигнал является непрерывной функцией входного. Сам механизм преобразования энергии источника питания в энергию сигнала зависит от физической природы активного прибора.
Существует большое количество различных видов усилителей по активному прибору, в частности: на трех активных полюсных приборах, на активных двухполюсных приборах, усилители на ЛБВ и ЛОВ. В зависимости от вида усиливаемого сигнала различают усилители непрерывных и импульсных сигналов. Усилители импульсов, не имеющих высокочастотного заполнения (видеоимпульсов), обычно относятся к видео усилителям, или точнее говоря к видео импульсным усилителям. Усиление низкочастотных непрерывных и импульсных (как в нашем случае) сигналов осуществляется апериодическими импульсными усилителями.
Будем рассматривать апериодический усилитель с емкостной связью на трех активном полюсном приборе. Основным свойством апериодического усилителя является отсутствие ярко выраженных резонансных явлений. Нагрузкой этого усилителя, как правило, является резистор. Расчеты усилительных устройств, обычно, выполняются покаскадно с дальнейшим нахождением параметров многокаскадных усилителей. Эффективность усиления можно оценить по величине коэффициента усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Основным, обычно, считается коэффициент усиления по напряжению: , который далее будет именоваться просто коэффициентом усиления без индекса «U». Коэффициенты усиления являются комплексными величинами. Модуль коэффициента усиления определяет соотношение входной и выходной амплитуд, на данной частоте.
В качестве принципиальной схемы усилителя выберем схему, состоящую из N каскадов на однотипных, активных приборах с одинаковыми параметрами. В таком случае общий коэффициент усиления будет находиться как произведение коэффициентов усиления каждого из каскадов.
Выберем схему включения активного прибора:
1. Схема включения с общей базой (ОБ) обладает сравнительно малым, входным и большим выходным сопротивлением, но имеет малую зависимость параметров от температуры и более равномерную частотную характеристику. В схеме с ОБ достигаются максимальные значения коллекторного напряжения, что важно при использовании мощных транзисторов.
2. Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) обладает наибольшим усилением по мощности, что уменьшает количество каскадов в схеме, но неравномерная частотная характеристика, большая зависимость параметров от температуры и меньшее максимальное коллекторное напряжение снижают преимущества этой схемы. Входные и выходные сопротивления усилителя на транзисторах, включенных в схему с ОЭ отличаются меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает построение многокаскадных усилителей.
3. Схема включения с общим коллектором (ОК) обладает большим входным и малым выходным сопротивлением. Это свойство находит применение в согласующих каскадах (эмиттерный повторитель). Частотная характеристика схожа с частотной характеристикой включения с ОЭ.
Как видно из приведенных выше характеристик различных включений, схема с ОЭ по большинству показателей занимает промежуточное положение между схемами ОБ и ОК. В то же время она обладает максимальным усилением по мощности и удобна в использовании в много каскадных усилителях. Именно по этому она считается наиболее универсальной.
Как следует из вышесказанного, в качестве схемы включения нашего активного прибора будем использовать схему с общим эмиттером.
Активными основными приборами современных усилительных устройств являются биполярные и полевые транзисторы. В качестве активного прибора будем использовать биполярный транзистор.
Расчет многокаскадного усилителя
Как правило, усилительные устройства являются многокаскадными, так как с помощью одного каскада обычно не удается обеспечить необходимое усиление. Основное усиление по напряжению обеспечивается в каскадах предварительного усиления. Из них обычно выделяют входной каскад, схема которого зависит от требований по сопряжению с источником сигнала, допустимому дрейфу нуля и т.п. Спецификой выходного каскада является обеспечение заданной мощности или амплитуды выходного сигнала, ограничения по допустимому уровню искажений, работа на низкоомную нагрузку и т.д. Предоконечный каскад также может иметь специфические особенности, связанные с условием работы выходного каскада, например, с требованием обеспечить на его входе значительную мощность сигнала.
При построении широкополосных усилителей на биполярных транзисторах основное внимание уделяют их частотным свойствам, позволяющим при заданном коэффициенте усиления одного каскада в области средних частот обеспечить требуемую верхнюю граничную частоту , а, следовательно, и площадь усилителя одного каскада
. (1.1)
Если многокаскадный усилитель с верхней граничной частотой содержит одинаковых каскадов, а искажения на верхних частотах распределены между каскадами равномерно, то связь между и устанавливается соотношением
, (1.2)
где - функция, учитывающая уменьшение с ростом числа каскадов.
Если отдельные однотипные каскады развязаны между собой по постоянному току, что приводит к искажения в области нижних частот, то нижняя граничная частота одного каскада связана с всего усилителя соотношением
. (1.3)
Общий коэффициент усиления N-каскадного усилителя с учетом (1.1) и (1.2)
. (1.4)
Максимальная площадь усиления дифференциального каскада или каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе может быть оценена по формуле
, (1.5)
где высокочастотный параметр определяется паспортными параметрами транзистора.
Если заданы и , то, используя выражение (1.4) и ориентируясь на максимальную площадь усилителя , можно оценить необходимое количество каскадов усилителя, подобрав , удовлетворяющее условию:
. (1.6)
Полутора кратный запас по усилению учитывает, в частности, потери сигнала во входной цепи усилителя. Коэффициент следует брать - для простейших резистивных каскадов; - для случая применения во всех каскадах высокочастотной коррекции. Последнее позволяет ослабить требования к частотным свойствам транзистора и обеспечить необходимый коэффициент усиления и заданную полосу пропускания меньшим числом каскадов.
В импульсных усилителях основное внимание уделяется переходным искажениям, в частности, времени установления усилителя . Для усилителя из однотипных каскадов связано с требуемым временем установления каждого из каскадов соотношением
. (1.7)
Формула (1.7) справедлива, если величина относительного выброса на один каскад не превышает критического .
Поскольку усилитель обычно содержит один или несколько одинаковых предварительных каскадов, а также выходной каскад и входную цепь с временем установления соответственно и , то общее время установления .
Величина общего относительного скалывания и времени запаздывания N-каскадного усилителя определяется соответствующими параметрами каждого каскада и оценивается по формуле
; . (1.8)
Расчет апериодических и импульсных усилителей
Усиление низкочастотных и импульсных сигналов осуществляется апериодическими усилителями. Типовая схема двухкаскадного резистивного усилителя представлена на Рисунок 1.
Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:
- , , обеспечивают выбранное положение рабочей точки (РТ) и температурную стабилизацию транзистора;
- , осуществляют развязку каскада в диапазоне усиливаемых частот и повышают устойчивость работы усилителя;
- разделяет усилительные каскады по постоянному току;
- является коллекторной нагрузкой транзистора;
- устраняет отрицательную обратную связь по переменному току;
- проводимость потребителя.
При условии слабых сигналов, когда выходное напряжение существенно меньше напряжения , можно считать, что каскад работает в линейном режиме. В этом случае расчет усилителя сводится к следующему.
Исходными данными для оконечных усилительных каскадов непрерывных сигналов являются: - коэффициент усиления; и - верхняя и нижняя граничные частоты; и - уровень линейных искажений на частотах и ; и - проводимость и сопротивление потребителя; - выходное напряжение.
Расчет производится в следующей последовательности.
1. Выбирают тип биполярного транзистора, позволяющего реализовать требуемый коэффициент усиления и полосу пропускания при заданных частотных искажениях:
, (2.1)
где , .
Определяют параметры транзистора , , , , , и на средней частоте усиления.
2. Находят нагрузочную коллекторную проводимость для обеспечения заданного усиления и полосы пропускания:
, (2.2)
, (2.3)
. (2.4)
3. Вычисляют входную проводимость и емкость усилительного каскада.
(2.5)
(2.6)
4. Разделительную емкость определяют по заданным искажениям на нижней граничной частоте:
, (2.7)
где .
5. И наконец находят емкость :
. (2.8)
При расчете усилителей импульсных сигналов с длительностью задаются обычно временем установления фронта импульса и его скалыванием . В этом случае элементы схемы и находятся из соотношений (2.3) и (2.7):
, (2.9)
. (2.10)
Особенность расчета промежуточных каскадов заключается в том, что их потребителем является последующий усилитель, входная проводимость и емкость которого находятся с помощью выражений (2.5) и (2.6).
При решении ряда задач возникает необходимость усиливать сигналы в широкой полосе частот, и, если полоса пропускания обычного апериодического усилителя оказывается недостаточной, ее стараются расширить, используя ВЧ- и НЧ-коррекции. Частотная коррекция обычно осуществляется одним из двух методов:
1. введением в цепь коллекторной (стоковой) нагрузки частотно-зависимых элементов (L-коррекция в области ВЧ и цепочка - в области НЧ);
2. использованием частотно-зависимой отрицательной обратной связи (ООС) (эмиттерная коррекция в области ВЧ).
Расчет "Y"-параметров транзистора
Основными активными приборами усилительных устройств радиочастотного диапазона являются биполярные и полевые транзисторы. Расчет характеристик усилителей умеренно высоких частот удобно проводить по Y-параметрам транзисторов, определенным для выбранной рабочей точки (РТ) по постоянному ток и схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК, ОИ, ОЗ, ОС).
В инженерной практике широко используется физическая эквивалентная схема биполярного транзистора, представленная на Рисунок 2, которая достаточно точно отражает его свойства в частотном диапазоне до , где - граничная частота усиления тока базы в схеме с общим эмиттером (ОЭ).
Рассчитывают элементы эквивалентной схемы и Y-параметры биполярного транзистора по справочным данным, где для типового режима работы (заданной РТ) обычно приводятся следующие электрические параметры:
- - постоянное напряжение коллектор-эмиттер;
- - постоянный ток коллектора;
Страницы: 1, 2
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.