Методические указания «Расчет импульсных усилителей» (стр. 1 )

Министерство Российской Федерации по Связи и Информатизации

Московский Технический Университет Связи и Информатики

Кафедра радиоприемных устройств

Методические указания

«Расчет импульсных усилителей»

                                                               

Москва  2005

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

ВВЕДЕНИЕ

  Точный расчет многокаскадных импульсных усилителей – достаточно сложная задача. Предлагаемая методика проектирования таких усилителей обеспечивает достаточную для инженерных расчетов точность. Cправочные материалы (Прил.1) ориентированы на использование биполярных высокочастотных транзисторов малой и средней мощности; предполагается, что усиливаются двухполярные прямоугольные импульсы сравнительно небольшой амплитуды, Uвых<10 В, следовательно, режим работы усилительных элементов аналогичен режиму А.

1 Основные характеристики и виды импульсных усилителей

  По ширине спектра усиливаемых сигналов импульсные усилители относятся к классу широкополосных: отношение граничных частот полосы пропускания усилителя fв / fн > 103. Искажения импульсного сигнала связаны с параметрами АЧХ усилителя следующими соотношениями: fв ≥ 0,35/τy,  fн ≤ 0,16∆/Tн.

  В импульсных усилителях используют высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) транзисторы малой и, реже, средней мощности. Транзисторы выбирают по граничной частоте усиления тока в схеме с общим эмиттером, которая должна удовлетворять условию fТ ≥ 3/τу.

1.1 Каскады импульсных усилителей

  Для усиления импульсных сигналов используют, как правило, резисторные каскады. Наиболее часто применяют включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Такой каскад обеспечивает наибольшее усиление мощности, а также коэффициенты усиления напряжения (Кн) и тока (Кт) существенно больше 1. Входное сопротивление в каскаде с ОЭ составляет десятки … сотни Ом. Однако искажения в этом каскаде больше, чем в других схемах.

  Каскад с общим коллектором (ОК) обеспечивает повышенное входное сопротивление – единицы … десятки кОм и значительно меньшую, чем в схеме ОЭ, входную емкость. Эмиттерный повторитель, как часто называют схему ОК, обладает малым выходным сопротивлением порядка единиц … десятков Ом. Это свойство каскада используют при необходимости согласования выхода усилителя с низкоомной нагрузкой, а также при больших емкостях нагрузки Сн≥100 пФ. Так как этому каскаду присуща 100% отрицательная внутренняя обратная связь, коэффициент усиления напряжения у эмиттерного повторителя Кн ≤ 0,7…0,9.

1.2 Коррекция переходной характеристики

  Наличие паразитных емкостей в усилительных элементах, а также цепей межкаскадной связи приводит к уменьшению полосы равномерно усиливаемых частот. Для расширения полосы пропускания усилителя используется высокочастотная (ВЧ) и низкочастотная (НЧ) коррекция, что улучшает форму переходной характеристики в области малых и больших времен, соответственно. Применение НЧ коррекции позволяет уменьшить размеры разделительных и блокировочных конденсаторов.

  Наиболее распространены два вида ВЧ коррекции: параллельная индуктивная и эмиттерная.

Эмиттерная коррекция уменьшает длительность фронта импульса τу за счет уменьшения коэффициента усиления напряжения Кн, но не имеет ограничений к применению в каскадах на биполярных транзисторах.

Индуктивная коррекция, напротив, в ряде случаев позволяет повысить Кн, однако её применение ограничено условием Rн1 кОм, т. е. этот вид коррекции эффективен в выходных каскадах с высокоомной нагрузкой либо в каскадах предварительного усиления, если последующий каскад с ОК.

  Эффективность коррекции спада плоской вершины импульса Δ определяется выполнением условия  Rн/Rк >> 1, где Rк – коллекторный резистор в каскаде ОЭ.

  Таким образом, применение коррекции переходной характеристики в импульсных усилителях практически всегда оправдано: это, в общем случае, уменьшает количество каскадов в усилителе и позволяет использовать менее высокочастотные транзисторы.

1.3 Стабилизация режима работы

  В транзисторных усилителях, как правило, обеспечивают температурную стабилизацию режима. Наиболее часто используется схема эмиттерной стабилизации, для чего в цепь эмиттера вводится небольшой резистор Rэ, а смещение на базу транзистора подводится делителем R1, R2 (рис. 1). Стабильность показателей каскада обеспечивается за счет последовательной отрицательной обратной связи по постоянному току. Конденсатор Сэ устраняет эту ООС для переменного тока.

Кремниевые транзисторы предпочтительнее германиевых, как более термостабильные.

1. 4 Переходная характеристика усилителя.

  Для построения переходной характеристики чрезвычайно удобно воспользоваться одним из пакетов прикладных программ для схемотехнического анализа, например MICROCAP [6]. Для использования пакета необходимо выполнить следующие операции:

ввести в программу принципиальную схему спроектированного усилителя с указанием номиналов радиокомпонентов и типов транзисторов; в случае, если в библиотеке используемого пакета нет выбранных вами типов  транзисторов, необходимо определить и ввести параметры их математической модели, в числе которых, помимо справочных параметров, можно использовать и усредненные параметры  биполярного транзистора, приводимые в [6] по умолчанию; получить изображение переходной характеристики усилителя в режиме TRANSIENT.

1.5. Резисторный каскад с общим эмиттером (ОЭ)

Принципиальная электрическая схема резисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ) представлена на рис. 1. Источником входного сигнала может быть также предыдущий каскад, в этом случае Rи – это коллекторный резистор предыдущего каскада. Цепь нагрузки Rн, Cн также может представлять собой эквивалентные параметры входной цепи следующего каскада. Полная эквивалентная схема каскада с общим эмиттером приведена на рис. 1

Параметры схемы:

rБ′, СВЫХ ОЭ=СК – справочные параметры транзистора (Прил.2); сопротивление перехода r`БЭ=rЭ(1+h21Э), rЭ=0.026/IЭо  дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (IЭо - ток эмиттера в точке покоя); входная емкость CВХ ОЭ = (0,16/fT*rЭ)+СК*(1+R~/rЭ) эквивалентное сопротивление нагрузки R~=(RК*RН)/(RК+RН); выходное сопротивление транзистора RВЫХ ОЭ=1/h22Э, где h22Э - справочный параметр транзистора (Прил. 2). Эквивалентные схемы входной и выходной цепей каскада для ОМВ приводится к виду рис.3а. 

При расчёте входной цепи.

, где ,а   (1.1)

В выходной цепи:

; (1.2)

СМ – емкость монтажа.

Время установления фронта импульса в каждой из цепи

       τу=2,2τв, где τв=RЭВС0        (1.3) 

В ОБВ эквивалентные схемы входной и выходной цепей имеют вид рис.3б.

Эквивалентные параметры входной цепи:

               (1.4)

выходной цепи:

               (1.5)

Спад плоской вершины импульса за счет разделительного конденсатора 

       ,        (1.6)

где

               (1.7)

Входное сопротивление каскада определяется параллельным соединением R1,R2 и , однако если , то базовый делитель практически не уменьшает входное сопротивление каскада. Повысить входное сопротивление каскада в небольших пределах можно, введя в каскад последовательную О. О.С. с помощью резистора Rос (рис.1) при этом

                (1.8).

При этом уменьшается также входная емкость и коэффициент усиления каскада

       Свх=1/(2рfт(rэ+Roc)+C*(1+R~/(rэ+Roc))        (1.9)

       ,        (1.10)

где - крутизна эмиттерного тока 

В отсутствии обратной связи

       ,        (1.11)

где  

Элементы RЭ и СЭ не указаны на полной эквивалентной схеме рис.2. Однако, блокировочный конденсатор большой емкости СЭ, заряжаясь в течение длительного времени Ти, приводит к дополнительному спаду плоской вершины импульса Δ, за счет ООС вносимой им в ОБВ: при этом динамический спад плоской вершины