Методичка. Методические указания к курсовому проектированию для студентов iiiiv курсов рэф
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
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 документами и содержать следующее. Титульный лист. Содержание. Задание на проектирование. Введение, в котором должна быть определена общая идеология синтеза и расчета схемы усилителя. 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. 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 расхождений между расчетными параметрами схемы и результатами моделирования необходимо дать объяснения причин этих расхождений. Список литературы, использованной при выполнении проекта. Ссылки на источники информации по тексту пояснительной записки обязательны. Приложения, в которые выносится вспомогательная информация, использованная при расчете усилителя, например, справочные характеристики и параметры транзисторов и других элементов схемы. в приложения целесообразно также вынести результаты компьютерного моделирования рассчитанной схемы. Отдельно от пояснительной записки в соответствии с требованиями ЕСКД оформляются 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  целесообразно написать  .При соблюдении 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. Поскольку выходной, а иногда предвыходной каскады работают в режиме большого сигнала, их следует рассматривать как нелинейные устройства. Так как методика инженерного расчета таких устройств в полной мере еще не разработана, то ограничиваются расчетом, 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). Причем на характер протекающих процессов бо;´льшее 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 времен, т.е. определить время установления выходного импульса. Если это время не превышает 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 усиления выходного каскада, тем меньше его входная емкость. Значит, предвыходной каскад будет нагружен на меньшую емкость, 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 приведенные цифры ориентировочные и в процессе дальнейшего расчета они могут быть неоднократно скорректированы. Если же схема ОЭ дает большее время установления, то необходимо применить высокочастотную коррекцию. При емкостной нагрузке целесообразнее использовать индуктивную коррекцию, а при активной – эмиттерную. При критическом выбросе (т.е. выбросе, который не меняется при увеличении числа каскадов) кр = 1 % индуктивная коррекция (при чисто емкостной нагрузке!) дает выигрыш по импульсной добротности (в дальнейшем просто добротности) K0/tу по сравнению с некорректированным каскадом в 1.68 раза. Так как при этом коэффициент усиления каскада K0 остается неизменным, то во столько же раз уменьшается и время установления. Чем больше индуктивность корректирующего дросселя, тем больше выигрыш по добротности, но тем больше и выброс. Так, при = 3 % выигрыш увеличится в 1.82 раза. Может оказаться, что при большой емкости нагрузки 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 емкость 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  , где R2 – активное сопротивление нагрузки переменному 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 установления 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 емкость, 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 и уменьшает входную емкость корректируемого каскада, что благоприятно сказывается на работе предшествующего каскада. Заканчивается расчет выходного каскада определением параметров цепей смещения и стабилизации его рабочей точки и расчетом его входного сопротивления и входной емкости. 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 наибольшего эффекта следует ожидать при использовании эмиттерной высокочастотной коррекции. При этом выигрыш в уменьшении числа каскадов будет тем больше, чем меньше время установления и чем больше коэффициент усиления. Как известно, при K0 = const уменьшить время установления усилителя можно увеличением числа его каскадов с одновременным снижением коэффициента усиления, приходящихся на один каскад. Это объясняется тем, что добротность K0/tу некорректированного резисторного каскада ограничена величиной  , где g21 – проводимость прямой передачи транзистора, а С2 – суммарная емкость в его выходной цепи, состоящая из емкости нагрузки и выходной емкости транзистора. Если эта величина равна, например, 100 МГц, то это означает, что при коэффициенте усиления 100 получить время установления от некорректированного каскада менее 1 мкс принципиально невозможно. Если же требуемый коэффициент усиления равен 10, то реализуемое время установления будет ограничено уже величиной 0.1 мкс. Другими словами, чем меньше время установления, 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 (предвыходного) предварительных каскадов совпадает, а при нечетном нет. Если это возможно, то стремятся для предварительного усиления использовать однотипные каскады, что упрощает как методику их расчета, так и практическую реализацию. После ориентировочного определения числа предварительных каскадов производят расчет отдельных каскадов, начиная с предвыходного. Находят его коэффициент усиления, время установления, рассчитывают элементы задания и стабилизации рабочей точки, определяют входное сопротивление. Для схемы с ОЭ это сопротивление комплексное с емкостным характером реактивной составляющей. Далее приступают к аналогичному расчету каскада, который предшествует предвыходному, учитывая, что его нагрузкой является входное сопротивление предвыходного каскада, и далее, двигаясь к входу. Если к первому каскаду предварительного усиления предъявляются специфические требования, то его схемное решение может отличаться от схемного решения других предварительных каскадов. Например, проектируемый усилитель (т.е. его первый каскад) должен иметь высокое входное сопротивление и малую входную емкость или в этом каскаде необходимо предусмотреть плавную регулировку усиления и т.п. В этом случае первый каскад рассчитывается отдельно. Последовательность расчета входного каскада ничем не отличается от последовательности расчета предварительных каскадов. Однако кроме времени установления и коэффициента усиления при проектировании входного каскада необходимо обеспечить и заданное входное сопротивление, причем этот параметр, как правило, является определяющим. Параметры входной цепи (коэффициент передачи и время установления) зависят от характера и величины внутреннего сопротивления источника сигнала и входного сопротивления первого каскада. Входное сопротивление последнего зависит, как известно, от выбора активного элемента и схемы его включения, а также от наличия или отсутствия в этом каскаде отрицательной обратной связи. Считается, что входная цепь спроектирована верно, если ее коэффициент передачи близок к единице, а время установления не превышает времени установления предварительного каскада. После расчета отдельных каскадов и входной цепи находят время установления, коэффициент усиления и выброс переходной характеристики всего усилителя. Если эти параметры удовлетворяют техническому заданию, то приступают к расчету вспомогательных цепей: разделительных конденсаторов, блокировочных конденсаторов в эмиттерных цепях, а также конденсаторов фильтров в цепях питания, используемых для низкочастотной коррекции. Именно эти элементы влияют на поведение резисторного каскада в области больших времен. Чем больше емкости разделительного конденсатора и конденсатора в цепи эмиттера, тем меньше спад плоской вершины импульса. Однако конденсаторы большой емкости имеют плохие частотные свойства, большой разброс емкостей и значительные паразитные утечки. Применение низкочастотной коррекции позволяет уменьшить емкости этих конденсаторов или при неизменных емкостях уменьшить спад. В принципе можно использовать низкочастотную коррекцию во всех каскадах, однако, как правило, в выходных каскадах ее стараются не применять. Это связано с тем, что в выходных каскадах используют мощные транзисторы, работающие с большими токами, и на резисторе корректирующего фильтра будет заметное падение напряжения источника питания. 5. Основные этапы проектирования Процедура проектирования импульсного усилителя, как и любого другого радиоэлектронного устройства, неоднозначна и чаще всего носит итерационный характер. Поэтому разработать жесткий алгоритм синтеза принципиальной схемы импульсного усилителя, применимый для всех вариантов заданий, не представляется возможным. Однако, опираясь на рассмотренные в предыдущем разделе вопросы, а также на опыт проектирования подобных устройств, можно рекомендовать последовательность действий при выполнении проекта. Выбор схемы выходного каскада в зависимости от типа и параметров нагрузки. Как правило, выбор производится между одиночным каскадом, выполненным по схеме с ОЭ, и тандемом эмиттерного повторителя с каскадом, выполненным по схеме с ОЭ. Выбор транзистора выходного каскада по граничной частоте, максимальному напряжению коллектор–эмиттер и максимальному току коллектора. Выбор режима работы транзистора выходного каскада по постоянному току и расчет элементов, обеспечивающих стабилизацию этого режима. Определение низкочастотных (g11, g12, g21, g22) и высокочастотных (rб, Ск, ) параметров транзистора выходного каскада в средней точке, соответствующей половине импульса коллекторного тока. Расчет выходного каскада по переменному току, включающий расчет коэффициента усиления и времени установления. Решение вопроса о необходимости введения в каскад частотно независимой отрицательной обратной связи. Решение вопроса о необходимости применения эмиттерной или параллельной высокочастотной коррекции выходного каскада. Окончательный расчет выходного каскада по переменному току с учетом введенных цепей обратной связи и коррекции. Определение входного сопротивления и входной емкости выходного каскада, т.е. определение параметров нагрузки, на которую будет работать предвыходной каскад. Выбор транзисторов для каскадов предварительного усиления по граничной частоте, максимальному напряжению коллектор–эмиттер и максимальному току коллектора. Выбор режима работы транзисторов в каскадах предварительного усиления. Определение высокочастотных и низкочастотных параметров транзисторов предвыходных каскадов в рабочей точке. Определение количества каскадов предварительного усиления. Полный электрический расчет каскадов предварительного усиления по постоянному и переменному току, аналогичный расчету выходного каскада. Выбор схемы входного каскада в зависимости от требуемого входного сопротивления усилителя. Как правило, выбор производится между каскадом с ОЭ, эмиттерным повторителем и каскадом на полевом транзисторе. Расчет вспомогательных цепей: фильтры питания, разделительные и блокировочные конденсаторы. Принятие решения о необходимости применения низкочастотной коррекции всех или части каскадов усилителя. Определение суммарных параметров усилителя (с учетом всех обратных связей и цепей коррекции) и сравнение их с техническим заданием. В случае несоответствия параметров рассчитанного усилителя техническому заданию принимается решение о необходимости изменения схемы усилителя или параметров его каскадов. Производится возврат на соответствующий этап расчета. Расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах, напряжений, действующих на конденсаторах, и токов, протекающих через катушки индуктивности. Выбор типов этих элементов. Компьютерное моделирование разработанной схемы усилителя. Компьютерное моделирование усилителя в среде Micro-Cap включает следующие этапы [8, 9]. Ввод разработанной схемы усилителя в компьютер с помощью редактора схем. Задание источника сигнала, соответствующего по параметрам (амплитуда, длительность, частота повторения импульсов и выходное сопротивление) источнику сигнала, указанному в задании. Получение осциллограммы напряжения на нагрузке в режиме анализа переходных процессов. Измерение параметров импульсов напряжения на нагрузке (амплитуда, время установления, выброс и спад плоской вершины) и сравнение их с заданными и расчетными значениями. 6. Выбор транзисторов для усилительных каскадов Выбор типа биполярных транзисторов для выходного каскада и каскадов предварительного усиления осуществляется по трем основным параметрам: граничной частоте (  ), максимально допустимому напряжению коллектор–эмиттер ( ) и максимально допустимому току коллектора ( ).Для граничной частоты транзистора должно выполняться условие:  , (6.1)где  – заданное время установления усилителя.Если условие (6.1) не выполняется, то построить на таком транзисторе каскад с нужным временем установления, скорее всего, не удастся. Для максимально допустимого напряжения коллектор–эмиттер транзистора должно выполняться условие:  , (6.2)где  – коэффициент запаса;  – амплитуда импульса напряжения на нагрузке;  – минимальное напряжение коллектор–эмиттер. Минимальное напряжение коллектор–эмиттер ( ) ограничивается напряжением насыщения транзистора. При работе каскада рабочая точка транзистора не должна заходить в область насыщения. В противном случае скоростные характеристики транзистора резко ухудшаются, и получить малое время установления каскада не удастся. При определении максимального напряжения коллектор–эмиттер (6.2) величину можно принять равной 2...5 В для низковольтных транзисторов ( ) и 5...15 В для высоковольтных транзисторов ( ).Бо;´льшие величины  (6.2) следует выбирать для мощных каскадов ( ), а также для усилителей, работающих при высокой температуре окружающей среды ( ).Для выбора транзистора по максимально допустимому току коллектора необходимо определить величину импульса тока коллектора:  , (6.3)где  – импульс тока в нагрузке;  – коэффициент, учитывающий наличие в каскаде активной коллекторной нагрузки  . При выборе величины  следует помнить, что большие значения импульса тока позволяют получить большее усиление и меньшее время установления каскада, но увеличивают мощность, рассеиваемую его элементами.Величину импульса тока в нагрузке для активной нагрузки можно рассчитать по очевидной формуле: . (6.4)При работе каскада на емкостную нагрузку  амплитуду импульса тока можно оценить по формуле: , (6.5)где  – емкость коллекторного перехода транзистора. До выбора типа транзистора точное значение емкости неизвестно. Поэтому его можно принять равным 5...15 пФ для маломощных транзисторов ( ), 100...150 пФ для транзисторов средней мощности ( ) и 500...1000 пФ для мощных транзисторов ( ).Для максимально допустимого тока коллектора транзистора должно выполняться условие:  , (6.6)где  – коэффициент запаса; – амплитуда импульса тока в нагрузке. Коэффициент запаса вводится с целью повышения надежности каскада. Бо;´льшие величины следует выбирать для мощных каскадов ( ), для каскадов с большим рабочим напряжением ( ), а также для усилителей, работающих при высокой температуре окружающей среды ( ).При выборе транзистора по току вместо максимально допустимого тока коллектора ( ) в условии (6.6) можно использовать максимально допустимый импульсный ток коллектора ( ). Это возможно, если скважность и длительность усиливаемых импульсов не выходят за рамки диапазона, разрешенного для данного транзистора.При выборе транзисторов для каскадов усилителя следует избегать необоснованного использования мощных, высоковольтных и высокочастотных транзисторов. Такие транзисторы имеют большую стоимость, а также часто уступают по другим характеристикам менее мощным низкочастотным аналогам. Запас по напряжению, току и граничной частоте транзистора не должен быть слишком большим. Для мощных каскадов выбор транзистора можно считать приемлемым, если запас по напряжению, току и частоте на превышает двукратного. Для маломощных каскадов допустим больший запас по току и напряжению. При прочих равных условиях следует отдавать предпочтение транзисторам с бо;´льшим коэффициентом передачи тока (  ). Это позволяет увеличить коэффициент усиления каскадов и уменьшить их число. Кроме того, во внимание могут приниматься и другие параметры транзистора, например, величина коллекторной емкости. Меньшее значение позволяет повысить добротность каскада.Выбор полевых транзисторов для усилительных каскадов осуществляется по трем параметрам: максимальной частоте усиления  , максимальному току стока  , максимальному напряжению сток–исток  и практически не отличается от выбора биполярных транзисторов.Следует отметить, что при выборе полевого транзистора для входного каскада по току и напряжению обычно проблем не возникает, так как амплитуды импульсов тока и напряжения во входном каскаде невелики. Как правило, входной каскад может быть реализован практически на любом маломощном транзисторе, подходящем по максимальной частоте усиления. При этом необходимо лишь обеспечить попадание рабочей точки в оптимальный для выбранного транзистора диапазон токов и напряжений. В табл. 6 и 7 приведены условные обозначения основных параметров биполярных и полевых транзисторов. В табл. 8 и 9 представлены параметры ряда зарубежных биполярных и полевых транзисторов соответственно, которые можно использовать при выполнении курсового проекта. Списки транзисторов отсортированы в порядке убывания максимальной частоты усиления, максимального тока стока и максимального напряжения сток–исток. Таблица 6
|