Импульсные устройства

     Исходными данными для расчета ограничителя являются: положительное входное напряжение U = U = 10 В, отрицательное входное напряжение U = U = -10 В, сопротивление нагрузки R_Н.ОГР = 6 кОм (взятое примерно с полуторным запасом R_Н.ДОП задающего генератора).

     Расчет  начинают с выбора диода из условий: допустимое обратное напряжение U_{ОБР.ДОП} > U ; допустимый прямой ток I_ПР.ДОП > = 1,6 мА. Выбираем диод Д2В с параметрами: U_{ОБР.ДОП} = 30 В; I_ПР.ДОП =16 мА: С_Д = 15 пФ.

     Далее по вольт-амперной характеристике (ВАХ) определяются средние омические сопротивления диода при обратном R_ОБР и прямом r_ПР включениях.

     

     Так как обратная ветвь ВАХ выходит  практически из начала координат  и имеет малую нелинейность, среднее  R_ОБР определяют по одной точке характеристики R_ОБР = U_ОБР / I_ОБР, где U_ОБР и I_ОБР - координаты точки на обратной ветви ВАХ. При U_ОБР = 10 В, I_ОБР = 40 мкА, тогда R_ОБР = 250 кОм.

     Для определения r_ПР необходимо взять две точки на прямой ветви ВАХ - одну в начале линейного участка, другую - в области максимальных при работе схемы прямых токов. Полученный участок ВАХ необходимо разбить на равные интервалы по оси токов, получатся несколько промежуточных точек на ВАХ. Точность расчетов тем выше, чем большее количество точек взято на ВАХ.

     Среднее омическое сопротивление диода  r_ПР определяется по формуле:

где U_ПРi и I_ПРi - координаты точки на ВАХ; п - число точек.

     Определенная  по описанной методике величина r_ПР составляет r_ПР ≈ 300 Ом. Далее определяются уровни напряжений на выходе ограничителя:  
положительное выходное напряжение:

отрицательное выходное напряжение:

     При усилении U усилителем до уровня U_Н.Итах = 15 В с коэффициентом усиления K_и = = 1,57 уровень сигнала на нагрузке в паузе составит U_Н.П = U · K_и = 0,23*1,57 = 0,36 В, что меньше указанного в задании, в противном случае необходимо выбрать диод с большим R_ОБР и повторить расчет.

     Искажения фронта и среза импульсов, вносимые ограничителем, определяются по формулам:

t_Ф.ОГР = 2,2С_Д · r_ПР;

                             t_СР.ОГР = 2,2С_Д · R_Н.ОГР. (2.3)

     Соответствующие величины составляют: t_Ф.ОГР = 9,99 нс; t_СР.ОГР = 0,2 мкс, что меньше t_Ф.ДОПi и t_СР.ДОПi, в противном случае необходимо выбрать диод с меньшей междуэлектродной емкостью С_Д.

     

     2.3 Расчет усилителя

     При усилении импульсных сигналов с помощью  УПТ усилителем вносятся искажения, проявляющиеся в увеличении длительности фронта и среза импульсов. Для того, чтобы эти изменения не превышали допустимых, предельная частота транзистора УПТ должна быть определена из условия:

     Если  усилитель имеет несколько каскадов усиления, сначала определяются допустимые длительности фронта импульсов, добавляемые каждым каскадом,

     где n - число каскадов, а затем определяется предельная частота транзистора каждого каскада:

.

     Для усилителя импульсных сигналов важен  выбор типа проводимости транзистора. В случае формирования на выходе УПТ, построенного по схеме с общим эмиттером, однополярного положительного импульса может быть использован транзистор р-n-p-типа, при этом точка покоя должна располагаться вблизи области отсечки, или п-р-n-типа, в этом случае точка покоя должна располагаться вблизи области насыщения. Мощность, потребляемая от источника питания в паузе

Р_ПОТР.П = I_ИП.П · Е_К

где I_ИП.П - ток в цепи источника питания в паузе; Е_К - напряжение источника питания, меньше в случае использования транзистора р-п-р-типа. Мощность, потребляемая от источника питания при прохождении импульса

Р_ПОТР.И = I_ИП.И · Е_К,

где I_ИП.И - ток в цепи источника питания при прохождении импульса, меньше в случае использования транзистора n-p-n-типа. Средняя за период сигнала потребляемая от источника питания мощность может быть определена по формуле:

Р_ПОТР =

.

     Если  выходной импульс имеет положительную полярность и скважность усиливаемых импульсов Q > 2 необходимо применять транзистор р-п-р-типа. В случае усиления импульсов с Q = 2 транзисторы обоих типов проводимости равноценны.

     Схема УПТ с резистивной связью, построенного по схеме с общим эмиттером, представлена на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 Схема УПТ с резистивной  связью, построенного  
по схеме с общим эмиттером

     Режим покоя схемы реализуется с  помощью двух источников питания: источника  питания коллекторной цепи -Е_К и источника смещения +Е_СМ. Для защиты цепей источника сигнала и нагрузки от протекания по ним токов в режиме покоя служат делители R₁ - R₂ и R₃ - R₄. Источник +Е_СМ создает токи делителей I_Д1 и I_Д2. Если падение напряжения от протекания тока I_Д1 по сопротивлению R₂ равно напряжению покоя цепи база-эмиттер транзистора U_бЭП, а падение напряжения от протекания тока I_Д2 по сопротивлению R₃ равно напряжению покоя цепи коллектор-эмиттер транзистора U_КЭП, то напряжения на зажимах источника сигнала и нагрузки в режиме покоя равны нулю. Сопротивления схемы рассчитываются по формулам:

       

 

где I_бП и I_КП - токи покоя базовой и коллекторной цепей. Все величины в формулах берутся по абсолютной величине.

     Расчет  схемы начинают с определения  координат точки покоя коллекторной цепи транзистора. Схема замещения УПТ по переменному току представлена на рис. 2.4.

Рисунок 2.4. Схема замещения УПТ по переменному току

     На  схеме показаны переменные составляющие токов, протекающие при подаче на вход напряжения отрицательной полярности. Транзистор показан упрощенно в  виде четырехполюсника. Из схемы замещения  видно, что для уменьшения потерь полезного сигнала на сопротивлениях выходной цепи каскада, сопротивления  должны выбираться из условий:

R₄ >> R_H; R₃ <<R_Н; R_К >> R_Н.

     Однако  напряжения источников питания схемы  при этом получаются недопустимо большими. Сопротивления выходной цепи выбираются из условий:

     R₄ ≈ (0,5 ÷ 2) R_H; R₃ ≈ (0,1 ÷ 0,5) R_H; R_К ≈ (0,25 ÷ 0,5)R_H,

например, R₄ = 0,5R_H = 1 кОм; R₃ = R_K= 0,25R_H= 500 Ом.

     По  схеме замещения последовательно  определяют токи и напряжения ветвей для случая формирования на нагрузке сигнала с уровнем в импульсе U_Н.Иmax.:

       

     Задаются  координаты точки покоя из условий  для режима АВ:

напряжение  U_КЭП ≥ U_Кm+ ΔU_КЭ = 106 В (напряжение на транзисторе на границе области насыщения ΔU_КЭ можно принять равным 1 В); ток _{I ПКП} = 0,11 I_Кт.

     Определяются  напряжения источников питания схемы, для этого рассчитывают ток делителя I_Д2 = U_КЭП/ R₃ = 212 мА. Напряжения источников питания определяются по формулам:

Е_К = U_КЭП + (I_КП + I_Д2)R_K = 228 В; Е_СМ = I_Д2 · R₄ = 212 В.

     Для данной схемы должно выполниться  соотношение

по нему можно  проверить правильность расчетов.

     Напряжения  источников питания должны быть близкими по величине, тогда питание схемы обеспечивается от двухполярного источника питания со средней точкой. Если в результате расчета Е_К и Е_СМ получатся существенно отличающимися друг от друга (разброс значений более 10 %), необходимо задать другие величины сопротивлений R₄, R₃ и R_К повторить расчет.

     Далее производится выбор транзистора. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора возникает при включении питания схемы, пока не установился заданный режим покоя и транзистор находится в режиме отсечки

≈ 118 В.

     Максимальный  ток коллектора I_Ктах = I_КП + I_Кm =330 мА. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяется по формуле:

     

                           Р_РАС = ,                             (2.4)

где Р_РАС.И - мощность, рассеиваемая при усилении импульса; Р_РАС.П - мощность, рассеиваемая в паузе.

     Для транзистора, работающего в режиме АВ, мощность, рассеиваемая на коллекторе, зависит от уровня усиливаемого сигнала. Максимум рассеиваемой мощности наблюдается при:

U_Н.И =

, т.е. Р_РАС.Иmax ≈ ≈ 10 Вт.

     Мощность, рассеиваемая в паузе определяется через координаты точки покоя:

Р_РАС.П = U_KЭП · I_КП = 7,5 Вт.

     Подставляя  полученные величины в (2.4), получим Р_РАС = 7,8 Вт.

     Если  скважность импульсов Q задана в определенном интервале  
Q = Q_min - Q_max, расчет Р_РАС производят для Q_min и для Q_max и из двух полученных значений выбирают наибольшее.

     Транзистор  выбирают из условий:

U_КЭ.ДОП > |U_КЭmax|;  I_К.ДОП > I_Кmax;

Р_К.ДОП ≥ 1,5Р_РАС;  f_h21Э > 140 кГц.

     Последним условиям удовлетворяет транзистор ГТ806В, для которого: U_КЭ.ДОП = 120 В; I_К.ДОП = 20 А; Р_К.ДОП = 30 Вт (с теплоотводом); f_h21Э = 10 МГц;  
h_21Э = 60 (среднее значение).

     Далее рассчитываются сопротивления входной  цепи УПТ. Для этого определяется ток базы транзистора в режиме покоя I_бП = I_КП / h_21Э = 550 мкА. По входной ВАХ транзистора, снятой при U_КЭ= U_КЭП. Для тока I_бП определяется  
U_бЭП = 0,6 В. В окрестности точки покоя определяется входное сопротивление транзистора h_11Э ≈ 50 Ом. Величина сопротивления R₂ выбирается из интервала  
R₂ = (0,5 ÷ 4) h_11Э, например, R₂ = 2h_11Э = 100 Ом.