Введение
Усилительным устройством (в дальнейшем – усилителем) называют устройство, усиливающее мощность сигнала. С точки зрения схемотехнического построения усилители бывают транзисторные и на базе интегральных микросхем (ИМС). Преимуществами усилителей на базе ИМС являются: меньшие размеры, меньшее потребление и более высокое качество. Однако транзисторные усилители также широко распространены, поскольку некоторые задачи усиления пока нельзя решить использованием ИМС.
Усилители можно разделить на различные группы по следующим признакам:
1)по виду используемого усилительного элемента — ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;
2)по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);
3)по ширине полосы усиливаемых частот — узкополосные, широкополосные усилители;
4)по характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов;
5)по усиливаемой электрической величине — усилители напряжения, тока, мощности;
6)по типу нагрузки — резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.
Расчет структурной схемы
Сопротивление нагрузки усилителя представляет собой достаточно малую величину R Н=240 Ом, в связи с этим оконечный каскад необходимо построить по схеме с ОК. Остальные каскады построим по схеме с ОЭ.
Суммарный коэффициент усиления всего усилителя
Ku å=3300
Предположим, что усилитель будет состоять из четырех каскадов. Задавшись коэффициентами усиления оконечного и входного каскадов Ku ОК=0,9, Ku ВК=17, определим коэффициент усиления предоконечного каскада:
Ku ПОК=(Ku å/ Ku ОК× Ku ВК)0.5 =(3300/0,9×17)0.5 =14,7 
15 (1.1)
Распределим частотные искажения по каскадам. Предположим, что каждый каскад вносит одинаковое искажения, тогда:
Длительность фронта импульса, формируемая одним каскадом
(1.2)
где n =4 –число каскадов усилителя.
Величина выброса:
(1.3)
Все каскады усилителя строим по типовой схеме резисторного каскада с обратной связью [1, 2]. Тогда общее число разделительных и блокировочных конденсаторов составит N С=8. Считая, что каждый конденсатор вносит одинаковое искажение, найдем спад плоской части импульса, вносимой отдельным конденсатором:
(1.4)
Амплитуда выходного напряжения усилителя должна составлять U н=9 В.
Напряжение питания принимаем равным 18 В.
Структурная схема усилителя приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структурная схема усилителя.
Расчет оконечного каскада
Это схема с общим коллектором. Такая схема была выбрана для возможности согласования выходного сопротивления каскада с низким сопротивлением нагрузки R н=240 Ом. Основной недостаток такой схемы – невозможность обеспечения коэффициента усиления по напряжения больше единицы, что требует увеличивать коэффициент усиления предварительных каскадов.
Выберем транзистор, на котором будет построен оконечный каскад. При выборе транзистора, следует учитывать следующие ограничения:
f гр>2/tф i=2/5×10-8=40 МГц
I к max> Е к ОК/ R н=18/240=75 мА
U кэ max> Е к ОК=18 В
Р к max> U кэ max × I к max=18·75 мА=1,35 Вт (2.1)
Таблица 2.1. Подходящим является транзистор КТ606Б. Параметры такого транзистора приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
| Параметр | Значение | Единицы измерения |
| I к max | мА | |
| U кэ max | В | |
| Р к max | 2,5 | Вт |
| f гр | МГц | |
| tк | пС | |
| С кэ | пФ | |
| r б' | 2,5 | Ом |
| тип проводимости | n–p–n |
Расчет оконечного каскада, работающего в режиме большого сигнала, проводим графически.
Построение линии нагрузки на ВАХ транзисторах КТ606Б.
1) U кэ= Е к, I к=0
2) U кэ=0, I к= Е к ОК/ R н
Полагаем, что импульсы однополярные положительной амплитуды. Задаём следующее положение рабочей точки О:
Uк0VT=7.5 В; Iк0VT=50 мА; Uбэ0VT=0,72 В; Iб0VT=3,5 мА.
Графически находим y – параметры транзистора в точке О', соответствующей середине амплитуды выходного тока в импульсе:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Для определения сопротивления в цепи эмиттера воспользуемся приближенной формулой:
(2.5)
Принимаем 180 Ом
Коэффициент усиления каскада:
(2.6)
(2.7)
Определяем номиналы сопротивлений R б1 и R б2 базового делителя. Такой расчет проводим по следующей методике:
∆ I К0*= I КЭ0× (е l×∆ Т -1)= 50×10-6×(е 0,1×(55-24)-1)= 1.06мА (2.8)
∆ I К0=0,1× I К0=0,1×50=5 мА (2.9)
Коэффициент термостабилизации:
NS=∆ I К0/ ∆ I К0*=5/1.06=4.7 (2.10)
Далее, находим:
R ст= R э×(NS -1)/[1- NS ×(1-a)]=
=168.2×(4.7-1)/[1-4.7×(1-0,958)]=775.4 Ом (2.11)
где: a0 – коэффициент передачи тока базы
R б2= R ст× Е к/(Е к- U Б0-[ I К0+ I Б0]× R э- R ст× I Б0)=
=775.4 ×18/(18-0,72-[ 50×10-3+3.5×10-3]×168.2-775.4 ×3.5×10-3)=2507 Ом (2.12)
Принимаем равным: 2700 Ом
R б1= R б2× R ст/(R б2- R ст)= 2700×775.4 /(2700-775.4)=1087 Ом (2.13)
Принимаем: R б1= 1.1 кОм
Рассчитаем номиналы разделительных конденсатора С р2 и блокировочного конденсатора Сэ (рис. 2.2) из условия равномерного распределения спада плоской части импульса [7, стр.12].
(2.14)
Принимаем: 0.15 мкФ
Найдем глубину ОСС:
(2.15)
Определим входное сопротивление каскада:
(2.16)
Принципиальная схема каскада приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Принципиальная схема оконечного каскада.