Расчет усилительных каскадов

Схема с общим эмиттером (рис. 22).Задачей расчета является определение номинальных значений всех пассивных компонентов схемы каскада (резисторов: R1, R2, Rк, Rэ , и конденсаторов: С1, С2, С3); определение коэффициента нестабильности каскада Si; построение линий нагрузки каскада по постоянному и переменному току; определение коэффициентов усиления каскада по току, напряжению и мощности (KU, KI, KP); определение входного и выходного сопротивления каскада (Rвх , Rвых ).

 
 

Исходными данными для расчета усилительного каскада являются напряжение источника питания Ек, параметры рабочей точки транзистора: ток покоя I0к и напряжение покоя U0кэ; сопротивление нагрузки Rн; минимальная частота усиливаемого сигнала f0 .

В качестве исходных данных для выполнения примера расчета приняты:

Ек = 24 В;

I0 к = 15 мА;

U0 кэ = 12 В;

Rн = 600 Ом;

f0= 400 Гц.

В основу расчета каскада положено использование входных и выходных характеристик примененного транзистора, по которым определяются необходимые для расчета параметры транзистора.

Порядок расчета:

1. Производят выбор транзистора с учетом того что:

, = 180 мВт,

где .

Выбран транзистор МП – 25 с параметрами:

300 мА 13 ÷ 25 40 В 200 мВт

 

2. Расчет сопротивлений резисторов.

Сопротивления R1, R2, Rк, Rэ резисторов R1, R2, Rк, Rэ определяют, исходя из условия обеспечения режима каскада по постоянному току:

а) наносят на семейство выходных характеристик транзистора (рис.23) рабочую точку каскада и определяют постоянную составляющую тока базы

I0б ≈ 0.9 мА;

б) определяют постоянную составляющую тока эмиттера

I0 э = I0 к+ I0 б = 15 + 0.9 = 15.9 мА;

в) величину падения напряжения на резисторе Rэ принимают равной 0.2Ек. Определяют сопротивление резистора

Rэ = принимают Rэ=330 Ом;

г) определяют сопротивление резистора Rк

Rк= , принимают Rк = 470 Ом;

д) на входную характеристику транзистора (рис. 24) наносят рабочую точку транзистора и определяют падение напряжения между эмиттером и базой в режиме покоя

U0 бэ ≈ 0.25 В;

е) задаются величиной сквозного тока делителя Iд, протекающего через последовательно включенные резисторы R1 и R2. Принимают Iд = 10 ∙ I0б = 10 ∙ 0.9 = 9 мА;

ж) определяют сопротивление R2 резистора R2:

R2 = , принимают R2 = 560 Ом;

з) определяют сопротивление R1 резистора R1:

R1 = , принимают R1 = 2 кОм.

3. Определяют коэффициента нестабильности каскада:

а) определяют величину Rд:

Rд =

 

б) определяют коэффициент усиления транзистора

в) определяют коэффициент нестабильности

Si =

Приемлемые значения коэффициента нестабильности лежат в пределах 3 ÷ 5.

В случае, если величина Si , полученная расчетом, лежит вне указанных пределов, следует изменить параметры цепи смещения. Для увеличения Si необходимо уменьшить ток делителя Iд или величину падения напряжения на резисторе Rэ.

В данном случае Si = 2.18 < 3 . Необходимо уменьшить величину тока делителя Iд и повторить расчеты, начиная с п.2.в.

2. е¤) принимают Iд = 5I0 б = 5 ∙ 0.9 = 4.5 мА;

ж¤ ) определяют сопротивление R2 резистора R2:

R2 = , принимают R2 = 1,1 кОм;

з¤) определяют сопротивление R1 резистора R1:

R1 = ,принимают R1 = 3,6 кОм;

3. а¤) определяют величину Rд:

Rд =

в¤) определяют новое значение коэффициента нестабильности

Si =

Такое значение Si можно считать удовлетворительным.

4. Определение усилительных параметров каскада:

а) по входной характеристике (рис. 25) определяют входное сопротивление транзистора как котангенс угла наклона касательной к этой характеристике, проведенной через рабочую точку.

rвх = сtg

б) определяют входное сопротивление каскада как эквивалентное сопротивление трех параллельно включенных сопротивлений R1, R2, rвх. Поскольку сопротивление параллельно включенных резисторов R1 и R2 представляет собой найденную нами величину Rд, для определения Rвх можно воспользоваться более простой формулой:

Rвх = Rд//rвх =

в) определяют эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току

Rн~ = Rк//Rн =

г) определяют коэффициент усиления каскада по току с учетом шунтирующего действия входных и выходных цепей усилителя

KI =

д) определяют коэффициент усиления по напряжению

KU = – KI

Физический смысл отрицательного значения коэффициента усиления по напряжению заключается в том, что выходное напряжение сдвинуто по фазе на 1800 относительно входного, т.е. мгновенная полярность выходного напряжения всегда обратна мгновенной полярности входного;

е) определяют коэффициент усиления каскада по мощности

КР = │KI KU│= 6.6 ∙ 44.5 = 296;

ж) определяют выходное сопротивление усилителя, как параллельное соединение выходного сопротивления rвых транзистора и сопротивления в цепи коллектора

Rвых = rвых//Rк.

Ввиду того, что обычно rвых >> Rк, можно считать

Rвых ≈ Rк = 480 Ом.

5. Расчет емкостей конденсаторов в схеме усилительного каскада:

а) определяют емкость С1 конденсатора С1, исходя из условия, что на частоте усиливаемого сигнала << Rвх.

Принимают = 0.1 Rвх.

Отсюда

С1= ,

принимают С1=50 мкФ;

б) определяют емкость конденсатора С2 конденсатора С2, полагая = 0.1 Rэ:

С2 = ,

принимают С2=10 мкФ;

 

в) определяют емкость С3 конденсатора С3 , полагая = 0.1 Rн:

C3= принимают С3=10 мкФ;

 

6. Построение линии нагрузки каскада по постоянному току.

Линия нагрузки по постоянному току представляет собой графическую зависимость между постоянными составляющими тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер, выражаемую формулой:

U кэ = Eк – I к (Rк + Rэ).

Линия нагрузки строится на семействе выходных характеристик транзистора (рис.23) следующим образом:

а) определяют точку, соответствующую режиму холостого хода коллекторной цепи (I к хх = 0):

U кэ хх = Ек = 24 В.

Данная точка лежит на оси абсцисс на расстоянии, равном Ек от центра координат;

б) определяют точку, соответствующую короткому замыканию цепи коллектора (U кэ кз =0):

Iк к.з. =

Точку к.з. откладывают на оси ординат на расстоянии, равном Iк кз от центра координат;

в) строят линию нагрузки по постоянному току как прямую, соединяющую точку холостого хода с точкой короткого замыкания. Если расчеты и построения выполнены правильно, то линия нагрузки пройдет через заданную рабочую точку транзистора с координатами

U0 кэ = 12 В; I0 к = 15 мА (см. рис.24).

7.Построение линии нагрузки по переменному току

Линия нагрузки по переменному току представляет собой графическую зависимость между переменной составляющей коллекторного тока и выходным переменным напряжением

Uн~ = Iк~ Rн~ .

Эта линия проходит через рабочую точку каскада, причем угол ее наклона к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки каскада по переменному току

Для практического построения линии нагрузки по переменному току используют соотношение

Полагают тогда

Строят линию нагрузки по переменному току как прямую, проходящую через рабочую точку и точку с координатами

Iк = 0:

U кэ = U0 кэ + ∆Uн~ = 12 + 4 = 16 B.

 

Двухтактный усилитель мощности класса В.Схема двухтактного усилительного каскада – усилителя мощности на транзисторах представлена на рис.25.

Задача расчета: определить параметры и сделать выбор транзисторов; определить параметры выходного трансформатора (E1, I1, E2, I2); рассчитать величину мощности входного сигнала (Рвх) и коэффициента усиления каскада по мощности (КР).

Основными исходными данными для расчета являются параметры нагрузки (Uн, Iн, Pн, Rн), напряжение источника питания Ек, частота усиливаемого сигнала f0.

Для выполнения примера расчета приняты следующие исходные данные:

Eк = 12 B; Pн = 40 Вт; Rн = 100 Ом.

Существенным условием, принятым в исходных данных для расчета, является чисто активный характер нагрузки. В действительности нагрузка усилителей мощности, применяемых в системах автоматики, обычно носит активно – индуктивный характер (обмотки электродвигателей, реле и др.), что приводит к появлению реактивных составляющих тока в выходной цепи усилителя и увеличивает токовые нагрузки на транзисторы.

 
 

Во избежание этих дополнительных нагрузок применяют компенсацию реактивного тока нагрузки с помощью конденсатора, включенного параллельно нагрузке. В случае полной компенсации сопротивление нагрузки становится чисто активным, как это принято при расчете.

Следует иметь в виду, что зачастую полная компенсация реактивной мощности невозможна, т.к. с изменением нагрузки усилителя (например, момента сопротивления на валу электродвигателя) величина реактивной составляющей тока нагрузки также изменяется.

Порядок расчета

1. Определяют параметры нагрузки:

а) ток нагрузки

б) напряжение на нагрузке

2. Определяют электрические параметры выходного трансформатора:

а) к.п.д. трансформатора определяется по графику (рис.26):

;

б) мощность условной первичной обмотки трансформатора

в) амплитудное значение напряжения первичной обмотки

где ∆Uкэ – минимальное остаточное напряжение на транзисторах, принимают равным 0.5 В;

г) амплитудное значение тока первичной обмотки

д) коэффициент трансформации выходного трансформатора

nвых =

3. Определяют электрические параметры транзисторов:

а) мощность, рассеиваемая на коллекторах

Рк наиб = 0.2; Р1 = 0.2 ∙ 44.5 = 8.9 Вт;

б) амплитудное значение тока коллектора

Iкm = I1m = 6.95 A;

в) максимальное напряжение на транзисторах

Uкэ m = 2 Eк = 2 ∙ 12 = 24 B.

4. Производят выбор транзисторов.

Для установки в схему выбирают транзистор типа П210В со следующими основными параметрами:

Максимально допустимый ток коллектора Iк макс. доп. = 12 А.

Максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер Uкэ макс. доп. = 40 В.

Коэффициент усиления β ≥ 10.

Тепловой ток коллектора Iк 0 ≤ 15 мА (200 С).

5. Определяют параметры входной цепи каскада:

а) амплитуда входного тока транзисторов

б) амплитуда входного напряжения, соответствующего Iбm, определяется по входной характеристике транзистора (если входная характеристика отсутствует, приближенно полагают Uэб m = 0.5 В для германиевого транзистора)

Uэб m = 0.5 В;

в) мощность входного сигнала усилителя

Рвх =

6. Определяют коэффициент усиления каскада по мощности

КР =

 

Транзисторный усилитель, работающий в режиме переключения.Схема усилителя, работающего в режиме переключения, показана на рис. 27.

Задача расчета: определить номинальные значения сопротивлений всех резисторов, входящих в схему (R1, R2, R3); определить нагрузки на полупроводниковые приборы; сделать выбор полупроводниковых приборов; определить входную мощность Рвх и коэффициент усиления усилителя по мощности КР .

В качестве исходных данных для расчета задаются параметры нагрузки, характер нагрузки (активная либо активно – индуктивная), напряжение источников питания Ек и смещения Есм.

В качестве исходных данных для примера расчета приняты следующие параметры:

Рн = 50 Вт;

Ек = – 24 В;

Есм = + 6 В.

Нагрузка активно – индуктивная.

Порядок расчета

1. Определяют параметры нагрузки:

а) ток нагрузки

б) сопротивление нагрузки

2. Расчет параметров и выбор выходного транзистора VТ2

а) определяют коллекторный ток транзистора VТ2 в режиме насыщения

Iк2 нас = Iн = 2.08 A;

б) определяют напряжение на транзисторе VТ2 в закрытом состоянии

Uкэ2 макс = Ек = 24 В;

в) для установки в схему выбран транзистор типа П213 со следующими параметрами:

Максимально допустимый ток коллектора

Iк макс доп. = 5 А.

Максимально допустимое напряжение эмиттер – коллектор

U кэ макс доп. = 45 В.

Тепловой ток коллектора

Iк 0 (200 С) = 15 мА.

Коэффициент усиления по току

β = 20 50.

3. Расчет цепи насыщения транзистора VТ2:

а) определяют величину тока базы транзистора VТ2 в режиме насыщения

Iб2 нас =

где Кнас – коэффициент насыщения, принимается равным 1.4 1.6;

б) определяют полное сопротивление цепи насыщения, состоящее из суммы сопротивлений R1 и R2 резисторов R1 и R2

Rнас = R1 + R2 =

где Uэб2 нас – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VТ2 в режиме насыщения. Определяется по входной характеристике транзистора. При отсутствии справочных данных можно приблизительно полагать Uэб нас ≈ 0.5 В – для германиевых транзисторов и Uэб нас ≈ 1 В – для кремниевых;

в) определяют сопротивления R1 и R2 резисторов R1 и R2, полагая, что R1 = 0.8Rнас;

R2 = 0.2Rнас:

R1 = 0.8Rнас = 0.8 ∙ 151 = 121 Ом, принимают R1=120 Ом;

R2 = 0.2Rнас = 0.2 ∙ 151 = 30 Ом, принимают R2=30 Ом

4. Расчет параметров и выбор управляющего транзистора VТ1:

а) определяют максимальный коллекторный ток транзистора (в состоянии насыщения)

Iк1 нас =

б) определяют максимальное напряжение на коллекторе транзистора VТ1 (в состоянии отсечки)

Uкэ1 отс. ≈ Ек

в) для установки в схему выбирают транзистор типа МП – 25А со следующими основными параметрами.

Максимально допустимый ток коллектора Iк макс доп = 400 мА.

Максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер Uкэ макс доп = 40 В.

Остаточное падение напряжения на открытом транзисторе ∆Uкэ нас В.

Коэффициент усиления β = 20

5. Расчет цепи запирания транзистора VТ2:

а) задаются величиной запирающего напряжения на базе транзистора VТ2

Uзап 2 = 0.2 В;

б) определяют величину падения напряжения на резисторе R2, необходимого для запирания транзистора VТ2,

U = Uзап2 + ΔUкэ1 нас = 0.2 + 1 = 1.2 В;

в) определяют величину тока, проходящего через резистор R2, когда транзистор VТ2 находится в состоянии отсечки,

I =

г) проверяют условие I < Iк1 нас :

0.04 < 0.2;

д) определяют величину тока, протекающего через резистор R3, когда транзистор VТ2 находится в состоянии отсечки,

I = I + I0к2= 40 + 15 = 65 мА;

е) определяют падение напряжения на резисторе R3

U = Eсм – Uзап2 = 6 – 0.2 = 5.8 В;

ж) определяют сопротивление R3 резистора R3

R3 = , принимают R3=91 Ом

6. Расчет параметров входного сигнала:

а) определяют входной ток, необходимый для перевода транзистора VТ1 в режим насыщения,

Iвх = Iб1 нас =

б) определяют напряжение входного сигнала по входной характеристике транзистора VТ1 (при отсутствии справочных данных принимают приближенно Uвх ≈ 0.5В)

Uвх ≈ 0.5 В;

в) определяют мощность входного сигнала

Рвх = Uвх Iвх = 0.5 ∙ 0.015 = 0.0075 Вт;

г) определяют коэффициент усиления каскада по мощности

КР =

7. Расчет параметров диода VD3.

Диод VD3 вводится в схему лишь в том случае, если нагрузка имеет активно – индуктивный характер (обмотка реле и т.п.), и служит для замыкания тока самоиндукции силового транзистора. В противном случае э.д.с. самоиндукции неизбежно вызывает пробой транзистора, что приводит к выходу его из строя.

Расчет параметров и выбор диода VD3 производится в следующем порядке:

а) определяют максимальное напряжение на диоде VD3

Ua3 макс = Eк = 24 B;

б) определяют максимальную величину тока диода VD3

Ia3 макс = Iн макс = 2.08 А;

в) для установки в схему выбран диод типа Д303 со следующими основными параметрами.

- Максимально допустимый выпрямленный ток (среднее значение)

Iа макс доп. = 3.0 А.

- Максимально допустимое обратное напряжение

Uобр макс (200 С) = 150 В.

 

Эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель (ЭП) (рис.28) широко используется для согласования низкоомной нагрузки с высокоомным выходным сопротивлением предшествующего транзисторного каскада или любого другого высокоомного источника сигнала.

В качестве примера показан расчет эмиттерного повторителя, согласующего каскад предварительного усиления с однотактным усилителем мощности, работающим в режиме А производят по следующим исходным данным:

Rн=22,25 Ом;

Uвых=0,09 В;

fн-fв=250-5000 Гц;

Мн=Мв=1,18;

Ек=16 В;

tоокр= +40 оС.

Выходное сопротивление предыдущего каскада Rвых1 =0,5 кОм.

Порядок расчета

1. Производим выбор режима работы транзистора по постоянному току.

,

где UКЭмин =1В – падение напряжение на переходе коллектор – эмиттер кремниевого транзистора.

Целесообразно принять напряжение Uкэп=-5 В (так как в справочниках обычно приводится входная характеристика именно при таком напряжении). Определяют амплитуду тока эмиттера, полагая Rэ>>Rн.

.

Постоянная составляющая тока эмиттера с учетом коэффициента запаса kз .

Полагая , находим мощность, рассеиваемую коллектором транзистора .

Выбирают маломощный низкочастотный транзистор МП40А:

РК макс tот =150 мВт;

tот = +20°С;

h21Э=3;

UКЭ макс=30 В.

При расчете ЭП используются статические характеристики транзистора с ОЭ (рис. 29, а, б).

Постоянная составляющая тока коллектора

IКП = IЭП h21Э /(h21Э +1) = 6·30/31= 5,8 мА.

Постоянная составляющая тока базы . На рис. 29, а и б отмечают положение точки покоя П и определяют постоянную составляющую напряжения на базе транзистора и входное сопротивление транзистора .

2. Производят расчет элементов схемы, определяющих режим транзистора по постоянному току.

Сопротивление резистора в цепи эмиттера

, принимают RЭ=1,8 кОм.

Определяют сопротивление резистора в цепи базы:

, принимают Rб=24 кОм.

3. Входное и выходное сопротивления схемы

;

.

 

4. Определяют разделительные емкости, распределив частотные искажения в области нижних частот следующим образом: МСр2 =1,13, МСр1=1,05 (чтобы МСр2 ·МСр2=1.18). Если частотные искажения разделить поровну, то емкость Ср2 окажется значительно больше емкости Ср1. Таким образом:

 
 

,

принимают Ср2=30 мкФ;

,

принимают Ср1=30 мкФ;

5. Входное напряжение

,

откуда . Так как , то это определяет значение выходного напряжения предыдущего каскада.

6. Если в ЭП используется делитель напряжения, составленный из резисторов Rб и R1, то их сопротивления рассчитываются по методике, изложенной выше.

На рис. 28 резистор R1 показан штриховым контуром. При наличии делителя ЭП будет иметь лучшую температурную стабильность, однако при этом несколько уменьшается входное сопротивление и увеличивается расход энергии.

Если в исходных данных не задано напряжение источника питания, то принимают RЭ=(3÷5)Rн и определяют Ек = |Uкэп| + IэпRЭ..

Мультивибраторы. Наиболее распространенная схема мультивибратора на транзисторах р-n-р типа показана на рис. 30, а на рис. 31 приведены временные диаграммы напряжений для случая несимметричной схемы. Выходными напряжениями мультивибратора являются uк.э1 и uк.э2, однако в отдельных случаях могут использоваться и напряжения uб.э1 и uб.э2.

Методика расчета рассмотрена на примере, когда требуется рассчитать элементы схемы несимметричного мультивибратора, у которого выходным является напряжение, снимаемое с коллектора транзистора VТ1. Исходные данные: амплитуда положительного импульса λ1и =12 В, длительность tи1 = 10 мкс, длительность фронта tф1 ≤ 1,0 мкс, длительность среза tс1 ≤ 2 мкс, период следования Т = 40 мкс, сопротивление нагрузки Rн = 2 кОм, максимальная температура окружающей среды tоокр = +40°С.


Порядок расчета:

1. Выбор типа транзистора. Транзистор выбирается по предельной частоте fh21б, максимально допустимому напряжению UКБмакс и статическому коэффициенту передачи по току h21Э.

Так как скважность определяется выражением , то транзистор должен иметь коэффициент передачи по току

.

Необходимое значение предельной частоты выбираемого транзистора fh21б находится из следующих соображений. Малое значение длительности фронта импульса tф2 ≈ τ/α ≈ τα + RкCк получится в том случае, если постоянная времени заряда емкости С1 отвечает условию RкC1 ≥ (5÷10)τ/α . Обычно τ/α>>RкCк, и поэтому можно принять RкC1≈ 10 τα.

Так как , то ,

где Кнас - коэффициент насыщения.

Но tи1≈ 0,7 RбC1 и поэтому

.

Используя выражение для h21Э, после преобразований получают

.

В примере скважность импульса Q = T/tи = 40/10 = 4 и требуемое значение

Необходимое напряжение источника питания ЕК = (1,1÷1,2)UК1и = (1,1÷1,2)12 = (13,2÷14,4) В. Принимают ЕК = 14 В. Тогда UКБмакс ≥ 2ЕК = 2∙14 = 28 В. Коэффициент насыщения Кнас в мультивибраторе выбирают в пределах 2—3. Меньшее значение брать нежелательно, так как увеличивается длительность фронта импульса, при большом значении сильно возрастает длительность импульса за счет времени рассасывания. Таким образом, коэффициент передачи тока .

По рассчитанным параметрам выбирают транзистор МП20А:

UКБмакс = 30В,

IКи=300 мА,

IКБО=50 мкА,

fh21б=2,0МГц,

h21Э=50÷150,

tок.макс = +85°С.

 

2. Сопротивление резистора Rк

.

Ток коллектора насыщения IКнас определяется с учетом температуры окружающей среды по выражению

;

.

Минимально допустимое значение выбирать не следует, так как при этом будет неэкономичным режим работы мультивибратора. С другой стороны, при малом сопротивлении резистора Rк уменьшается длительность среза импульса и увеличивается нагрузочная способность схемы. Поэтому на данном этапе расчет Rк можно выбирать из условия Rк=(0,1÷0,15)Rн и после расчета емкостей конденсаторов С1 и С2 произвести проверку - удовлетворяется ли заданное значение tс1. Так как Rн=2 кОм, то Rк=(0,1÷0,15)2·103= 200÷300 Ом. Принимают Rн =270 Ом.

3. Сопротивление резистора Rб определяется из условия режима насыщения открытого транзистора. Поэтому

, принимают Rб=6,8 кОм.

4. Проверяют выполнение условия температурной стабильности схемы.

На основании полученного неравенства можно не учитывать влияния обратного тока коллектора на длительность и период следования импульса.

5. Вычисляют емкости конденсаторов С1 и С2. Так как с учетом п.4 tи1≈0,7 RбС1 и tи2≈0,7 RбС2 , то

Требуемая емкость С1 конденсатора С1 получается при параллельном соединении емкостей 2000 и 100 пФ, а конденсатора С2 - 6200 и 100 пФ.

6. Проверяют длительности фронта и среза импульса tф1 и tс1, tф2 и tс2:

Таким образом, полученные значения tф1 и tс1 не превышают заданных.

Ждущий мультивибратор. Наибольшее распространение имеет ждущий мультивибратор с эмиттерной связью (рис. 32), временные диаграммы напряжения которого показаны на рис. 33.

Выходные импульсы снимаются с коллектора транзистора VТ2. Они имеют отрицательную полярность и лучшую форму по сравнению с импульсами на коллекторе транзистора VТ1.

Расчет ждущего мультивибратора производится для следующих исходных данных:

амплитуда выходных импульсов UКи = 9 В;

длительность импульса tи = 20 мкс;

период следования импульсов Т=120 мкс;

максимальная температура окружающей среды tоокр= +40°С.

Порядок расчета:

1. Выбор транзистора определяется теми же параметрами, что и в мультивибраторе. Предельная частота . Так как , то

.

Напряжение источника питания ЕК=1,1(UКи+U/1), где U/1 - напряжение на резисторе R1 до додачи входных импульсов.

Обычно принимают U/1 ≈ (0,2÷0,3) ЕК. Поэтому выбирают U/1 ≈ 0,25ЕК, и тогда ЕК≈1,5UКи = 1,5·9=13,5 В. Принимают ЕК=14,5 В.

Следовательно, UКБмакс=2ЕК=2·14,5=29 В. Требуемый коэффициент передачи по току

.

В ждущих мультивибраторах Кнас≈1,2÷1,4. Тогда . По рассчитанным параметрам подходит транзистор МП20А, который был использован в расчете мультивибратора.

2. Рассчитывают сопротивления резисторов Rк2 и R1. Определяют допустимый ток коллектора транзисторов VТ2 в режиме насыщения при заданной температуре tоокр= +40°С:

.

 
 

Тогда

.

Принимают Rк2= 270Ом.

Вычисляют R3 по формуле

, принимают R3=82 Ом

3. Сопротивление резистора Rк1=(2÷3)Rк2=(2÷3)270=(540÷810) Ом, принимают Rб=750 Ом.

4. Сопротивление R1 резистора R1 определяют из неравенства

, принимают R1=18 кОм.

Сопротивление резистора

, принимают R2=5,6 кОм.

5. Сопротивление Rб2 резистора Rб2

, принимают Rб2=10 кОм.

 

Проверяют влияние обратного тока коллектора на длительность импульса:

.

Таким образом, влияние будет незначительным.

6. Емкость конденсатора С

,

принимают С=750 nФ.

 

7, Проверяют длительности фронта и среза импульса. Длительности tф≈tс≈3τα=3 . При таких значениях tф и tс форма импульса будет вполне удовлетворительной.

8. Время восстановления, т. е. время заряда емкости С после окончания обратного переброса

.

Проверяют, успевает ли зарядиться емкость С до прихода следующего импульса tп=Т-tи=120-20=100 мкс. Следовательно, tв<<tи схема будет успевать возвращаться в исходное состояние задолго до прихода следующего импульса. Поэтому можно несколько увеличить сопротивления резисторов Rк1 и Rк2 с тем, чтобы облегчить режимы работы транзисторов.

9. Выбор сопротивления резистора R, емкости конденсатора Ср и диода VD.

Сопротивление резистора выбирается из условия R≥(5÷6)Rк1. Такой выбор обеспечивает малое влияние этого резистора на процесс переброса схемы. Следовательно,

R≥(5÷6)·750=3,75÷4,5 кОм, принимают R=4,3 кОм.

Емкость Ср должна за промежуток времени между входными импульсами успевать разрядиться. Поэтому постоянная разряда этой емкости должна быть в несколько раз меньше периода следования импульсов. Обычно принимают

.

В этом выражении Rи - сопротивление источника сигнала. Если оно заранее неизвестно, то его можно принять равным 1 кОм, а при настройке схемы уточнить и внести поправку на значение Ср:

,

принимают Ср=4300 nФ.

Диод выбирается по значению допустимого обратного напряжения. В данном случае подходят диоды Д9В, Д9Г, Д9Д, Д9И и Д9К, у которых максимальное обратное напряжение Uобр.макс =30В>2Ек.

Автоколебательный блокинг-генератор (БГ)(рис. 34). Исходные данные:

амплитуда выходных импульсов Uвых.и=8 В;

длительность импульса tи=12 мкс;

период следования импульсов Т=400 мкс;

длительности фронта и среза импульса tф.а»tс.а≤1,2 мкс;

сопротивление нагрузки Rн=1000 Ом;

емкость нагрузки Сн=100 nФ;

максимальная температура окружающей среды tоокр=40оС.

 
 

1. Выбор типа транзистора является наиболее сложной задачей при расчете БГ. Это обусловлено тем, что длительность импульса зависит от постоянной времени накопления τн, значение которой в справочных данных не указывается, а у конкретного экземпляра транзистора ее можно приближенно определить лишь экспериментальным путем. Кроме того, сложная связь tи со многими параметрами схемы не позволяет использовать общее уравнение, а аналитические зависимости получены только для частных случаев: 3τн<tи<τс; tи>3τн; tи>τс и tи<<τL; τн>>τс, tи<<τL. В этих неравенствах: τс=RвхС - постоянная времени заряда емкости С (Rвх - входное сопротивление транзистора схемы с ОЭ при большом сигнале, практически равное объемному сопротивлению базы r/б); - постоянная времени индуктивности намагничивания Lμ, ; в расчете будет рассмотрен первый случай. Методика расчета других случаев аналогична.

Транзистор выбирается по двум параметрам: по предельной частоте fh21Б или по граничной частоте fт и по допустимому напряжению UКБмакс. Рассмотрим выбор транзистора по допустимому напряжению:

,

где - коэффициент трансформации импульсного трансформатора (ИТ).

Выбирают nн≈1. При выборе необходимо учитывать, что большие значения nн вызывают увеличение коллекторного тока, а малые - увеличение напряжения Ек, и, следовательно, UКБмакс. Можно рекомендовать 0,5≤nн≤3.

Таким образом, Ек≈1,2∙8/1=9,6 В. Принимают ЕК=10 В и поэтому UКБмакс≥20 В. Выбор по частоте производится на основании следующих соображений. При формировании относительно длинных импульсов при tф≥0,5 мкс необходимо выбирать низкочастотные транзисторы, для которых τн≈(0,5÷1,0)τβ. Поэтому, полагая tи>3τн и tф≤0,1tи, находим:

.

Для генерирования коротких импульсов (tф≤0,5 мкс и tи≤5 мкс) требуется применять высокочастотные транзисторы. В этом случае τн≈(2÷7)τβ и . Таким образом, требуемое значение

.

По рассчитанным значениям UКБмакс и fh21Б выбирают транзистор МП41, у которого UКБмакс=-20 В, UЭБмакс≈6 В, IКБО =15 мкА, Iкмакс=150 мА, fh21Б=l МГц, СК=60 nФ, r/б=220 Ом.

2. Выбор коэффициента трансформации n. Определяют оптимальное значение

,

 

где ,

С0 ≈ С/н + С/п.

Учет паразитной емкости С/п весьма сложен. Поэтому при расчете можно ориентировочно принять С0 ≈ 2С/н ≈2nнСн=2∙1∙100×10-12=200 nФ. Следовательно,

.

Поскольку зависимость выходных параметров БГ от значения nопт не резко выраженная, то с конструктивной точки зрения удобно принять n≈0,5.

3. Емкость С выбирается по условию

.

Принимают С=0,06 мкФ (C=C1+C2=0,05+0,01). Влияние емкости С не будет сказываться на длительности фронта импульса, если ее минимальное значение выбирать по условию

,

где ;

;

;

;

;

Таким образом: .

4. Постоянная времени заряда конденсатора

.

5. Индуктивность намагничивания Lμ≈L1 и отсюда:

,

где

.

Для выбранного транзистора принимают:

;

;

.

6. Максимальное значение коллекторного тока

меньше допустимого значения (150 мА). Если бы оказалось, что рассчитанное значение коллекторного тока больше допустимого, то и необходимо в цепь базы включить дополнительный резистор Rд≈2r/б (рис. 34) и сделать новый расчет, заменяя во всех формулах Rвх на R=r/б +Rд. Большим Rд выбирать нецелесообразно, так как при этом сильно увеличивается длительность фронта импульса.

Рассчитанное значение индуктивности Lμ должно отвечать условию

.

Так как это условие выполняется, то Lμ не будет влиять на длительность фронта импульса.

7. Длительность фронта импульса

,

где ;

;

;

.

Полученные значения tф и tс удовлетворяют заданным условиям.

8. Спад напряжения на конденсаторе, возникающий из-за его разряда обратным током базы

.

9. Сопротивление резистора

,

где ; ;

.

Таким образом ,принимают Rб=27 кОм.

 

10. Проверяют нестабильность периода колебаний при изменении температуры:

.

Так как ,

то .

Следовательно, .

Относительная нестабильность периода , т. е. составляет 8,3%. Такая нестабильность вполне удовлетворительна. В тех случаях, когда нестабильность периода получается слишком большой (либо больше заданной, либо больше 15÷20%), то надо уменьшить сопротивление резистора Rб и увеличить емкость конденсатора С, а затем сделать пересчет величин, зависящих от τс.

11. Обратный выброс напряжения:

,

где ;

.

Полученное значение амплитуды выброса ΔUК недопустимо ни для коллекторной, ни для базовой цепей. Поэтому в первичную цепь трансформатора необходимо включить цепочку Rш, VD (показана на рис. 34 штриховой линией) с тем, чтобы уменьшить амплитуду выброса.

Определим допустимое значение выброса:

или

;

поэтому необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление не превышало

.

Так как R/н>>Rэ.треб и R/б>>Rэ.треб, то принимают Rш+Rд.пр=36 Ом (Rд.пр - прямое сопротивление диода). Выбирают диод, у которого допустимый ток

.

Этому значению прямого тока отвечает диод Д9Г, у которого Iп.макс=80 мА при toокр=+60°С и Uобр=20 В> . Rд.пр≈16 Ом и поэтому принимают Rш=18 Ом.

Ждущий БГ(рис. 35). Расчет параметров схем определяющих длительность импульса и его форму, выполняется так же, как и в автоколебательном БГ.

В ждущем БГ иначе определяется сопротивление резистора Rб. Если заданы длительность импульса tи и период следования входных импульсов Твх, то время восстановления tвосст=Tвх-tи.

Сопротивления резистора Rб находится из условия

.

Напряжение , а емкость .


Рассмотрим пример расчета. Исходные данные tи=10 мкс, Твх=300 мкс, транзистор МП41, у которого IKБОмакс=60 мкА при tоокр=+40°С, емкость С=0,06 мкФ, tвосст=300-10=290 мкс.

, принимают Rб=1,3 к0м.

, принимают Еб=0,5 В.

Амплитуда пусковых импульсов

, принимают Uп≈0,6 B.

Несимметричный триггер или триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта) широко применяется для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольные импульсы и в качестве дискриминатора (различителя) амплитуд или сравнивающего устройства.

Схема триггера представлена на рис. 36.

Исходные данные:

амплитуда положительных импульсов Uвых.и=14 В;

частота входного гармонического напряжения fвых=800 кГц;

длительность фронта и среза выходных импульсов tф≈tс≤0,3 мкс;

 
 

максимальная температура окружающей среды tоокр=+50°С.

Порядок расчета:

1. Выбор транзистора производится по UКБмакс и fh21б. Напряжение источника питания ЕК=(1,1÷1,2)Uвых.и+U1макс, где Uмакс – максимальное напряжение на резисторе R3. Обычно U1макс≈1,5÷3,0В. Выбирают U1макс=2 В и находим ЕК=1,2·14+2=18,8 В. Принимают ЕК=19 В. Следовательно, UКБмакс≥2ЕК=38 В.

Предельная частота fh21б≥fвх/0,7=800/1,7=1,14 МГц; по этим данным выбирают транзистор МП21В, у которого fh21б=1,5 МГц; h21Э=20÷100; UКБмакс=40 В; IКБО=50 мкА; IК макс=50 мА.

2. Находим сопротивления резисторов Rк1, Rк2, R3. Максимально допустимый ток коллектора транзистора VТ2 при tоокр=+50°С.

;

,принимают Rк2=390 Ом.

 

Сопротивление резистора Rк1 выбирается из условия: Rк1=(2÷4)Rк2=(2÷4)·390=780÷1560 Ом, принимают Rк1=1 кОм.

Сопротивление ,принимают R3=56 Ом

 

3. Выбирают сопротивления Rб и Rк.б резисторов Rб и Rк.б:

где ,