Файл: Проектирование усилителяфотоприёмника воспи.docx

Рис. 2. Схема транзисторной части усилителя по постоянному току.
В связи с тем, что конденсаторы не пропускают постоянный ток, рис. 2 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы:

фрагмент с фотодиодом, c полевым транзистором, с биполярными транзисторами.

3.1. Предварительный расчет резисторов по постоянному току

1. 
   Предварительный расчёт резисторов диода V1
   

Параметры фотодиода V1-ФД-252-01А:

- рабочее напряжение U_раб = 5 В;

- емкость фотодиода С_д = 1 Пф;

- темновой ток I_тем = 5 нА;

- амплитуда фототока I_m1 = 1 мкА.

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольтамперная характеристика приведены на рис.3. Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода.

На рис. 3, б показана также нагрузочная линия ФД по постоянному току. При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток. Он практически не создаёт падения напряжения на резисторах R1, R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается всё запирающее напряжение питания Е0.

При заданном уровне фототока исходная рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в точку А. Сопротивление фотодиода постоянному току в этой точке с координатами (I1, Uак) определяется по формуле: и составляет несколько мегаом.


Рис. 3. Принципиальная схема цепей питания фотодиода а) и его типовая вольтамперная характеристика б)

Выберем напряжение анод-катод фотодиода Uак: .5

Из рис. 3 I1=1.1 мкА, поэтому

Тогда на резисторах (R1+R2) должно быть падение напряжения, равное:

Eо – Uак = 12 – 2.5 = 9.5 В.

Задав напряжение на аноде: Uа = 0,1*Eо = 1.2 В

определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде:

Uк = Uа + Uак =1.2+ 2.5 = 3.7 В

Теперь, зная фототок, вычисляем сопротивления резисторов R1 и R2:

---

;

.

Табл.5
В соответствии с номинальным рядом: ,

.

2. 
   Предварительный расчёт по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2
   

Каждый транзистор КП310А имеет свои справочные данные:

ток стока начальный – Iс нач = 5 мА;

максимальная крутизна – Sмакс = 6 мА/В;

напряжение отсечки – U отс = -6.0 В.

Другие показатели:

ёмкость затвор-исток – Cзи = 2.5 пФ,

ёмкость проходная – Сзс = 0.5 пФ;

ток утечки затвора – I_УТ.З=1 нА;

сопротивление затвор – исток rзи = U_ЗИ/I_УТ.З = 2000 Мом.
Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис.4. Необходимо для заданного типа полевого транзистора вычертить свою вольтамперную характеристику, используя известные соотношение: (рис.4, б).


а) б)

Рис. 4. Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 а) и типовая вольтамперная характеристика полевого транзистора с n-каналом б)
Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: начального тока стока Ic нач, максимальной крутизны Smax и напряжения отсечки Uотс.

Выбираем напряжение затвор-исток Uзи = -2 В.

Затем определяем ток покоя стока и крутизну:





Как правило, выбирают напряжение на истоке: Uи = 0.2*Eo = 0.2*12= 2.4 В,

а напряжение сток- исток: Uси = E0/2 = 6 В.

Тогда напряжение на стоке равно: Uc = Uи + Uси = 2.4 + 6 = 8.4 В.

Отсюда сопротивления в цепи истока и стока:





По номинальному ряду: ,

---

Напряжение на затворе Uз равно: Uз = Uи + Uзи = 2.4 – 2 = 0.4 В

Рассчитаем сопротивление R4, исходя из заданной верхней частоты fв . Так как частота верхнего среза входной цепи fвх должна быть больше fв , а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью С = Сд+Свх+См, где Сд – проходная емкость диода, равная 1 пФ,

Свх – входная емкость транзистора V2,

См– емкость монтажа, равная 1 пФ.

,

Следовательно:



То можно заключить, что необходимо взять:



По номинальному ряду: R4= 510 Ом 5%

После этого определяем ток делителя и сопротивление резистора:





В соответствии с номинальным рядом выбираем R3 = 15 кОм 10%
Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютера
Правильность расчетов сопротивлений после их выбора по номинальному ряду в соответствии с табл. 5 удобно проверить с помощью компьютера [5, 6]. Составим эквивалентную схему каскада на полевом транзисторе (рис. 5, а) и с помощью программы FASTMEAN произведем расчет.

Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, в порядке соединения элементов в программе. При расчете используются сопротивления резисторов принципиальной схемы (из рис. 1), выбранные из номинального ряда. Для этого принципиальную схему каскада на транзисторе V2 (рис. 4, а) преобразуем в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя полевой транзистор активными четырехполюсниками типа ИТУТ и ИНУН (рис. 5, а).

Здесь NLR1 – нелинейное сопротивление, с помощью которого задается сквозная вольтамперная характеристика полевого транзистора конкретной модели – зависимость выходного тока Iс транзистора от управляющего входного напряжения UЗИ. Положительному выводу нелинейного резистора должен соответствовать больший номер узла схемы.

---

Чтобы построить ВАХ, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши по элементу и в открывшемся диалоговом меню выбрать пункт «Параметры», далее нажать на кнопку «Задать вольт-амперную характеристику» (рис. 5, б). В новом окне удалить имеющиеся точки, заданные программой по умолчанию, нажав на клавишу «удалить». В ячейках «u, В» и «i, А» ввести данные для начальной точки с координатами (0; Iс нач) и нажать кнопку «Добавить». Последующие точки вплоть до значения Uзи = Uотс вольтамперной характеристики рассчитать с помощью уравнения

,

изменяя значения Uзи от 0 до значения Uзи = Uотс. График строится на основе 7 – 15 точек, в зависимости от протяженности ВАХ конкретного транзистора. Порядок величины тока указывать можно с использованием сокращенного обозначения десятичной приставки (мили – м или m, микро – мк или u).

Вследствие несовпадения направления постоянного тока стока в реальном транзисторе и в компьютерной модели (рис. 5, а) коэффициенту передачи тока ИТУТ необходимо присвоить знак минус. 18

Схема (рис. 5, а) строится с номинальными сопротивлениями резисторов R3, R4, R5 и R6, Е0 – напряжение питания в соответствии с вариантом, полевой транзистор представлен в виде эквивалентной модели по постоянному току, выделенной контуром зеленого цвета.



Рис. 5. (а) Эквивалентная схема усилительного каскада на V2 по постоянному току и (б) Вольтамперная характеристика нелинейного резистора (в) Результаты анализа по постоянному току

Табл. 6. Результаты компьютерного анализа по постоянному току

Токи и напряжения	UЗИ	UСИ	IД2	IС
Единицы измерения	В	В	мА	мА
Расчет предварительный	-2	6	0.784	2.2
Результат компьютерного анализа	0.395-2.41= -2.015	8.5 – 2.41= 6.09	0.774	2.19

---

Вывод: Результаты компьютерного анализа и предварительных расчетов сошлись, так как расхождение предварительных результатов и результатов компьютерного анализа не превышает разрешённых 10%.

3. 
   Расчет по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3, V4
   

Биполярные транзисторы КТ382А имеют следующие параметры:

- транзистор биполярный кремниевый;

- U_БЭ=0.6 В;

- коэффициент усиления по току минимальный h_{21 min} = 40;

- коэффициент усиления по току максимальный h_21max = 330;

- частота единичного усиления fт = 1800 МГц;

- максимальный постоянный ток коллектора Iк max = 20 мА;

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер uкэ max = 15 В;

- постоянная времени цепи обратной связи τ_к = 15 пс;

- ёмкость коллекторного перехода Ск = 2 пФ;

- допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе Р_{К ДОП} = 100 мВт.


Рис. 6. Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току

Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.

Выбираем ток покоя I_К4 транзистора V4 из следующих соображений. Биполярный транзистор как управляемый генератор тока ИТУТ, должен отдавать в нагрузку заданный ток. Если сопротивление внешней нагрузки

R_2Н = 3 кОм было бы подключено непосредственно к выходу каскада на транзисторе V4, то величина отдаваемого в нагрузку тока I_2Н = U_2Н/R_2Н составляла бы единицы мА. Следовательно, в таком случае постоянная составляющего тока I_К4 должна превышать значение переменного тока I_2Н, иначе весь сигнальный ток уйдет в нагрузку и транзистор войдет в режим отсечки коллекторного тока, что недопустимо. Поэтому в этом случае следовало бы выбирать ток I_К4 = I_2Н + (0,5…1) мА ≤ 6мА.

Такой выбор позволил бы не перегружать источник питания излишней потребляемой мощностью для работы каскада

---