ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 242
Скачиваний: 10
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, уменьшает рассеиваемую в окружающую среду тепловую энергию, обеспечивать более линейный и надежный режим работы схемы.
Но при использовании дополнительного каскада на ОУ транзистор V4 должен отдать ток, немного превышающий входной ток ОУ – в нашем случае от единиц пикоампер до десятков микроампер. Это обусловлено тем, что на входе используемых ОУ стоит дифференциальный каскад на полевых транзисторах или на составных биполярных транзисторах (схема Дарлингтона) в режиме микротоков.
В режиме микротоков (IК меньше 100мкА) параметры дискретного биполярного транзистора (транзистора, выполненного в отдельном корпусе) деградируют. Поэтому целесообразно выбирать ток IК4 = (0.25…1.5) мА. Такой выбор способствует уменьшению рассеиваемой кристаллом транзистора мощности и, следовательно, увеличению срока службы и надежности полупроводникового прибора.
Каскад на транзисторе V3 должен отдать в свою нагрузку – базовую цепь транзистора V4, постоянный и переменный ток IБ4, поэтому можно выбрать постоянный коллекторный ток IК3 ≤ IК4 = (0.25…0.5)мА.
Поэтому возьмём IК4 = 1.5 мА; IК3 = 1 мА.
Установим напряжение коллектор-эмиттер V4:
и выберем напряжение на эмиттере:
Можно определить напряжение:
Напряжение на базе V3:
.
Напряжение на коллекторе V4:
.
Для вычисления токов базы IБ3 и IБ4 и дальнейших расчетов коэффициенты передачи по току h21,3 и h21,4 определим с учетом их
крайних значений:
Тогда
;
;
В ряде случаев при больших h21 принимают равными IЭ3
IК3, I Э4 IК4.
Теперь можно вычислить сопротивления резисторов R9, R10 и R11:
,
,
,
Для вычисления сопротивлений R7 и R8 нужно знать ток делителя IД3. Обычно его выбирают IД3 ≥ 10IБ3.
Следовательно, IД3 = 87 мкА.
Сопротивления резисторов:
В соответствии с номинальным рядом получаем:
R7 = 100 КОм
, R8 =27 КОм , R9 = 1.8 кОм
,
R10 = 3.3 кОм , R11 = 0.82 кОм .
Правильность расчетов сопротивлений после их выбора по номинальному ряду удобно проверить с помощью компьютера [5,6,7]. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 6) преобразуем в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.6), где H11-входное сопротивление биполярного транзистора на постоянном то
Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели (рис.7, б) коэффициенту передачи тока h21 необходимо присвоить знак минус (например h21=-100).
а) б)
Рис. 7. Определение входного сопротивления а) и эквивалентная схема биполярного транзистора б) по постоянному току
Составим эквивалентную схему усилителя на биполярных транзисторах (рис.8) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R12 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 H
11,3 и H11 ,4 по постоянному току (рис. 7). Их величины:
,
.
Рис. 8. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току
Табл.7 Результаты компьютерного анализа по постоянному току
Рис. 8.1. Результаты анализа по постоянному току
Вывод: Результаты компьютерного анализа и предварительных расчетов сошлись, так как расхождение предварительных результатов и результатов компьютерного анализа не превышает разрешённых 10%.
Этот расчёт сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны, они должны обеспечить «среднюю точку» напряжения питания Е0/2 на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого рекомендуется выбирать:
R12 = R13 = (5…20)*R10 = 10*3200 = 32 кОм.
По номинальному ряду получаем R12 = R13 = 33 кОм ± 10%
Прежде всего, следует рассчитать коэффициент межкаскадных потерь между каскадами на транзисторах V2 и V3. Эквивалентная схема по сигналу этой части схемы приведена на рис. 9. Здесь Ic является эквивалентом генератора тока ИТУН полевого транзистора V2.
Рис. 9. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь
Сопротивление R5 характеризует внутренние потери генератора тока ИТУН на транзисторе V2. Резисторы R5, R7 и входное сопротивление h11 каскада на V3 являются нагрузкой каскада на V2. После упрощения схемы легко определить коэффициент межкаскадных потерь KI по току – рис. 10.
Рис. 10. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь по току
На рис. 10 R5 обозначен, как Rc, а параллельное включение сопротивлений R5, R7 и входного сопротивления h11_ОК – как Rн. Для нахождения межкаскадных потерь по напряжению KU схему на рис. 10 следует преобразовать, заменив управляемый генератор тока Ic на эквивалентный ему управляемый генератор напряжения Uc = Ic
Rc – рис. 11.
Рис. 11. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь по напряжению
Из схемы рис. 11 следует, что для уменьшения межкаскадных потерь по напряжению при заданном RC необходимо увеличивать Rн, т.е. уменьшать базовый ток IБ3.
Расчет схемы по сигналу также проведем при помощи программы FASTMEAN. Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.
Учитывая, что сопротивление источника питания Е0 переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1, V2, V3, V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе.
Источником сигнала является фототок Im1 диода V1 при попадании на него оптического излучения. Сопротивление фотодиода на переменном токе r
Д определяется касательной к вольтамперной характеристике в рабочей точке А.
Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току rД=∆u/∆i оказывается, значительно больше, чем сопротивление постоянному току RД, и rД достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока.
Чрезвычайно большое сопротивление rД учитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается учесть лишь ёмкость фотодиода СД (рис. 12, а). На рис. 12, б изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепе питания.
а) б)
Рис. 12. а) Модель фотодиода на переменном токе б) эквивалентная схема входной цепи
На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН—источник тока, управляемый напряжением (рис. 13, а). Это значит, что выходной ток (ток стока iC) управляется входным напряжением (затвор-исток uЗИ), т.е.
.
В данной модели Cзи - емкость затвор-исток транзистора, пФ, Сзс -проходная емкость, емкость перехода затвор-сток, пФ. Величина этих ёмкостей дается в справочниках по транзисторам. S –крутизна в точке покоя, мА/В. Сопротивление перехода затвор-исток очень велико (раздел 3.1.2).
а) б)
Рис. 13. а) Эквивалентная модель полевого транзистора V2 (ИТУН) и б) биполярного транзистора V3 и V4 (ИТУТ) по сигналу.
Но при использовании дополнительного каскада на ОУ транзистор V4 должен отдать ток, немного превышающий входной ток ОУ – в нашем случае от единиц пикоампер до десятков микроампер. Это обусловлено тем, что на входе используемых ОУ стоит дифференциальный каскад на полевых транзисторах или на составных биполярных транзисторах (схема Дарлингтона) в режиме микротоков.
В режиме микротоков (IК меньше 100мкА) параметры дискретного биполярного транзистора (транзистора, выполненного в отдельном корпусе) деградируют. Поэтому целесообразно выбирать ток IК4 = (0.25…1.5) мА. Такой выбор способствует уменьшению рассеиваемой кристаллом транзистора мощности и, следовательно, увеличению срока службы и надежности полупроводникового прибора.
Каскад на транзисторе V3 должен отдать в свою нагрузку – базовую цепь транзистора V4, постоянный и переменный ток IБ4, поэтому можно выбрать постоянный коллекторный ток IК3 ≤ IК4 = (0.25…0.5)мА.
Поэтому возьмём IК4 = 1.5 мА; IК3 = 1 мА.
Установим напряжение коллектор-эмиттер V4:
и выберем напряжение на эмиттере:
Можно определить напряжение:
Напряжение на базе V3:
. Напряжение на коллекторе V4:
. Для вычисления токов базы IБ3 и IБ4 и дальнейших расчетов коэффициенты передачи по току h21,3 и h21,4 определим с учетом их
крайних значений:
Тогда
; ; В ряде случаев при больших h21 принимают равными IЭ3
IК3, I Э4 IК4. Теперь можно вычислить сопротивления резисторов R9, R10 и R11:
, , ,Для вычисления сопротивлений R7 и R8 нужно знать ток делителя IД3. Обычно его выбирают IД3 ≥ 10IБ3.
Следовательно, IД3 = 87 мкА.
Сопротивления резисторов:
В соответствии с номинальным рядом получаем:
R7 = 100 КОм
, R8 =27 КОм , R9 = 1.8 кОм , R10 = 3.3 кОм
, R11 = 0.82 кОм .-
Проверка расчёта по постоянному току с помощью компьютера
Правильность расчетов сопротивлений после их выбора по номинальному ряду удобно проверить с помощью компьютера [5,6,7]. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 6) преобразуем в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.6), где H11-входное сопротивление биполярного транзистора на постоянном то
Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели (рис.7, б) коэффициенту передачи тока h21 необходимо присвоить знак минус (например h21=-100).
а) б)
Рис. 7. Определение входного сопротивления а) и эквивалентная схема биполярного транзистора б) по постоянному току
Составим эквивалентную схему усилителя на биполярных транзисторах (рис.8) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R12 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 H
11,3 и H11 ,4 по постоянному току (рис. 7). Их величины:
, . Рис. 8. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току
Табл.7 Результаты компьютерного анализа по постоянному току
| | V3 | V4 | ||||||
| Токи и напряжения | UБ3 | UЭ3 | IД3 | IЭ3 | UЭ4 | UК4 | IК4 | |
| Единицы измерения | В | В | мА | мА | В | В | мА | |
| Расчет предварительный | 2.4 | 1.8 | 0.087 | 1 | 1.2 | 7.2 | 1.5 | |
| Результат компьютерного анализа | 2.37 | 1.77 | 0.0877 | 0.986 | 1.19 | 7.23 | 1.46 | |
Рис. 8.1. Результаты анализа по постоянному току
Вывод: Результаты компьютерного анализа и предварительных расчетов сошлись, так как расхождение предварительных результатов и результатов компьютерного анализа не превышает разрешённых 10%.
-
. Расчет по постоянному току в схеме на ОУ
Этот расчёт сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны, они должны обеспечить «среднюю точку» напряжения питания Е0/2 на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого рекомендуется выбирать:
R12 = R13 = (5…20)*R10 = 10*3200 = 32 кОм.
По номинальному ряду получаем R12 = R13 = 33 кОм ± 10%
-
Расчёт проектируемой схемы по сигналу
Прежде всего, следует рассчитать коэффициент межкаскадных потерь между каскадами на транзисторах V2 и V3. Эквивалентная схема по сигналу этой части схемы приведена на рис. 9. Здесь Ic является эквивалентом генератора тока ИТУН полевого транзистора V2.
Рис. 9. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь
Сопротивление R5 характеризует внутренние потери генератора тока ИТУН на транзисторе V2. Резисторы R5, R7 и входное сопротивление h11 каскада на V3 являются нагрузкой каскада на V2. После упрощения схемы легко определить коэффициент межкаскадных потерь KI по току – рис. 10.
Рис. 10. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь по току
На рис. 10 R5 обозначен, как Rc, а параллельное включение сопротивлений R5, R7 и входного сопротивления h11_ОК – как Rн. Для нахождения межкаскадных потерь по напряжению KU схему на рис. 10 следует преобразовать, заменив управляемый генератор тока Ic на эквивалентный ему управляемый генератор напряжения Uc = Ic
Rc – рис. 11. Рис. 11. Эквивалентная схема для определения межкаскадных потерь по напряжению
Из схемы рис. 11 следует, что для уменьшения межкаскадных потерь по напряжению при заданном RC необходимо увеличивать Rн, т.е. уменьшать базовый ток IБ3.
Расчет схемы по сигналу также проведем при помощи программы FASTMEAN. Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.
Учитывая, что сопротивление источника питания Е0 переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1, V2, V3, V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе.
Источником сигнала является фототок Im1 диода V1 при попадании на него оптического излучения. Сопротивление фотодиода на переменном токе r
Д определяется касательной к вольтамперной характеристике в рабочей точке А.
Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току rД=∆u/∆i оказывается, значительно больше, чем сопротивление постоянному току RД, и rД достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока.
Чрезвычайно большое сопротивление rД учитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается учесть лишь ёмкость фотодиода СД (рис. 12, а). На рис. 12, б изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепе питания.
а) б)
Рис. 12. а) Модель фотодиода на переменном токе б) эквивалентная схема входной цепи
На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН—источник тока, управляемый напряжением (рис. 13, а). Это значит, что выходной ток (ток стока iC) управляется входным напряжением (затвор-исток uЗИ), т.е.
.В данной модели Cзи - емкость затвор-исток транзистора, пФ, Сзс -проходная емкость, емкость перехода затвор-сток, пФ. Величина этих ёмкостей дается в справочниках по транзисторам. S –крутизна в точке покоя, мА/В. Сопротивление перехода затвор-исток очень велико (раздел 3.1.2).
а) б)
Рис. 13. а) Эквивалентная модель полевого транзистора V2 (ИТУН) и б) биполярного транзистора V3 и V4 (ИТУТ) по сигналу.