5.5 Расчет усилителя

5.5.1 Расчет каскада предварительного усиления._­­Принципиальная схема каскада предварительного усиления представлена на рис.

Рис.. Принципиальная схема усилительного каскада

Выбор транзистора. Для резисторного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f_, величине тока покоя коллектора I_K0, и наибольшему допустимому напряжению коллектора U_{КЭ доп}.

Граничная частота передачи тока базы f_ должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя f_в:

f_5 f_в = 10⁷ Гц.

Ток покоя коллектора выбирается из условия

I_{К доп} > I_К0 > 1.5 I_н,

где I_н = U_н / R_н = 667 мА.

Напряжение питания усилителя Е_к должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения коллектора, т.е. меньше 0.8 U_{КЭ доп}.

Поставленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ315Б. Его параметры:

– f_ = 250 Мгц

– I_{К доп} = 100 мА >> 1.5 I_н = 1 мА

– U_{КЭ доп} = 25 В.

Зададимся Е_К = 12 В < 0.8U_{КЭ доп} = 20 В.

Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет номиналов элементов усилителя.

Сначала по семейству выходных характеристик транзистора (рис.) выберем рабочую точку. Для этого построим нагрузочную прямую по переменному току: выберем значение максимального тока коллектора I_{К макс} таким образом, чтобы точка, соответствующая выбранной величине, располагалась по меньшей мере над пятью - шестью кривыми i_K = f (U_K) при i_Б = const, приведенными в справочнике. Из этих соображений выбираем значение.

Рис.. Выходная характеристика транзистора КТ315Б.

I_{K макс} =15 мА.

Значение максимального напряжения на коллекторе U_{K макс} = Е_К. Ток I_К0 можновзять равным половине I_{К макс}:

I_K0 = 0.5 I_{K макс} = 8 мА.

Расчитываем сопротивление в цепи эмиттера R_Э. Для этого прежде всего зададимся падением напряжения на нем:

U_Rэ = 0.2 E_К = 2.4 В,

Отсюда R_Э = U_RЭ / I_Э0  U_RЭ / I_K0 = 300 Ом.

Теперь с помощью выбранной рабочей точки определяем напряжение покоя между коллектором и эмиттером:

U_КЭ0 = 5.5 В.

По входной характеристике (рис.) находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером, и входное сопротивление каскада (по переменному току):

I_Б0 = 0.1 В,

U_БЭ0 = 0.47 В,

R_{ВХ ОЭ}  R_{ВХ ~} = 860 Ом.

Рис.. Входная характеристика транзистора КТ315Б

Сопротивление в цепи коллектора R_K рассчитываем аналогично R_Э, задавшись напряжением на нем:

U_Rк = E_K – U_Rэ – U_КЭ0 = 4.1 В,

R_K = U_Rэ / I_K0 = 510 Ом.

Расчет делителя произведем, задавшись значением R₂:

R₂ = 10 R_{вх ОЭ} = 8.6 кОм,

Затем рассчитываем R₁ с помощью следующего выражения:

где

Сопротивление нагрузки цепи коллектора переменному току R_K0 образовано параллельным соединением R_Н и R_К и равно:

Ом

Максимальный ток нагрузки равен:

мА,

Максимальный входной ток каскада:

мА

Отсюда коэффициент усиления каскада по току:

Максимальное входное напряжение:

U_{вх м} = I_{вх м} R_{вх ОЭ} = 0.077 В,

откуда получаем коэффициент усиления по напряжению:

Для расчета разделительных конденсаторов С_р1 и С_р2 необходимо задаться коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте М_НР, вносимых этим конденсатором, распределяя заданные допустимые искажения M_Н = 1.2 дБ между разделительным С_р и блокировочным С_Э конденсаторами.

---

М_НР = М_{НЭ ­­}= 0.6 дБ = 1.07 раза,

тогда мкФ

a мкФ

где См

где кОм

где, в свою очередь кОм

Теперь рассчитаем коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте M_В

здесь _В = С₀ Rэкв ,

где Ф

где С_К для выбранного транзистора С_К = 7 пФ.

кОм

Отсюда значение _В = 0.012мкс и M_В = 1.18, или в децибелах М_В =1.5 дБ, что соответствует поставленной задаче.

5.5.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики каскада. Нашей задачей является выяснение поведения АЧХ каскада в его полосе пропускания и в прилегающих к ней областях. Диапазон охваченных расчетом частот простирается от 0.1 f_В до 3 f_В, т.е. от 2 Гц до 6 Мгц.

Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на низких ( = 10 ... 10000 рад/с) частотах представлена на рис.4 приложения 1.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

где U_Н = I_Н R_Н,

где

где U_Rк = i_К R_К = (SU₁ – i_н) R_К.

Подставим это выражение в предыдущее и после несложных преобразований получим

Теперь серией последовательных шагов найдем U_ВХ в зависимости от U₁:

напряжение на R_{Э ,}

напряжение на R_{дел ,}

ток делителя i_дел = U_Rдел / R_дел,

входной ток каскада i_вх = U₁ g_вх + i_дел,

теперь ,

откуда после подстановок i_вх, U_Rдел и серии преобразований получаем:

Наконец, подставляем найденные U_вх и I_Н R_Н в формулу для К_U, а затем, перейдя к численным значениям номиналов элементов и упростив полученное выражение, найдем модуль К в следующем виде:

здесь a = –0.11 ²_, b = –0.19 ³, c = 137.3 – 1.56 ², d = 73.9  – 0.0014 ³.

График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис.

Рис . АЧХ каскада в диапазоне 10³ ... 10⁴ рад/с.

Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на средних ( = 10000 ... 100000 рад/с) частотах представлена на рис.5

Рис.5. Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на средних частотах.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

где U_Н = S U_ВХ (R_К || R_Н).

Подставляя последнее выражение в формулу для К_U, получим что К_U=2.4

Таким образом, мы видим, что на средних частотах заданного диапазона коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты и равен 2.4.

5.5.3 Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции.Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L. В нашем случае необходимо ввести L = 0.01 мГн.

Схема такого каскада представлена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема усилительного каскада с элементом ВЧ коррекции

Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см. п. 2.2), за исключением того, что в выражение для проводимости коллекторной ветви схемы будет входить кроме R_К также еще и сопротивление дросселя, зависящее от частоты: jL.

Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис.

Рис.2. Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на высоких частотах.

Коэффициент усиления каскада по напряжению

---

Здесь g_Cвых + g_Cн = j (C_вых + С_н), где C_вых = С_К = 7 пф, а С_н = 50 пф,

Подставляя выражения для проводимостей в выражение дла К_U, а затем приведя получившееся выражение к стандартному виду, имеем:

Отсюда, подставив значения констант и упростив полученное выражение, найдем модуль коэффициента усиления каскада по напряжению в виде

,

где а = 320 · 10^–3,

,

Полученная зависимость коэффициента усиления от частоты представлена на одном рисунке (рис.) с АЧХ каскада без коррекции. Рисунок наглядно показывает преимущества каскада с коррекцией перед каскадом без коррекции – АЧХ каскада остается линейной далеко за пределами заданной верхней граничной частоты.

Рис . АЧХ каскада с коррекцией и без коррекции в диапазоне 2 · 10⁶ ... 4 · 10⁷ рад/с.

5.5.4 Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения компенсационного типа.Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое постоянное напряжение питания. Так как для реализации этого условия простого выпрямителя переменного напряжения недестаточно, между последним и усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения, который сглаживает пульсации напряжения питания, тем самым обеспечивая корректную работу усилительного устройства.

Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис..

Рис.. Принципиальная схема стабилизатора напряжения питания

Исходные параметры стабилизатора следующие:

– нестабильность входного напряжения a_вх 0.15

– нестабильность выходного напряжения а_вых 0.001

– выходное напряжение U_вых, В. 12

Максимальный выходной ток I_вых есть сумма токов делителя и коллектора, т.е.

мА

или, с запасом, I_вых = 10 мА.

Входное напряжение стабилизатора выберем из условия :

U_вх – U_вх > U_вых + U_вых ,

или U_вх (1 – a_вх) > U_вых (1 + а_вых),

Подставив числа получим U_вх > 14.2 В.

Выберем значение входного напряжения с запасом U_вх = 18 В.

Далее, максимальное напряжение эмиттер-коллектор транзистора VT1

U_{КЭ1макс} = U_вх + U_вх – U_вых + U_вых = 8.7 В.

Выберем транзистор VT1 таким же, как и транзистор усилителя: КТ315Б. Для него

U_{КЭ1макс} = 8.7 В < U_{КЭ макс доп} = 25 В, а I_К1  I_{н макс} = 10мА < I_{К доп} = 100мА.

Выберем опорный стабилитрон из соображений, что напряжение на нем должно быть меньше минимального выходного напряжения стабилизатора:

U_оп < U_вых – U_вых .

Выбираем стабилитрон КС168А, т.к. его опорное напряжение – 6.8 В – удовлетворяет поставленному условию. Теперь выберем транзистор VT2, задавшись максимальным напряжением коллектор-эмиттер:

---

U_{КЭ2макс} = U_{вых макс} – U_оп = U_вых + U_вых – U_оп = 5.2 В.

Из соображений технологической простоты и стоимости выберем транзистор таким же, как и предыдущий – КТ315Б – так как он удовлетворяет поставленному условию.

Номинальный ток стабилитрона I_{ст. ном} = 20мА. Зададимся I_Э2 = 10 мА, тогда:

кОм,

а кОм

Здесь мА

Теперь рассчитаем сопротивления делителя R₃R₄R₅ .

кОм

где мА

кОм

кОм

---

Смотрите также файлы

• моделирование.doc

• 25%переделка.doc

• Курсач по Электронике.doc

• Спич.doc

• доклад.doc