Основная часть. 1. Расчет усилителя

1. Расчет усилителя

1.1 Нахождение параметров нагрузки и расчет количества каскадов

Таблица для расчета усилителя

Вариант	Тип транзистора	Uвхm, мВ	Rr, Ом	Рн, Вт	Rн, Ом	Iн, мА	tмакс, С^0	∆f	Мосх ( ώх)	Мосх (ώх)
fн, Гц	fв, кГц
	КТ342А			0,019	….		+65			0,73	0,73

Расчет количества каскадов усилителя начнем с нахождения параметров нагрузки: P_н, I_н, U_н, R_н. Как видно из задания, необходимо по значениям тока и мощности найти напряжение и сопротивление на нагрузке:

U_н = P_н/I_н = 0,019/0,01=1,9 B

R_н = U_н/I_н = 1,9/0,01 = 190 Ом

Найдем амплитуды напряжения и тока:

U_нм = (2) ^1/2* U_н = (2)^1/2* 1,9 В=2,69 В

I_нм = (2) ^1/2* I_н = (2)^1/2* 10 мА = 14,14 мА

Теперь можно определить значение коэффициента усиления замкнутого усилителя Кос:

К_ос = U_нм / U_вхм

В нашем случае:

К_ос = 2,69B/0,15B = 17,9

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи усилителя

Определим число каскадов усилителя. Для этого воспользуемся таблицей, где M_oc(ω) - коэффициент частоты каскадов:

Таблица

n	Moc(ω)
	Moc в(ω) - Moc н(ω) = (1 – кβ)/√(1 – кβ)^2 + х^2
	Moc в(ω) - Moc н(ω) = (1 – кβ)/√(1 – кβ)^2 +2(1 + кβ)х^2 + х^4
	Moc в(ω) - Moc н(ω) = (1 – кβ)/√(1 – кβ)^2 +3х^2(1 + кβ) + 3х^4 + х^6

Пусть число каскадов n = 1, тогда

из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно Kβ.

тогда 2,14 = (1- Kβ)² получим корни Kβ = 1±1,46, выбираем отрицательный корень Kβ= - 0,46, и подставляем в уравнение K=K_oc(1- Kβ)=17,9*(1+0,46)=26,2. Т. к. K>10, необходимо увеличить число каскадов.

Пусть n = 2:

Решая данное уравнение относительно Kβ и выбирая отрицательное решение, получаем Kβ=-0,5. Тогда K=K_oc(1- Kβ)=17,9*(1+0,5)=8,95. Так как K<100, то достаточно двух каскадов. Таким образом, для проектирования каскадного усилителя будем использовать два n-p-n транзистора:

Рис.1 Каскадный усилитель

1.2 Статический режим работы выходного каскада

1.2.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:

Определим параметры рабочей точки транзистора. Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора Iк_А и напряжения Uкэ_A в схеме, в первоначальном предположении Rэ= 0.

Должны выполняться следующие соотношения:

1. |Uкэ_А| ³ Uн_m + |Uкэ_min|, где Uкэ_min - напряжение на коллекторе соответствующее началу квазигоризонтального участка выходных ВАХ;

1. |Uкэ_min| = 1В; Uкэ_А = 2,9 В

2. Iк_А³Iн_m/K_з, где K_З = 0,7-0,95.

3. Если Кз = 0,7 то Iка = 20,23 мА

Iк_{доп.расч.} = 2* Iка = 40,46 мА; Uк_{доп.расч.} = 2* Uкэ_А = 5,8 B;

Pк_доп. = Iк_{доп.расч.} * Uк_{доп.расч.}= 234,67 мВт

По величине мощности определим вид транзистора.

Выберем удобный для нас транзистор – КТ342A. Основные характеристики транзистора:

Iкбо, мкА	Uкэ, В	Iк, мА	Pк, мВт	Uкб, В
0.05				------

1.2.2 Выбор сопротивлений Rк2, Rэ2, R3, R4 выходного каскада.

Сначала предположим, что Rэ отсутствует, тогда уравнение линии нагрузки будет иметь вид:

Rэ2=(0,1¸0,3) R_k2 , Rэ2 =60 Ом.

Теперь уравнение линии нагрузки будет E_п=I_k*R_k2+Uкэ+ I_э*R_э2; I_k»I_э.

Нагрузочная прямая и линия динамической нагрузки имеют вид:

По графику ВАХ определяем Iба = 0.53 мА.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом φ.

тогда

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R₃, R₄.

Величина R₄ определяется из соотношения:

N = 1 + R₄/ Rэ2, N – коэффициент температурной нестабильности.

С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Рассчитаем величину Iк₀ по следующему эмпирическому соотношению:

∆T/10 (45-25)/10

Iк₀(45)=| Iк₀(T₀)*(A - 1)|=|1*10^-6*(2,5 -1)|=6,25*10^-6 [A]

∆T/10 (27-25)/10

Iк₀(27)=| Iк₀(T₀)*(A - 1)|=|1*10^-6*(2,5 -1)|=1,2*10^-6 [A],

где Iк₀(T₀) - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре T₀; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.

∆Iк₀ вычислим как

∆Iк₀ = Iк₀(45) - Iк₀(27) = 6,25*10^-6 - 1,2*10^-6 = 5,05*10^-6 [A].

Температурные изменения тока целесообразно ограничить диапазоном ∆Iк=(0,001¸0,01)*Iк_m, выберем

∆Iк=7,07*10^-6 [A].

Рекомендуемое значение N вычисленное как

N=∆Iк/∆Iк₀=7,07*10^-6 / 5,05*10^-6 =3.

R4/Rэ2 = 1, R4 = 45 Ом.

Найдем R3 из:

R3 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ2))/(Uбэа+Iэа*Rэ2+Iба*R4)*R4 (Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R3 = 230 Ом.

Проверим правильность выбора Rэ2:

Iд = (Е - Uба)/R3, Uба = Iэа*Rэ2+Uбэа*Iба = 0.479 В, Iд = 37 мА.

Должно выполняться неравенство:

Iд>=(5-10)*Iба; 37>=(5-10)0.53 – верно.

Из графика входной характеристики определим U_БЭ по полученному из графика выходных характеристик I_БА.

При таком значении I_БА U_БЭ=0,98 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:

1.3 Расчет значения коэффициента усиления выходного каскада

В первом приближении коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:

K2 = -h_21э*(Rк2||Rн)/(Rк2 + Rвх2)

Rвх2 = R3||R4||h_11Э = 36,1 Ом;

Rк2||Rн = 235 Ом;

K2 = -20*235/(435 + 36) = 9,98

1.4 Переход от выходного каскада к входному

При переходе к входному каскаду справедливы следующие формулы:

Uвх2 = Uмн/К2 = Uмн1; Iвх2 = Uвх2/Rвх2 = Iмн1

Uмн1 = 3,6/10 = 0,36 В; Iмн1 = 0,36/36,1 = 10 мА

Таким образом, после расчета вышеописанных величин процедура нахождения элементов входного каскада повторяет расчет выходного каскада, поэтому приведем ниже лишь сокращенные расчеты без комментариев.

1.5 Статический режим работы входного каскада

1.5.1 Выбор рабочей точки транзистора

Рабочая схема каскада имеет вид:

|Uкэ_А| ³ Uн_m + |Uкэ_min|;

|Uкэ_min| = 1В; Uкэ_А = 1,36 В

Iк_А³Iн_m/K_з, где K_З = 0,7-0,95. Примем Iка = 10,5 мА

1.5.2 Выбор сопротивлений Rк1, Rэ1, R1, R2 входного каскада.

Теперь уравнение линии нагрузки будет E_п=I_k*R_k1+Uкэ+ I_э*R_э1; I_k»I_э.

Нагрузочная прямая имеет вид:

Па графику ВАХ определяем Iба = 0.6 мА.

N = 1 + R₂/ Rэ1, N – коэффициент температурной нестабильности.

С другой стороны N = ∆Ik/∆Iko. Ранее: ∆Iк₀ = 5,05*10^-6 [A].

∆Iк=(0,001¸0,01)*Iк_m,

выберем ∆Iк=15*10^-6 [A].

Рекомендуемое значение N вычисленное как

N=∆Iк/∆Iк₀=15*10^-6 / 5,05*10^-6 =3.

R2/Rэ1 = 2, R2 = 300 Ом.

Найдем R1 из:

R1 = (E – (Uбэа +Iкэа*Rэ1))/(Uбэа+Iэа*Rэ1+Iба*R2)*R2

(Uбэа находится ниже по входной ВАХ)

R1 = 695 Ом.

Проверим правильность выбора Rэ1:

Iд = (Е - Uба)/R1, Uба = Iэа*Rэ1+Uбэа*Iба = 1,66 В, Iд = 10,5 мА.

Должно выполняться неравенство: Iд>=(5-10)*Iба; 10,5>=(5-10)*0,6 – верно.

Из графика входной характеристики определим U_БЭ по полученному из графика выходных характеристик I_БА.

При таком значении I_БА U_БЭ=0,95 [B].

Из ВАХ транзистора найдём:

1.6 Расчет значения коэффициента усиления входного каскада

Коэффициент усиления может быть вычислен по следующей формуле:

K1 = -h_21э*(Rк1||Rвх2)/(Rг + Rвх1)

Rвх1 = R1||R2||h_11Э = 163,8 Ом;

Rк1||Rвх2 = 34,4 Ом;

K2 = -20*34,4/(70 + 163,8) = 2,94

Уточним значение коэффициента усиления выходного каскада с известным Rк1:

К2 = - h_21Э *(Rк2||Rн)/(Rк1 + Rвх2) = 6,1

1.7 Расчет емкостных элементов усилительных каскадов

Для каскадов на биполярном транзисторе значение емкостей конденсаторов С C₁,C₂, C₃, C_Э1, C_Э2 рассчитаем по следующим формулам:

1.8 Расчет значения реально достигнутого в схеме коэффициента усиления

В области средних частот реально развиваемый усилителем коэффициент усиления напряжения K_{РЕАЛ равен}:

Где Ki – коэффициент усиления i-го каскада.

K_{РЕАЛ =} K₁ * K₂ = 6,1 * 2,94 = 17,94

Так как K_РЕАЛ > K (коэффициент, расчитанный при определении числа каскадов K = 17,4), то расчет каскадного усилителя можно считать законченным.

1.9 Расчет элементов цепи ООС

По вычисленным в п. 1.1 значениям kβ и K рассчитаем величину

Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:

Назначим R_э1^’’ =10 Ом

R_ОС = 375 [Ом].

1.10 Построение характеристики Мос(ω)

Построим частотную зависимость Moc(ω). В данном случае этой зависимостью будет

Выражения для Mос_в() и Mос_н() одинаковы по виду, но для различных частотных диапазонов предполагают подстановку разных значений X, а именно: , для области средних и верхних частот и для области нижних и средних частот.

Масштаб оси частот выбираем в десятичных логарифмах круговой частоты. На оси ч астот отметим точки ω_н и ω_в:

Дата добавления: 2015-07-15