Предварительный расчет по постоянному току

Расчет предварительных каскадов RC-усилителей

Систем передачи информации

 

Выполнила:

Носкова А.А. студент гр. МТО-93

№ зачетной книжки: 092141

 

 

Санкт-Петербург

Содержание:

1. Задание....................................................................................................................................... 3

2. Предварительный расчет по постоянному току.................................................................... 5

3. Расчет усилителя на переменном токе.................................................................................. 12

4. Литература............................................................................................................................... 18

Задание

Проектирование входного широкополосного RC-усилителя, работающего в режиме малого сигнала, источником сигнала которого является генератор тока. Подобные усилители находят широкое применение в видеоаппаратуре, а также в блоках управления радио- и видеотехникой. Особенность проектирования заключается в том, что по ряду показателей – стабильности коэффициента усиления, динамическому диапазону входных сигналов и полосы пропускания, к усилителям предъявляются достаточно высокие требования.

 

Принципиальная схема усилителя (рис. 1)

 

Данные по варианту 141:

 

Классификационный индекс полевой транзистора КП 307Б и его параметры:

I_{с нач} = 10 мА

S_max = 15 мА/В

U_отс = -5 В

U_ЗИ = 5 В

C_ЗИ = 5 пФ

C_ЗС = 1.5 пФ

Iут.з.=1 мА

 

Параметры биполярного транзистора малой мощности типа n-p-n (КТ355А):

P_к= 225 мВт

U_{кэ max}= 15 В

I_{к max} = 30 мА

h_{21 max} = 300

h_{21 min} = 80

f_т = 1500 МГц

C_к = 2 пФ

τ_к = 60 пс

 

Величина напряжения источника питания: E₀ = 10 В

Сопротивление внешней нагрузки: R_2H = 1.2 кОм

Полоса пропускания:

Нижняя частота: = 20 кГц

Верхняя частота: = 2 МГц

Конденсаторы: C₁-C₆=1÷5 мкФ

Ток источника сигнала: I₁=1 мкА

Ёмкость внешней нагрузки: С₇=5 пФ

Предварительный расчет по постоянному току

2.1. Предварительный расчет резисторов диода V1

 

 

Принципиальная схема цепей питания фотодиода (слева) и его типовая вольт-амперная характеристика (справа) (рис. 2)

Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения U_ак уменьшает проходную емкость фотодиода.

 

Выберем напряжение U_ак, так, что бы |U_ак|<E₀ и |U_ак|<U_раб.

U_ак = -7,5 В

 

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

E₀ – U_ак = 10 – 7,5 = 2,5 В

 

Выберем напряжение на аноде U_а = 0,1*E₀

U_а = 0,1*10 = 1 В

 

Тогда напряжение на катоде U_к = U_а+U_ак

Uk =1B-7,5B=-6,5 B

 

Теперь, зная фототок I1 = 1 мкА, можно вычислить R1 и R2 по следующим формулам:

R1=Ua/I1=1 B/1 мкА=1 МOм

R2=(E0-Uk)/I1=(10 B+6,5 B)/10^(-6)=16,5 МОм

 

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом, тогда:

R1 = 1,1 МОм

R2 = 18 МОм

Сопротивление фотодиоду по постоянному току в точке А (рис. 2):

Rд=Uak/I1=7,5 МОм

 

2.2. Расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2

 

Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 (слева) и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом (справа) (рис. 3)

 

Для расчета резисторов R₃, R₄, R₅ и R₆ сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: начального тока стока, максимальной крутизны и напряжения отсечки.

Выберем напряжение затвор-исток: U_ЗИ => U_ЗИ = -1 В.

Рассчитаем ток стока и максимальную крутизну:

 

Ic=Iс нач*(1-Uзи/Uoтс)^2=10*10^(-3) А*(1-(-1 В)/(-5 В))^2=6,4 мА

 

S=Smax*(1-Uзи/Uoтс)=15мА/В *0.8=12 мА/В

 

Выберем напряжение на истоке: U_И = 0,2*E₀ = 0,2 * 10 В = 2 В.

Выберем напряжение сток-исток: Uси=Е0/2=5 В

Тогда напряжение на стоке: Uc= Uи+ Uси=7 B

Отсюда сопротивления в цепи истока и стока:

 

R6=Uи/Ic=310 Ом

R5=(E0-Uc)/Ic=3 B/6,4 мА=470 Ом

Напряжение на затворе: U_З = U_И + U_ЗИ = 2 + (-1) = 1 В

 

 

Рассчитаем R4 исходя из заданной верхней частоты = 2 МГц, необходимо взять такое R4, что бы выполнялось неравенство R4 , где С = С_Д+С_ВХ+С_М.

С=Свх+Сд+См=Сзи+(S*R5+1)*Сзс+2 пФ=16.96 пФ

 

Тогда R4<=1/(2*π *fв√2*C)=10^3/209.17=4,6 кОм

R4 4.36 кОм.

 

Ток делителя I_Д2 будет равен:

Iд2=Uз/R4=1 B/4,6 кОм=0,21 мА

R3=(E0-Uз)/ Iд2=(10 В-1 В)/0,21 мА=42.8 кОм

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом.

Тогда:

R3 = 43 кОм

R4 = 4.7 кОм

R5 = 470 Ом

R6 = 330 Ом

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

 

 

Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току (рис. 4)

Для расчета сопротивлений резисторов необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.

 

Выберем токи покоя транзисторов V3 и V4:

I_К4 ≤ I_Кmax/2= 30/2 = 15 мА

I_К4 = 15 мА

I_К3 ≤ I_К4

I_К3 = 12 мА

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора V4 U_КЭ,4 = 5 В.

Напряжение на эмиттере U_Э4 = 0.1*E₀ = 0.1 * 10 В = 1 В, тогда

U_Б4 = U_Э3 = U_Э4 + U_БЭ = 1 В + 0.7 В = 1.7 В

 

Можно заметить, что U_Б4 = U_Э3, тогда

U_Б3 = U_Э3 + U_БЭ = 1.7 В + 0.7 В = 2.4 В

U_К4 = U_Э4 + U_КЭ,4 = 1 В + 5 В = 6 В

 

Для вычисления токов базы I_Б3 и I_Б4 и дальнейших расчетов определим коэффициенты передачи по току h₂₁, используя крайние значения

h₂₁ = 155

 

Тогда I_Б3 и I_Б4 будут равны:

I_Б3 = 0.07 мА.

I_Б4 = 0.09 мА.

 

Примем ток делителя I_Д3 ≥ 10* I_Б3 = 10*0.07 мА = 0.7 мА.

Выберем I_Д3 = 1 мА

 

Ввиду большого коэффициента передачи по току h₂₁, будем считать, что I_Э3 I_К3, а I_Э4 I_К4.

 

Вычислим сопротивления резисторов

R9=Uэ3/Iк3=141 Ом

R10=(E0-Uк4)/Iк4=266 Ом

R11=Uэ4/Iк4=66 Ом

R7=(E0-Uб3)/(Iд3+Iб3)=8,92 кОм

R8=Uб3/Iд3=3,098 кОм

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом.

Тогда:

R7 = 9,1 кОм

R8 =3,3 кОм

R9 = 141 Ом

R10 = 266 Ом

R11 = 68 Ом

 

 

2.4. Проверка расчета по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3 и V4 с помощью компьютера

 

Для проверки расчетов по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3 и V4 можно использовать компьютер (программу FASTMEAN). Составим эквивалентную схему:

Эквивалентная схема усилительного каскада на V3 и V4 по постоянному току (рис. 5)

 

Сопротивления R6 и R1 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 h_11,3 и h_11,4. Они вычисляются по таким формулам:

 

Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели коэффициенту передачи тока h₂₁ необходимо присвоить знак минус.

Вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах.

Результаты расчётов на ПК (рис. 6)

Сравним результаты расчета на ПК и предварительного расчета.

	V3	V4
Токи и напряжения	UБ3	UЭ3	IД3	IЭ3	UЭ4	UК4	IК4
Ед. измерения	В	В	мА	мА	В	В	мА
Расчет предварительный	2.4	1.7	0.7	12.1
Расчет компьютерный	2.48	1.78	0.75	11.9	1.06	5.81	15.6

 

Несложно убедится, что результаты расчетов на ПК совпадают с заданной точностью (разница не превышает 10%). Можно считать, что расчет всех элементов по постоянному току сделан правильно.