Расчет элементов резистивного каскада

Рисунок 1.1 -Схема резистивного каскада с общим эмиттером

Схема состоит из:

· Конденсатор (от лат. condensare -- «уплотнять», «сгущать», или от лат. condensatio -- «накопление») -- двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости[1] и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. (;)

· Резистор (англ. resistor, от лат. resisto -- сопротивляюсь) -- пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования тока в напряжение и напряжения в ток, ограничения тока, поглощения электрической энергии и другого.()

· Транзистор (англ. transistor), полупроводниковый триод -- радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.( VT1)

· Источник тока (также генератор тока) -- двухполюсник, который создаёт ток, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён.

Каскад состоит из:

· биполярного транзистора VT1;

· резистора , который задаёт точку покоя каскада по току;

· резистора , который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.

Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкость . С той же целью выход каскада подключается к нагрузке через ёмкость .

Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления может представлять собой устройства различного назначения -- динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и так далее.

· Режим работы каскада:

В активном режиме транзистор VT1 открыт, напряжение на базе относительно эмиттера меняется слабо и составляет примерно 0,2 (В) для германиевых и 0,7 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения объясняется тем, что зависимость логарифмическая, и в широком диапазоне изменении тока базы напряжение меняется очень мало.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при фиксиро-

ванном полностью определяется сопротивлением:

(1.1)

где в -- коэффициент усиления по току транзистора VT1 в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя обеспечить на коллекторе напряжение , при известном необходимо взять сопротивление в цепи базы равным

. (1.2)

· Входное и выходное сопротивления каскада.

Входное и выходное сопротивления каскада равны

(1.3)

, (1.4)

где и -- сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно (справочные величины).

· Усиление сигнала:

Сигнал источника поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника и входное сопротивление каскада, создавая входной ток

. (1.5)

, (1.6)

, (1.7)

. (1.8)

· Усилительный каскад с общим эмиттером.

устойчивое состояние, отклонения от центрального состояния и крайние состояния -- неустойчивы, каскад при этом является усилителем гармонических сигналов.

2. Расчёт усилительного каскада

Размещено на http://www.allbest.ru/

(2,1)

где UВХ М СЛ - входное напряжение следующего каскада, рассчитываетсяпо формуле:

(2,2)

RСР - ориентировочное значение сопротивления резистора в коллекторной цепи транзистора, рассчитывается по формуле:

(2,3)

Расчитав расчитываем :

(2,4)

А

, расчёт верен.

Рассчитать

(2,5)

· Сопротивление резистора в коллекторной цепи:

(2,6)

· Сопротивление резистора в эмиттерной цепи:

(2,7)

Проверка правильности расчета и выбора и .

Если 3 В<<(0.3…0.4),, береться из справочных даннях транзистора, то выбор сделан верно.

Расчёт входного тока для наихудшего транзистора

(2,8)

берется из таблицы 2.1

Расчёт коэффициентов усиления каскада по току КI , напряжению КU, мощности КP для наихудшего транзистора.

· Рассчёт коэффициента усиления по току.

(2,9)

· Рассчёт коэффициента усиления по напряжению.

(2,10)

где - входное сопротивление транзистора, определяется по формуле :

(2,11)

Ом

- сопротивление области базы, берется из справочных данных транзистора

h21Э - типовое значение коэффициента передачи тока, определяется по формуле

(2,12)

· Рассчёт коэффициента усиления по мощности.

(2,13)

· Сопротивление делителя смещения следующего каскада.

(2,14)

· Входное сопротивление следующего каскада:

(2,15)

· Сопротивление нагрузки выходной цепи транзистора току сигнала:

(2,16)

Рассчитайте емкость разделительного конденсатора С

(2,17)

Расчет элементов схемы температурной стабилизации

(2,18)

где S - коэффициент нестабильности, по котрому оценивается эффективность стабилизации. S=3.

· Сопротивление гасящего резистора

(2,19)

Ом

· Сопротивление резистора смещения

(2,20)

Ом

3. Подбор элементов

В качестве элементов обеспечивающих, режим работы, частотные и температурные характеристики усилительного каскада, используются резисторы и конденсаторы. Рассмотрим их сравнительные характеристики, на основании которых выполним подбор элементов.

В схеме используются резисторы номиналами:

Резисторы - это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем к основным параметрам резисторов относятся:

· Номинальное сопротивление и его допустимое отклонение. Под номинальным сопротивлением понимают значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на резисторе или в сопроводительной документации. Выпускаются резисторы по стандартным шкалам номинальных значений с регламентированными классами точности. Класс точности резисторов определяется относительным отклонением от номинала в процентах.

· Номинальная мощность рассеивания. Промышленность выпускает резсторы с номинальными мощностями рассеивания от 0,125 -0,25 -0,5 -1 -2 Вт.

· Предельное рабочее напряжение

· Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Этот параметр характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды.

Таблица 3.1-Подбор резисторов

Подходящая заменена резисторов: С1-4, С2-29В, С2-23,

В схеме так же использованы конденсаторы , =70пФ и С=0,0002пФ.

По материалу диэлектрика различают три основных группы конденсаторов: с газообразным, жидким и твердым диэлектриком.

К основным параметрам конденсаторов относятся номинальное значение емкости конденсатора и допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения (класс точности). Конденсаторы выпускают по 1, 2 и 3 классам точности, что соответствует допускам ±5%, ±10% и ±20%.

Влияние температуры на емкость конденсаторов характеризуется температурным коэффициентом емкости ТКЕ (1/ 0С).

Основными единицами измерения емкости конденсаторов - фарада, применяются на практике кратные ей в сторону уменьшения единицы: микрофарада, нанофарада, пикофарада.

Таблица 3.2-Подбор конденсаторов

Учитывая расчетные значения емкостей конденсаторов, то для позиций , можно использовать конденсаторы типа К52-10 и К53-14, а для С - К50.

4. Теоретическая часть

1. Указать причины, приводящие к появлению частотной зависимости коэффициента усиления операционного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

На (рисунке 4.1) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией.

На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ.

По граничной частоте f_гр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Рисунок 4.1

2. Дайте определение КОСС. Назовите два основных фактора, приводящих к появлению температурного дрейфа операционного усилителя.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) определяется как отношение коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов.

Он измеряется путём определения отношения изменения входного синфазного сигнала к результирующему изменению напряжения смещения на входе. Измеряется в децибелах.

Ограничение на значение КОСС накладывает изменение рабочей точки транзисторов во входном дифференциальном усилителе, которое совместно с их неидеальным согласованием вызывает возникновение паразитных сигналов на выходе операционных усилителей(ОУ).

Выражается он в децибелах. В справочных документах этот параметр включён в группу параметров по постоянному току. На переменном токе при увеличении частоты значение КОСС спадает.

На практике часто встречаются помехи на частоте 50 или 60 Гц, однако они, к счастью, как правило, синфазные. Если другие элементы схемы не ухудшают природного коэффициента подавления синфазного сигнала ОУ, то его, как правило, хватает, чтобы эффективно подавить эти помехи. Следует иметь в виду, что большие номиналы используемых резисторов повышают чувствительность схем ко всем видам помех, в том числе синфазным. Для сохранения требуемого частотного диапазона схемы обычно можно пропорционально уменьшить номиналы резисторов и увеличить номиналы конденсаторов, что повысит помехоустойчивость.

5. Практическая часть