Проектирование входного широкополосного RC-усилителя в режиме малого сигнала, источником сигнала которого является генератор тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данной курсовой работе мы спроектируем входной широкополосной RC-усилитель 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.

В проектировании используются следующие элементы и исходные данные определенные По номеру варианта (последние три цифры зачетной книжки «180») :

-тип полевого транзистора - КП 307Б (Область применения: предназначены для применения во входных каскадах усилителей высокой и низкой частот с высоким входным сопротивлением)

тип биполярного транзистора - КТ 316В (Область применения: для переключения и усиления сигналов высокой частоты)

- тип светодиода - ФДК 227 (Кремниевый фотодиод предназначенный для использования в качестве приемника инфракрасного излучения)

-напряжение источника питания E0 - 9В

-сопротивление внешней нагрузки R_2Н, - 1,0 кОм

-нижняя рабочая частота fн - 10 кГц

-верхняя рабочая частота fв - 1 МГц

-ток источника сигнала I1 - 1 мкА

-емкость внешней нагрузки С7 - 5 пФ

1. Описание принципиальной схемы

Принципиальная схема проектируемого входного широкополосного RC усилителя представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1 Принципиальная схема усилителя.

Рассмотрим принцип работы данной схемы:

Источником сигнала является ток фотодиода - V1. Если свет на фотодиод не падает, диод V1 закрыт и его внутреннее сопротивление велико. Вследствие этого источником сигнала является генератор тока. Элементы С1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е₀).

В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор, так как он обладает меньшим уровнем собственных шумов. Входная цепь устройства образована входной суммарной емкостью, состоящей из проходной емкости Сд фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См, а также входным сопротивлением каскада V2. Хотя входное сопротивление транзистора V2 - rзи велико, входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе (параллельным соединением резисторов R3 и R4). Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза f_ВХ. Биполярный транзистор V3, включенный по схеме общий коллектор (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлением. Транзистор V4 включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Внешней нагрузкой предварительного усилителя является входное сопротивление и входная ёмкость основного усилителя. Для учета их влияния подключена цепочка R12 и С7 (рис.1.2,а).

Для расширения полосы пропускания в области верхних частот в этом каскаде может быть применена отрицательная обратная связь (ОС) и основанная на ней эмиттерная коррекция (R11,C5). Если в схеме рис.1.1 удалить конденсатор С5, то благодаря резистору R11возникнет местная ОС. Вследствие этого уменьшится коэффициент усиления и увеличится частота верхнего среза до fв_F (рис. 1.2,б).

На рис.1.2,а показана схема каскада на транзисторе V4 с элементами, позволяющими расширять полосу усиливаемых частот. В качестве элемента ОС выступает резистор R'11. Он определяет глубину ОС F на средних частотах, а следовательно и коэффициент усиления с обратной связью. Резистор R''11 зашунтирован конденсатором С5 и на харктеристики усилителя в области верхних частотах влияния не оказывает. При таком методе изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) режим работы транзистора V4 на постоянном токе не должен изменяться. Общее сопротивление в эмиттерной цепи необходимо сохранять прежним R11=R'11+R''11 .



а) б)

Рис.1.2 Высокочатотная эмиттерная коррекция

На рис.1.2,б красным цветом изображена АЧХ каскада усиления на транзисторе V4 (рис.1) с верхней граничной частотой по уроню -3дБ fв _. Синим цветом изображена АЧХ каскада усиления по рис.2,а, в котором ОС создается резистором R'11.Верхняя граничная частота в схеме с ОС fв F > fв _. Дальнейшее увеличение fв F за счет увеличения глубины ОС приведет снова к уменьшению коэффициента усиления. Избежать этого можно применив в схеме рис.2,а эмиттерную высокочастотную коррекцию. Она заключается в том, что параллельно резистору R'11 подключается конденсатор небольшой емкости С_КОР , который шунтирует этот резистор на высоких частотах и тем самым устраняет ОС. Влияние корректирующей ёмкости на АЧХ иллюстрирует рис.2,б, где fвс_кор2 > fвс_кор1, при этом С_КОР2 > С_КОР1.

В области нижних частот АЧХ определяется разделительными конденсаторами С2, С4, C6 и блокировочными конденсаторами С3 и С5, устраняющими местную обратную связь по сигналу.

2. Расчет элементов схемы по постоянному току

Рассчитаем элементы схемы по постоянному току, для данного расчета необходимо начать с обеспечения режимов работы фотодиода и транзисторов по постоянному току. Схема усилителя по постоянному току представлена на рис. 2.1. На этом рисунке показаны только те элементы схемы, по которым протекают постоянные токи.

Рис.2.1 Схема усилителя по постоянному току.

В связи с тем, что конденсаторы не пропускают постоянный ток, рис.2.1 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы: фрагмент с фотодиодом , c полевым транзистором и с биполярными транзисторами.

2.1 Предварительный расчет резисторов по постоянному току

2.1.1 Предварительный расчет резисторов диода V1

Для того что бы рассчитать резисторы в цепи Фотодиода V1 укажем исходные данные:

1)Параметры фотодиода:

V1-ФДК-227:

рабочее напряжение Uраб = 10В,

темновой ток: Iтем = 0,1 мкА,

фототок: I1 = 1 мкА.

проходная ёмкость - Сд =1пФ.

2)напряжение источника питания E0=9В

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рис.2.2.

Рис.2.2 Принципиальная схема цепей питания фотодиода а) и его типовая вольт-амперная характеристика б)

Резисторы R1 и R2 создают обратное смещение на фотодиоде которое подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода.

Выберем напряжение анод-катод фотодиода согласно неравенству:

(1.1.1)Uак, |Uак|<E0<Uраб.

|Uак|<9 В< 10В

Согласно данному неравенству напряжение анод катод принимаем равным:

(1.1.2)|Uак|=8В

Тогда на резисторах (R1 и R2) необходимо создать падение напряжения равное:

(1.2.1)Eo-Uak

(1.2.2) 9-8=1B

Задав напряжение на аноде согласно формуле:

(1.3.1) Ua=0.1Eo

Получим

(1.3.2) Ua=0.1*9

Ua=0.9B

Определим по закону Кирхгофа напряжение на катоде по формуле:

(1.4.1)Uk=Ua+Uak

(1.4.2)Uk=0.9+8

Uk=8.9B

Теперь, Зная фототок I1 равный I1=1мкА вычислим сопротивление резисторов R1 и R2:

(1.5.1) R1=Ua/I1

(1.5.2)R1=0.9/10^-6=9*10⁵

R1=900 кOм

(1.6.1) R2=(Eo-Uk)/I1

(1.6.2) R2=(9-8.9) /10^-6=1*10⁵

R2=100 кOм

Рассчитанные сопротивления резисторов R1, R2 выберем в соответствии с номинальным рядом (приложение №1), выбираем значения ближайшие к расчетному, из ряда заданной точности:

R1=1 МОм ±10%

R2=100 кОм ±10%

На ВАХ фотодиода V1 (рис 2.2,б) показана точка покоя А с координатами (I1,Uak) из которой видно что внутреннее сопротивление светодиода постоянному току в этой точке равно:

(1.7.1)Rд=Uak/I1

(1.7.2)Rд=8/10^-6=8*10⁶

Rд=8 МOм

2.1.2 Предварительный расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2

По условию задан полевой транзистор КП307Б, Укажем его справочные данные:

Ток стока начальный: Iснач=10 мА;

Ёмкость затвор-исток: Cзи = 5 пФ;

Максимальная крутизна: Sмакс=15 мА/В;

Ёмкость проходная: Сзс =1.5 пФ;

Напряжение отсечки: U отс=-5 В;

Напряжение затвор-исток UЗИ = -1 В

Ток утечки затвора: I_УТ.З= 1 нА;

Сопротивление затвор - исток: rзи= U_ЗИ/ I_УТ.З =100 МОм.

2)напряжение источника питания E0= 9В

Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис.3.1

а) б)

Рис. 3.1 Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 а) и типовая вольт- амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом б)

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

Выберем напряжение затвор-исток согласно неравенству:

(3.1.1) Uзи = -1 В

Uзи ? Uотс/2.

Тогда ток стока вычислим по формуле:

(3.2.1) Ic = Ic нач *(1 - Uзи/Uотс)І

(3.2.2) Ic = 10 *10^-3(1 - (-1)/(-5))І,

(3.2.3)Ic=10^-2*(1-0.2)²

(3.2.4)Ic=10^-2*(0.8)²

(3.2.5)Ic=10^-2*0.64

(3.2.6)Ic=6.4 мА

а крутизну по формуле:

(3.3.1)S = Smax*(1- Uзи/Uотс)

(3.3.2)S = 15*10^-3(1 - (-1)/(-5))

(3.3.3)S = 15*10^-3 (0.8)

(3.3.4)S = 12*10^-3(1 - (-1)/(-5))

(3.3.5)S = 12 мА

Как правило, выбирают напряжение на истоке согласно равенству:

(3.4.1)Uи = 0.2 Eo

(3.4.1)Uи = 0.2*9

(3.4.1)Uи = 1.8В

А напряжение сток- исток согласно равенству:

(3.5.1)Uси = E0/2.

(3.5.2)Uси = 9/2.

(3.5.3)Uси = 4.5В

Тогда напряжение на стоке равно:

(3.6.1)Uc = Uи + Uси.

(3.6.1)Uc = 1.8 + 4.5.

(3.6.1)Uc = 6.3 В

Отсюда сопротивление в цепи истока будет равно:

(3.7.1)R6 = Uи/Iс

(3.7.2)R6 = 1.8/6.4*10^-3

(3.7.3)R6 = 0.28125*10³

(3.7.3)R6 = 281.25 Ом

А сопротивление в цепи стока равно:

(3.7.1) R5 = (E0 - Uc)/Ic.

(3.7.2) R5 = (9 - 6.3)/ 6.4*10^-3

(3.7.3) R5 = 2.7/6.4*10^-3

(3.7.4) R5 = 0.421875*10³

(3.7.5) R5 =421.875 Ом

Напряжение на затворе Uз равно:

(3.8.1) Uз = Uи + Uзи

(3.8.1) Uз = 1.8 + (-1)

(3.8.1) Uз = 0.8 В

Рассчитаем сопротивление R4 исходя из заданной верхней частоты fв .Так как частота верхнего среза входной цепи fвх должна быть больше fв, а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью

(3.9.1)С = Сд+Свх+См,

где: Сд - проходная емкость диода V1 (Сд=1пФ)

Свх - входная емкость транзистора V2

См- емкость монтажа (так как паразитная емкость монтажа при различных видах монтажа не постоянна и зависит от типа монтажа, типа печатной платы, количества элементов, промежуточных проводников и узлов то примем ее равной См=2пФ)

Отсюда рассчитываем :

(4.1.1)Свх=Сзи+(S*R5+1)*Cзс

(4.1.2)Свх=5*10^-12+(12*10^-3*421.871+1)*1.5*10^-12

(4.1.3)Свх=5*10^-12+(5.0625+1)*1.5*10^-12

(4.1.4)Свх=5*10^-12+(6.0625)*1.5*10^-12

(4.1.5)Свх=5*10^-12+9.09375*10^-12

(4.1.6)Свх=14.1*10^-12

(4.1.7)Свх=14.1 пФ

Тогда подставив полученные значения в формулу (3.9.1) вычислим суммарную емкость С:

(4.2.1)С= Сд+Свх+См

(4.2.2)С= 1*10^-12+14.1*10^-12+2*10^-12

(4.2.3)С= 17.1*10^-12

(4.2.4)С= 17.1 пФ

Исходя из полученных данных можем рассчитать величину сопротивлений делителя напряжений R4 и R3 по формулам:

(4.3.1) R4?1/(2рfв·С).

(4.3.2) R4?1/(2*3.14*1*10⁶*17.1*10^-12).

(4.3.3) R4?1/(6.28*10⁶*17.1*10^-12).

(4.3.4) R4?1/(107.388*10^-6).

(4.3.5) R4?0.009312027*10⁶

(4.3.6) R4=8200 Ом

(4.3.7) R4=8,2 КОм

(4.4.7) R3= (E0 - U_З)/I_Д2.

Для расчета R3 требуется знать величину тока делителя Iд2 вычисляемого по формуле:

(4.5.1) I_Д2=U_З/R4

(4.5.2) I_Д2=0.8/8200

(4.5.3) I_Д2=0.086*10^-3

(4.5.4) I_Д2=0.097 мА

Подставив полученные данные в формулу (4.4.1) определим величину резистора R3:

(4.4.1) R3= (E0 - U_З)/I_Д2.

(4.4.2) R3= (9 - 0.8)/ 0.097*10^-3

(4.4.3) R3=8.2/0.097*10^-3

(4.4.4) R3= 84536 Ом

(4.4.5) R3= 84.5 КОм

Рассчитанные сопротивления резисторов R3, R4, R5, R6 выберем в соответствии с номинальным рядом (приложение №1), выбираем значения ближайшие к расчетному, из ряда заданной точности:

R3= 82 кОм±10%

R4= 8,2 кОм±10%

R5= 470 Ом±10%

R6=300 Ом ±5%

2.1.3 Расчет по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3, V4

По условию заданы биполярные транзисторы КТ316В, Укажем их справочные данные:

-транзистор биполярный кремниевый;

-UБэ=0.7 В;

- коэффициент усиления по току минимальный: h_{21 min} = 40;

- коэффициент усиления по току максимальный: h_21max=120;

- частота единичного усиления: fт=800 МГц;

-максимальный постоянный ток коллектора: Iк max=30 мА;

-максимальное напряжение коллектор-эмиттер: uкэ max=15 (В);

-постоянная времени цепи обратной связи: ф_к=150 пс;

-ёмкость коллекторного перехода: Ск=3 пФ;

-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе: Р_{К ДОП}=150 мВт.

напряжение источника питания E0=9В

Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис.4.1

Рис.4.1 Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току

Для расчета резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 сначала необходимо выбрать режим работы транзисторов V3 и V4. Выберем ток покоя транзистора V4 по формуле:

(4.5.1) I_К4 ? I_Кmax/2.

(4.5.2) I_К4 ? 30*10^-3/2.

(4.5.3) I_К4 ? 15*10^-3.

(4.5.4) I_К4 =12 мА.

Учитывая, что переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше чем переменный ток коллектора V4 выбираем постоянный коллекторный ток

(4.6.1)I_К3 ? I_К4.

(4.6.2)I_К3 ? 12 мA

(4.6.3)I_К3 = 10 мA

Установив напряжение коллектор-эмиттер V4 по формуле:

(4.7.1) Uкэ,4= E₀/2

(4.7.2) Uкэ,4= 9/2

(4.7.3) Uкэ,4= 4.5 В

и напряжение на эмиттере V4 согласно выражению:

(4.8.1) U_Э4=0.1*E₀

(4.8.2) U_Э4=0.1* 9

(4.8.3) U_Э4=0.9 В

можно определить напряжение которое равно:

(4.9.1) U_Б4= U_Э3 =U_Э4+U_БЭ

где U_БЭ=0.7 В для кремниевых транзисторов

(4.9.2) U_Б4= U_Э3 =0.9+0.7

(4.9.3) U_Б4= U_Э3 =1.6 В

Напряжение на базе V3 определим по формуле:

(5.1.1) U_Б3=U_Э3+U_БЭ

(5.1.1) U_Б3=1.6+0.7

(5.1.1) U_Б3=2.3 В

Напряжение на коллекторе V4 равно:

(5.2.1) U_К4=U_Э4+U_КЭ,4.

(5.2.2) U_К4=0.9₊4.5

(5.2.3) U_К4=5.4 В

Теперь можно вычислить сопротивления резисторов R9, R10 и R11 согласно формулам:

(5.3.1)R9= U_Э3/ I_Э3

(5.4.1)R10= (E0- U_К4)/ I_К4

(5.5.1)R11= U_Э4/ I_Э4

Для вычисления токов базы I_Б3 и I_Б4 и дальнейших расчетов коэффициенты передачи по току h_21,3 и h_21,4 определим с учетом их крайних значений

(5.6.1) .

(5.7.1) I_Б3= I_К3/ h₂₁

(5.8.1) I_Б4 = I _К4/ h₂₁

(5.6.2) h₂₁=69.282

Тогда I_Б3 будет равен:

(5.7.2) I_Б3= 10*10^-3/ 69.282

(5.7.3) I_Б3= 0.144*10^-3

(5.7.4) I_Б3= 0.144 мА

(5.8.2) I_Б4 = 12*10^-3/ 69.282

(5.8.3) I_Б4 = 0.173*10^-3

(5.8.4) I_Б4 = 0.173 мА

(5.9.1) I_Э3 = I_К3+I_Б3=10+ 0.144 =10.144 мА

(5.9.2) I_Э4= I_К4+I_Б4=12+ 0.173 =12.173 мА

и вычислить величины сопротивлений:

(5.3.2) R9= 1.6 / 10.144*10^-3

(5.3.3) R9= 0.158*10³

(5.3.3) R9= 158 Ом

(5.4.2) R10= (9-5.4)/ 12.173*10^-3

(5.4.3) R10= 3.6/12.173*10^-3

(5.4.4) R10= 0.295*10³

(5.4.5) R10= 295 Ом

(5.5.2)R11= 0.9/ 12.173*10^-3

(5.5.3)R11= 0.074*10³

(5.5.4)R11= 74 Ом

Для вычисления сопротивлений R7 и R8 нужно знать ток делителя I_Д3.

Обычно его выбирают согласно неравенству:

(6.1.2) I_Д3 ? 10I_Б3.

(6.1.2) I_Д3 ? 10*0.144*10^-3

(6.1.3) I_Д3 ? 1.44*10^-3

(6.1.4) I_Д3 =1.5 мА

Вычислим сопротивления резисторов R7 и R8 по формулам:

(6.2.1)R7= (E0- U_Б3)/( I_Д3+ I_Б3)

(6.2.2)R7= (9- 2.3)/( 1.5*10^-3+0.144*10^-3)

(6.2.3)R7= (6.7)/( 1.644*10^-3)

(6.2.4)R7= 4.075*10³

(6.2.5)R7= 4.1 КОм

(6.3.1)R8= U_Б3/ I_Д3.

(6.3.1)R8= 2.3/ 1.5*10^-3.

(6.3.1)R8= 1.53*10³.

(6.3.1)R8= 1.5 Ком

Рассчитанные сопротивления резисторов R7, R8, R9, R10, R11 выберем в соответствии с номинальным рядом (приложение №1), выбираем значения ближайшие к расчетному, из ряда заданной точности (Так как в исходных данных не указан необходимый ряд точности выберем ряд E24 +- 5%) тогда:

R7= 3,9Ком ±10%

R8= 1.5 Ком ±10%

R9=160 Ом ±5%

R10=330 Ом ±10%

R11=75 Ом ±5%

На этом расчет по постоянному току закончен.

2.1.4 Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютера

Правильность расчетов сопротивлений удобно проверить с помощью компьютера. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 4.1) преобразуем в эквивалентную схему по постоянному току , заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.5.1), где H₁₁-входное сопротивление биполярного транзистора на постоянном токе.



Рис.5.1 Эквивалентная схема биполярного транзистора по постоянному току

Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели (рис.5.1) коэффициенту передачи тока h₂₁ необходимо присвоить знак минус (например h₂₁=-100 А/А).

Рис.5.2 Определение входного сопротивления для постоянного тока в биполярном транзисторе.

Составим эквивалентную схему (рис.5.3) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. Поэтому рядом с элементами схемы рис.5.3 в скобках указано соответствие каждого из них рис. 1.1 При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные ранее по номинальному ряду.



Рис 5.3 Эквивалентная схема усилительного каскада на V3,V4 по постоянному току

Сопротивления R6 и R7 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 H_11,3 и H_{11 ,4} по постоянному току ( рис. 5.3). Их величины:

R6= H_{11, 3} =U_БЭ/ I_Б3,

R6= H_{11, 3} =0.7/ 0.144*10^-3

R6= H_{11, 3} =4,86*10³

R6= H_{11, 3} =4,86 кОм

R7= H_{11 ,4} =0.7 / 0.173*10^-3

R7= H_{11 ,4} =4.05*10³

R7= H_{11 ,4} =4.05 кОм

Где: U_БЭ=0.7 В.

С помощью программы Fastmean по схеме рис.5.3 вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах. Для этого необходимо выполнить последовательность действий, указанную на рис.5.4



Рис.5.4 Последовательность действий при анализе работы схемы на постоянном токе.

После этого открывается окно с результатами расчетов (рис.5.5).

Рис.5.5 Результаты расчетов на ПК

Сравнение результатов предварительного и компьютерного расчетов удобно представить в виде таблицы (Табл.1).

Направления токов в каждом резисторе схемы рис.5.3 определяются первым законом Кирхгофа. В программе за положительное направление выбрано движение тока от узла с большим номером к узлу с меньшим номером. Знак минус будет говорить о противоположном направлении тока. В таблицу 1 вносим все результаты без учета знака.

Табл.1

N	V3	V4
Токи и напряжения	UБ3	UЭ3	IД2	IЭ3	UЭ4	UК4	IК4
Единицы измерения	В	В	мА	мА	В	В	мА
Расчет предварительный	2,3	1,6	1,5	10	0,9	5,4	12
Компьютерный	2,341	1,626	1,56	10,16	0,9195	5,012	12,09

Результаты совпадают с точностью ? 10%, то расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.

3. Расчет по сигналу

3.1 Расчет коэффициента усиления по току Кi(f) в режиме малого сигнала

3.1.1 Составление эквивалентной схемы

Этот расчет также проведем при помощи программы Fastmean. Для этого составим полную эквивалентную схему усилителя на переменном токе (для всех диапазонов частот). Рекомендуем получать эквивалентную схему из принципиальной (рис.1.1) путем двух последовательных преобразований. Первое преобразование основано на том, что сопротивление источника питания Е0 переменному току равно нулю. Из этого следует, что на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис.1.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом и эквивалентную схему удобно изобразить в виде, показанном на рис.6.1 Соединения указанных резисторов с общим проводом отмечены красным цветом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Чтобы не усложнять вид схемы рис.29, символ общего провода присоединен к коллектору и тоже отмечен красным цветом.

Рис.6.1 Предварительная эквивалентная схема усилителя рис.1.1 на переменном токе

В процессе второго преобразования элементы схемы V1, V2, V3 и V4 заменяются их эквивалентными моделями на переменном токе. Транзисторы заменяются активными четырехполюсниками в виде ИТУН и ИТУТ (рис.30) . Минусы перед показателями передаточных функций отражают поворот фазы сигнала.

а) б)

Рис.6.2. Эквивалентные модели полевого а) и биполярного б) транзисторов для переменного тока.

На рис.6.2,а показана П-образная модель полевого транзистора для переменного тока. Здесь кроме активного четырехполюсника ИТУН представлены внутренние емкости транзисторов. Сопротивление rзи велико и учитывать его нет необходимости.

На рис.6.2,б показана модель биполярного транзистора. В этой схеме используется активный четырехполюсник типа ИТУТ. Здесь также необходимо учитывать внутренние емкости :емкости переходов база-эмиттер С_б'э и база-коллектор С_К. Существенную роль играют сопротивления переходов база-эмиттер r_б'э и сопротивления базового слоя(объёмное сопротивление базы) r_б'б. Входное сопротивление биполярного транзистора на переменном токе h11 = r_б'б+ r_б'э много меньше входного сопротивления на постоянном токе H₁₁. Оно определяется касательной к входной характеристике в точке покоя (рис.6.3).



Рис. 6.3 Определение входного сопротивления биполярного транзистора для постоянного и переменного тока

Сопротивление фотодиода на переменном токе r_д оказывается намного выше, чем на постоянном Rд, поскольку также определяется касательной к характеристике в точке покоя А, но характеристика в фотодиодном режиме пологая (рис.2.2,б). Практически всегда можно считать, что сопротивление на переменном токе r_д бесконечно велико и на эквивалентной схеме не показывать.

Полная эквивалентная схема на переменном токе приведена рис.6.4

Рис.6.4 Полная эквивалентная схема по переменному току

Сопротивления резисторов в схеме рис.32 имеют следующие номинальные значения (Табл.8):

Табл.8

R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10	R11
МОм	кОм	кОм	кОм	Ом	Ом	кОм	кОм	Ом	Ом	Ом
1	100	82	8,2	470	300	3,9	1.5	160	330	75

Элементы, R12- R16 не являются резисторами они деревянные рейки (с) Маслов, как показано на рис.6.4, они отражают эквивалентные сопротивления : внешней нагрузки (R12), собственные сопротивления базового слоя r_б'б (R13, R15) и сопротивления перехода база-эмиттер r_б'э (R14,R16).

Рассчитываем эти сопротивления

R13=R15= r_б'б = ф_к / Ск

r_б'б =150*10^-12/3*10^-12

r_б'б =50 Ом

R14=(25/I_к3)*(1+h₂₁)

R14=(25/10)*(1+69.282)

R14=(2,5)*(70.282)

R14=176 Ом

R16=(25/I_к4)*(1+h₂₁)

R16=(25/12)*(1+69.282)

R16=(2,08)*(70.282)

R16=147 Ом

и заполняем таблицу 9.

Табл.9

R12	R13	R14	R15	R16
кОм	Ом	Ом	Ом	Ом
1	50	176	50	147

В схеме рис.6.4 появились емкость фотодиода (С14), ёмкость внешней нагрузки (С7) и емкости переходов в транзисторах (С8--С13). Ёмкости Cб'э вычисляются

Cб'э= h₂₁/2р r_б'эf_т.

В транзисторе V3

C10 = Cб'э,3 =69,282/2*3.14*176 *800*10⁶ =0.078*10^-12.

C10 = Cб'э,3 =78,3 пФ.

В транзисторе V4

C8= Cб'э,4 =69,282/2*3.14*147 *800*10⁶=94*10^-12

C8= Cб'э,4 =94 пФ.

Значения дополнительных ёмкостей сведены в таблицу 10.

Табл.10

C7	C8	C9	C10	C11	C12	C13	С14
пФ	пФ	пФ	пФ	пФ	пФ	пФ	пФ
5	0,094	3	0,078	3	5	1.5	1

Конденсаторы С1 - С6 выбираем равными 1 мкФ.

3.1.2 Построение амплитудно-частотной характеристики

Используя программу Fastmean , получаем АЧХ коэффициента передачи тока K_i (f) =I(R12)/I1. Зависимость модуля функции передачи от частоты принято строить в децибелах по оси Y и в логарифмическом масштабе по оси частот. Для этого в диалоговом окне устанавливаем масштаб по частоте “Логарифмич.”, а выражение по оси Y заключаем в скобки и перед ним вставляем db, как показано на рис.6.5

Рис.6.5 Диалоговое окно для установки параметров частотных характеристик

На рис.6.6 показана АЧХ коэффициента усиления тока. На средних частотах усиление составляет 79,7 дБ. Перемещая линейку определяем полосу пропускания усилителя по уровню -3 дБ по отношению к средним частотам. Заметим, что в программе Fastmean предусмотрен вывод на одно поле только одной линейки.

Рис. 6.6 АЧХ коэффициента усиления тока

Нижняя граничная частота практически равна нижней граничной частоте, указанной в задании. Верхняя граничная частота немного выше верхней граничной частоты, указанной в задании, что не противоречит требованиям технического задания, т.к. задание выполнено с небольшим запасом (1 дБ).

На рис.6.7 показаны для сравнения АЧХ коэффициентов усиления по току K_i (f)=I(R12)/I1, напряжению К(f)= U(14)/U(1) и мощности К_P= K_i (f) * К(f). Эти построения в курсовом проекте делать необязательно.

Рис.6.7 АЧХ коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности

3.2 Расчет сопротивления передачи

Используя программу Fastmean , получаем также частотную характеристику сопротивления передачи R(f) = U(14)/I1. Для этого в диалоговом окне производим необходимые изменения. Устанавливаем на обеих осях логарифмические масштабы и убираем db из отношения U(14)/I1 , как показано на рис. 6.8.



Рис.6.8 Установка параметров частотной характеристики для изображения передаточного сопротивления.

В этом случае на оси Y откладывается сопротивление передачи в омах в логарифмическом масштабе (рис.6.9).



Рис.6.9 Частотная характеристика сопротивления передачи

На средних частотах сопротивление передачи составляет R=7,95 МОм. Рассчитаем максимальное выходное напряжение спроектированного усилителя-- преобразователя ток-напряжение. Амплитуду тока сигнала определяем как разность между током фотодиода в точке покоя и темновым током

I_m=I1-Iтем=1мкА-0.1мкА= =0.9мкА.

Амплитуда выходного напряжения будет равной

U_m(14)=I_m*R=0.9*10^-6*7,95*10⁶=7,155В.

3.2.1 Выполнение технических условий

Для удобства определения полосы пропускания уменьшим частотный диапазон характеристики сопротивления передачи (рис.7,1). Граничные частоты находим по уровню 0.707 по отношению к значению на средних частотах.(7,95*0,707=5,62)

Из рис.7,1 следует, что нижняя граничная частота оказывается выше указанной в техническом задании (f=37.482кГц>10кГц), а верхняя граничная частота -больше заданной (1МГц).

Рис.7,1 Определение граничных частот по уровню 0.707

Для выполнения технических условий в области нижних частот необходимо увеличивать емкости разделительных и блокирующих конденсаторов. Попробуем определить, какой из конденсаторов в большей мере ограничивает полосу пропускания в области нижних частот. Для этого построим частотные характеристики (рис.7,2) передаточных сопротивлений в узлах 3,6,13 и 14 из рис.7,2



Рис. 7,2 Характеристики передаточных сопротивлений в различных узлах схемы.

Рис. 7,2 а показывает, что участок схемы от источника сигнала до узла 3 (U(3)/I1) практически не создает спада характеристики в области нижних частот. Он произойдет на частотах ниже 10 Гц. Увеличивать емкости конденсаторов С1 и С2 не требуется.

На характеристике рис.7,2,б, построенной для участка схемы от источника сигнала до узла 6 (U(6)/I1), ярко выраженный спад наблюдается на частотах в несколько кГц, что вполне удовлетворяет техническому заданию на fн =10 кГц. Ёмкости конденсаторов С3 и С4 можно также оставить без изменения.

Однако, на характеристике рис.7,2,в, построенной для участка схемы от источника сигнала до узла 13 (U(13)/I1), низкочастотный спад начинается уже на частотах в несколько десятков кГц и на частоте 10 кГц оказывается недопустимым.

Характеристика рис. 7,2,г (U(14)/I1), соответствующая всему устройству, незначительно отличается от характеристики рис.7,2,в. Исходя из этого делаем вывод, что нужно в первую очередь увеличивать емкость конденсатора С5. Увеличив емкость только одного конденсатора ( установив С5= 6,8мкФ), получаем вполне удовлетворительное решение (рис.7,3).

Рис.7,3 Частотная характеристика сопротивления передачи, удовлетворяющая требованиям технического задания.

На рис.7,3 стрелки линеек установлены на граничные частоты по техническому заданию. Модуль сопротивления передачи на этих частотах превышает необходимый уровень 0.707 от 7,95МОм, равный 5,62 МОм. Задание выполнено с достаточной в технических расчетах точностью.

На этом расчет заканчивается.

широкополосной усилитель постоянный ток

Литература

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. -2-е изд., исправ. - М.: Горячая линия - Телеком 2001.

2. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб.пособие для студ. высш.учеб.заведений.- М.: Издательский центр “Академия “, 2008.

3. Алексеев А.Г., Климова П.В. К расчету резисторных каскадов. Методические указания. 2009. www.viso.ru

4. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов/ В.А. Андреев и др.; под ред. О.В. Головина - М.: Радио и связь, 1993.

5. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. - 2е изд. - перераб. и доп. - М.: Радио и связь. 1983.

6. www. fastmean.ru. Официальный сайт программы FASTMEAN

7. Справочник по электрическим конденсаторам Дьяконов М.Н. и др. Под общей ред. Четвертакова И.И. и Смирнова В.Ф.--М.: Радио и связь,--1983.

8. Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС. Руководство по анализу и расчёту: Пер. с англ. - М.: Мир, 1992.

9. Титце У.,Шенк К. Полупроводниковая схемотехника -Т.1.-М.:Додека-ХХI,2008.

10. Уве Наундорф. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование Москва: Техносфера,2008.

11. Д.Крекрафт, С.Джерджли Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигнала Москва: Техносфера,2005.

10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники-изд.7.-М.: ФОТОН,2010.

Приложение

Номинальные ряды резисторов:

Номиналы промышленно выпускаемых электронных компонентов (сопротивление резисторов, ёмкость конденсаторов, индуктивность небольших катушек индуктивности) не являются произвольными. Существуют специальные ряды номиналов, представляющие собой множества значений от 1 до 10. Номинал детали определённого ряда является произвольным значением из соответствующего множества, умноженным на произвольный десятичный множитель (10 в целой степени). Например: резистор из ряда E12 может иметь один из следующих номиналов (сопротивлений):

· 1,2 Ом

· 12 Ом

· 120 Ом

· …

· 1,2 МОм

· 12 МОм

Название ряда указывает общее число элементов в нём, т. е. ряд E24 содержит 24 числа в интервале от 1 до 10, E12 -- 12 чисел и т. д. +1 для всех единиц измерений Ом, кОм, МОм. Выбирается значение, ближайшее к расчетному из ряда заданной точности.

Каждый ряд соответствует определённому допуску в номиналах деталей. Так, детали из ряда E6 имеют допустимое отклонение от номинала ±20 %, из ряда E12 -- ±10 %, из ряда E24 -- ±5 %. Собственно, ряды устроены таким образом, что следующее значение отличается от предыдущего чуть меньше, чем на двойной допуск.

Значения номиналов для некоторых рядов приведены в таблице:

Номинальные ряды E3, E6, E12, E24
E3	E6	E12	E24
1,0	1,0	1,0	1,0
			1,1
		1,2	1,2
			1,3
	1,5	1,5	1,5
			1,6
		1,8	1,8
			2,0
2,2	2,2	2,2	2,2
			2,4
		2,7	2,7
			3,0
	3,3	3,3	3,3
			3,6
		3,9	3,9
			4,3
4,7	4,7	4,7	4,7
			5,1
		5,6	5,6
			6,2
	6,8	6,8	6,8
			7,5
		8,2	8,2
			9,1

Размещено на Allbest.ru

...