Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича"

Курсовой проект

на тему: "Проектирование усилителя-фотоприёмника ВОСПИ"

Кокин С.А.

Санкт-Петербург 2020 г.

Проектное задание

По заданным техническим условиям необходимо спроектировать устройство, работающее в режиме малого сигнала

· Параметры фотодиода типа V1-ФДК-227:

Рабочее напряжение Uраб = 10В

Темновой ток Iтем = 0,1 мкА

Амплитуда фототока Im1 = 1 мкА

· Параметры полевого транзистора типа КП 307Б:

Напряжение затвор-исток Uзи = -1 В

Начальный ток стока Ic нач = 10 мА

Крутизна макс. Smax = 15 мА/В

Напряжение отсечки Uотс = -2,5 В

Входная емкость Cзи = 5 пФ

Проходная емкость Сзс = 1,5 пФ

· Параметры биполярных транзисторов типа КТ 316В:

Напряжение база-эмиттер Uбэ = 0,7 В

Мин. коэфф. усиления по току h21min = 40

Макс. коэфф. усиления по току h21max = 120

Частота единичного усиления fT = 800 МГц

Макс. постоянный ток коллектора Iк max = 30 мА

Макс. напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max = 15 В

Постоянная времени цепи ОС фк = 150 пс

Емкость коллекторного перехода Ск = 3 пФ

Допустимая мощность, рассеиваемая Pк = 150 мВт

на коллекторе

· Напряжение источника питания Е 0 = 12 В

· Выходное напряжение (действующее значение) U2н = 2.3 В

· Нижняя частота = 10 кГц

· Верхняя частота = 2 МГц

· Параметры микросхемы AD1 операционного усилителя типа ОРА 655:

Частота единичного усиления f1 = 400 МГц

Коэффициент усиления ОУ k = 55 дБ

· Конденсаторы С 1 = С 2 = …= С 8 = 5 мкФ

· Сопротивление внешней нагрузки R2н = 3 кОм

· Ток источника сигнала Im1=1 мкА

Принципиальная схема

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 1.

Усилитель состоит из предварительных каскадов и основного усилителя.

Источником сигнала является ток фотодиода - V1.

Элементы С 1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е 0).

В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор. Входная цепь устройства образована входным сопротивлением каскада V2 и суммарной емкостью С, состоящей из проходной емкости СД фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См. Входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе. Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза .

Биполярный транзистор V3, включенный по схеме общий коллектор (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Транзистор V4 включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Его нагрузкой является делитель напряжения на резисторах R12 и R13, обеспечивающий потенциал средней точки однополярного напряжения питания Е 0 операционного усилителя AD1.

Для расширения полосы пропускания в области верхних частот применяестя отрицательная обратная связь и основанная на ней эмиттерная коррекция (R11,C5).

В области нижних частот АЧХ определяется разделительными конденсаторами С 2,С 4,C6,С 7,С 8 и блокировочными конденсаторами С 3 и С 5, устраняющими местную обратную связь по сигналу.

Основное усиление сигнала по напряжению выполняет ОУ AD1, на неинвентирующий вход которого подается сигнал и напряжение смещения с делителя R12, R13, необходимое для получения симметричного питания ОУ в схеме с однополярным источником Е 0.

Расчет элементов схемы по постоянному току

Расчет элементов необходимо начать с обеспечения режимов работы фотодиода и транзисторов по постоянному току. Схема усилителя по постоянному току представлена на рис. 2.

Предварительный расчет резисторов по постоянному току

Рис.2 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы: фрагмент с фотодиодом, c полевым транзистором и с биполярными транзисторами. В связи с этим расчет для каждого элемента будем проводить отдельно.

Предварительный расчет резисторов фотодиода V1



На рис. 3 приведен фрагмент схемы с фотодиодом.

При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток Iтем = 0,1мкА. Он практически не создаёт падения напряжения на резисторах R1,R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается всё напряжение питания Е 0.

Вольт-амперная характеристика фотодиода V1 представлена на рис.4.

Также на этом рисунке показана нагрузочная линия, проходящая через точку (Uак,I1). Сопротивление фотодиода в этой точке Rд=Uак/I1. Выберем напряжение анод-катод такое, что |Uак|<E0. Пусть |Uак| = 6 В. Тогда на резисторах R1+R2 должно быть падение напряжения, равное E0-Uак = 6 В. Задав напряжение на аноде Uа = 0,1Е 0 = 1,2 В, определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде Uк = Uа + Uак = 1,2 В + 6 В = 7,2 В. Теперь, зная фототок (Im1 = 1 мкА), вычислим сопротивления резисторов R1 и R2:



R1 = Uа/Im1 = 1,2 В/1 мкА = 1200 кОм

R2 = (E0-Uк)/Im1 = (12 В-7,2 В)/1 мкА =

= 4800 кОм

Результат: R1= 1200 кОм, R2 = 4700 кОм.

Предварительный расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2

На рис. 5 приведен фрагмент схемы с полевым транзистором V2.

Для расчета резисторов R3, R4, R5, R6 необходимо для начала рассчитать точку покоя полевого транзистора V2 (Uзи,Ic).

Uзи принимаем равным (-1).

Ток покоя стока определяется по формуле:

Крутизна:

ВАХ полевого транзистора представлена на рис.6.

Примем напряжение на истоке Uи = 0,2Е 0 = 2,4 В, а напряжение сток-исток Uси = Е 0/2 = 6 В. Тогда напряжение

Uс = Uи + Uси = 8,4 В.

Найдем сопротивления резисторов R5 и R6:

R5 = (E0 - Uc)/Ic = 3,6 В/3,6 мА = 1 кОм.

R6 = Uи/Ic = 2,4 В/3,6 мА = 0,67 кОм.

Напряжение на затворе Uз = Uи + Uзи = 2,4 В - 1 В = 1,4 В.

Рассчитаем сопротивление резистора R4, исходя из заданной верхней частоты :

, где С = Сд + Свх + См.

Сд - проходная емкость диода, Cд = 1,5 пФ

Свх - входная емкость транзистора V2,

Cвх = Cзи + (SR5 + 1)Cзс = 5 пФ+(9 мА/В *1 кОм+ +1)1,5 пФ = 20 пФ

См = 1 пФ

Отсюда С = 22,5 пФ, R4 ? 1/(2 * 3,14 * 2 МГц * 22,5 пФ), R4 ? 3,54 кОм.

Примем R4 = 2 кОм.

R3=(E0-Uз)/IД 2, где IД 2 =Uз/R4=1,4В/2кОм=0,7 мА - ток делителя. Отсюда R3 =15,14 кОм.

Результат: R5=1 кОм, R6=0,68 кОм, R4=2 кОм, R3=15 кОм

Анализ по постоянному току в FASTMEAN

Для анализа по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2 при помощи программы FASTMEAN, необходимо построить схему, изображенную на рисунке 7.1. Чтобы учесть нелинейность проходной ВАХ полевого транзистора, задаём вольтамперную характеристику нелинейного резистора (NLR). ВАХ NLR приведена на рисунке 7.2.

Рис 7.1.

Рисунок 7.2.

Результаты анализа приведены на рисунке 7.3, для наглядности занесены в таблицу 6. При использование метода узловых напряжений.



Рис 7.3.

Таблица 6.

	,мА	,В	,В	,В	,мА	,В
Расчёт	3.6	2.4	8.4	1.4	0.7	-1
Компьютер	3.56	2.421	8.44	1.412	0.7059	-1.009

Вывод: Результаты ручных расчётов достаточно совпадают с результатами компьютерного анализа, следовательно, расчёты выполнены верно. усилитель резистор фотодиод

Расчет по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3, V4



На рис. 8 приведен фрагмент схемы с БТ V1 и V2.

Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.

Примем ток покоя транзистора V4 Iк 4 = 6 мА, постоянный коллекторный ток транзистора V3 Iк 3 = 5 мА. Установим напряжение коллектор-эмиттер V4 Uкэ 4 = Е 0/2 = 6 В и напряжение на эмиттере V4 Uэ 4 = 0,1Е 0 = 1,2 В.

Определим:

Напряжение базы

V4 Uб 4 = Uэ 3 = Uэ 4 + Uбэ = 1,2 В + 0,7 В = 1,9 В,

где Uбэ = 0,7 В для кремниевых транзисторов.

Напряжение на базе V3 Uб 3 = Uэ 3 + Uбэ = 1,9 В + 0,7 В = 2,6 В.

Напряжение на коллекторе V4 Uк 4 = Uэ 4 + Uкэ 4 = 1,2 В + 6 В = 7,2 В.

Токи баз транзисторов V3, V4 Iб 3 = Iк 3/h21 = 5 мА/70 = 71 мкА, Iб 4 = Iк 4/h21 = 6 мА/70 = 86 мкА,

где h21 = = 70

Эмиттерные токи транзисторов

Iэ 3 = Iк 3 + Iб 3 = 5 мА + 71 мкА = 5,07 мА,

Iэ 4 = Iк 4 + Iб 4 = 6 мА + 86 мкА = 6,09 мА.

Ток делителя IД 3 ? 10Iб 3. Пусть IД 3 = 0,7 мА.

Рассчитаем резисторы:

R7 = (Е 0-Uб 3)/(IД 3+Iб 3) = (12 В - 2,6 В)/(0,7 мА + 0,07 мА)=9,4 В/0,77 мА = 12,2 кОм.

R8 = Uб 3/IД 3 = 2,6 В/0,7 мА = 3,714 кОм

R9 = Uэ 3/Iэ 3 = 1,9 В/5,07 мА = 375 Ом

R10 = (E0-Uк 4)/Iк 4 = (12 В - 7,2 В)/6 мА = 3,7 В/6 мА = 800 Ом

R11 = Uэ 4/Iэ 4 = 1,2 В/6,12 мА = 197 Ом

Результат: R7 = 12 кОм R8 = 3.7 кОм

R9 = 360 Ом R10 = 820 Ом R11 = 200 Ом

Расчет по постоянному току в схеме на ОУ

Резисторы R12, R13, с одной стороны, должны обеспечить "среднюю точку" напряжения питания E0/2 на ОУ, и потому R12=R13, с другой стороны, их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого R12=R13=5 R10=5*800Ом=4 кОм.

Результат: R12=3.9кОм R13=3.9кОм

Результаты расчета резисторов по постоянному току

R1 = 1200 кОм R8 = 3.7 кОм

R2 = 4700 кОм R9 = 360 Ом

R3 = 15 кОм R10 = 820 Ом

R4 = 2 кОм R11 = 200 Ом

R5 = 1 кОм R12 = 3.9 кОм

R6 = 0,68 кОм R13 = 3.9 кОм

R7 = 12 кОм

Проверка расчета по постоянному току с помощью программы FASTMEAN

Проверим правильность расчета сопротивлений с помощью программы Fastmean. Для этого преобразуем принципиальную схему в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.9).

Здесь Н 11,3=Uбэ/Iб 3 - входное сопротивление база-эмиттер.

На рис.10 представлена эквивалентная схема замещения каскадов на транзисторах V3, V4, а также результаты анализа по постоянному току в программе Fastmean.



Сравним рассчитанные и экспериментальные данные:

Параметр	V3	V4
Токи и напряжения	Uб 3,В	Uэ 3,В	IД 3,мА	Iэ 3,мА	Uэ 4,В	Uк 4,В	Iк 4,мА
Расчет	2.6	1.9	0,7	5.07	1.2	7.2	6
Эксперимент	2.617	1.873	0.707	5.2	1.187	7.201	5.853

Поскольку результаты совпадают, можно сделать вывод, что расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.

Расчет по сигналу.

Расчет по сигналу биполярных транзисторов V3 и V4

Этот расчет также проведем при помощи программы Fastmean . Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.

Учитывая, что сопротивление источника питания Е 0 переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1, V2, V3, V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе.

Источником сигнала является фототок Im1 диода V1. Cопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольт-амперной характеристике в точке А. Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току rД=?u/?i оказывается значительно больше, чем сопротивление постоянному току RД, и rД достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока. Чрезвычайно большое сопротивление rД учитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается учесть лишь ёмкость фотодиода СД (рис.11.1,а). На рис.11.2(б). изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

а) б)

Рис.11.1 Модель фотодиода на переменном токе а) и эквивалентная схема входной цепи б)

На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН--источник тока, управляемый напряжением (рис.5.2,а). Это значит, что выходной ток (ток стока iC) управляется входным напряжением (затвор-исток uЗИ), т.е.

В данной модели:

· Cзи - емкость затвор-исток транзистора, пФ

· Сзс - проходная емкость, емкость перехода затвор-сток, пФ.

Величина этих ёмкостей дается в справочниках по транзисторам.

· S -крутизна в точке покоя, мА/В

Сопротивление перехода затвор-исток очень велико.

а) б)

Рис.11.2. Эквивалентная модель полевого транзистора V2 (ИТУН) а) и биполярного транзистора V3 и V4 (ИТУТ) б) по сигналу.

Биполярные транзисторы V3 и V4 заменяем каждый активным четырехполюсником типа ИТУТ - источник тока, управляемый током (рис.11.2,б). Здесь выходной ток iК управляется током базы iб.

В этой модели rб'б- объёмное сопротивление базового слоя, Ом. Находим его из выражения:

, где

· rб'б - объемное сопротивление базового слоя биполярного транзистора (V3, V4)

· фк - постоянная времени

· CK - емкость коллекторного перехода

, где

h21- коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ)

Рассчитаем Cб'э -емкость перехода база-эмиттер:

Ф

Ф

Расчет ОУ.

Модель, удобная для учебного процесса, показана на рис. 11.3. Она содержит два операционных усилителя ОУ 1 и ОУ 2. Первый обеспечивает дифференциальный вход устройства с бесконечно большим входным сопротивлением, второй - нулевое выходное сопротивление и служит буфером обмена между моделью ОУ и внешними цепями (в первую очередь цепями ОС). Частотные свойства исследуемого ОУ двумя ИТУН с соответствующими RC-элементами. Следует отметить, что использование ИТУН дает более простую модель, чем использование ИТУТ, отображающего реально действующие в ОУ биполярные транзисторы.



Рис. 11.3. Макромодель ОУ.

Здесь можно выделить четыре узла. Первый узел (ОУ 1) задает собственный коэффициент усиления моделируемого ОУ

m = 10(n / 20)

n - значение в децибелах, m - отношение в разах.

m = 10(55 / 20) =562

Второй узел (ИТУН 2) отражает полюс функции передачи, создаваемый дифференциальным каскадом. Крутизна и дают коэффициент усиления этого узла

,

частоту полосы определяет постоянная времени , из условия

Третий узел (ИТУН 3) выполняет аналогичную функцию. В этом узле формируется полюс , так же при коэффициенте усиления , . Знак минус перед крутизной в обоих случаях отражает поворот фазы в ДК и каскаде усиления напряжения (ОЭ).

Рассчитываем ёмкости C16 и С 17:

Четвёртый узел (ОУ 2) моделирует оконечный каскад, построенный по схеме с общим коллектором, он характеризуется коэффициентом усиления К=1 и не поворачивает фазу сигнала, поэтому инвертирующий вход заземлён.

Соединив модели активных элементов согласно принципиальной схеме, получаем эквивалентную схему усилителя по сигналу для всех диапазонов частот (рис. 12.). Номера внешних резисторов R1 - R15 и конденсаторов С 1 - C8 этой схемы соответствуют номерам резисторов и конденсаторов принципиальной схемы.



Рис.12. Полная эквивалентная схема усилителя

выбраны равными 5 мкФ. Остаются неизвестными значения резисторов R14 и R15, поскольку не определён коэффициент усиления каскада на ОУ . Напряжение . Напряжение определяем, активировав клавишу "переходный процесс" (рис. 13.), установив предварительно в источнике сигнала ток Im1 = 1мкА и среднюю частоту заданного диапазона f = 141кГц.

Рис. 13. Напряжение в 13 узле эквивалентной схемы

Следует помнить, что в этом случае компьютер покажет амплитуду сигнала U13m. Тогда искомый коэффициент усиления будет

.

Рассчитываем

т.к. , то

Рассчитаем

По номинальному ряду (табл. 5):

Теперь можно определить частотные свойства всего усилителя с помощью Fastmean. Придав элементам схемы рис.5.4. соответствующие значения можно определить зависимость сопротивления передачи от частоты R(f)=UВЫХ/I1. Для этого в диалоговом окне набираем U(21)/I1. В связи с тем, что исследуемая функция не безразмерная, представлять её в децибелах, как коэффициент усиления, нельзя. Шкалы по X и Y устанавливаем логарифмическими.

По функции сопротивления передачи определяем, удовлетворяет ли усилитель требованиям технического задания. Если т.з., а т.з., то спроектированный усилитель будет удовлетворять требованиям технического задания. Индекс "т.з." обозначает " техническое задание". Вызвав линейку на экран, вычисляем частоты верхнего и нижнего среза , при которых по определению коэффициент передачи становится равен (Рис. 14.), где - сопротивление на средней частоте.

Рис.14.

Рис.14.1.

Рис.14.2.

Проверим в частотном диапазоне используя Рис.14.1 и Рис.14.2:

т.з.,

т.з.,

Проверим по уровню сигнала с помощью переходной характеристики:

Рис 15. Переходная характеристика узла

Найдем действующие значение напряжения:

,

следовательно выполняется условие

, т.к .

Вывод: Расчет сделан правильно. Усилитель отвечает требованиям технического задания.

Обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
R14	Резистор МЛТ-0,125 1.2 кОм ±5%	1
R15	Резистор МЛТ-0,125 2 кОм ±5%	1
R16,R18	Резистор МЛТ-0,125 50 Ом ±5%	2
R17	Резистор МЛТ-0,125 360 Ом ±5%	1
R19	Резистор МЛТ-0,125 300 Ом ±5%	1
R20,R21,R22	Резистор МЛТ-0,125 1 кОм ±5%	3



Размещено на Allbest.ru

...