Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

Исходные данные

Вариант №20–30

Тип проводимости	UвхmмВ	Rг, Ом	Pн, Вт	Iн, мA	tomax, oC	∆f		MОСн(ω)	MОСв(ω)
						fн, Гц	fв, КГц
p-n-p p-канал	200	20	0.22	7	+ 65	65	65	0.76	0.76

 

 

Расчетная часть

 

Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

 

Вычислим амплитудное значение напряжения на выходе:

 

,

 

По известным значениям U_нm и U_вхm рассчитываем K_oc

 

 

Усилителю с отрицательной обратной связью соответствует коэффициент передачи:

 

. (1).

 

Определим число каскадов усилителя.

Пусть число каскадов равно 1 (n = 1):

 

, ,

 

где M _ос (w) – коэффициент частоты каскадов.

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K b. , тогда получим корни , выбираем отрицательный корень , и подставляем в уравнение (1),

, т.е. одного каскада будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 2 (n = 2):

 

,

 

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K b

 

 

тогда из полученных корней выбираем отрицательный , и подставляем в уравнении (1),  т.е. двух каскадов тоже будет не достаточно.

Пусть число каскадов усилителя равно 3 (n = 3):

 

,

 

Из этой формулы составим квадратное уравнение, и решим его относительно K b

 

 

тогда из полученных корней выбираем отрицательный , и подставляем в уравнение (1),  т.е. усилитель может быть реализован на трех каскадах.

Расчет элементов выходного каскада

 

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора I к_А и напряжения U кэ _A в схеме рис. 1, в первоначальном предположении R э= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U _НМ и тока коллектора I _НМ, которые по заданным значениям U _Н и I _Н определяются как U _НМ = U _Н = 44.4 [В] и I _НМ = I _Н. = = 0.0098 [А].

Определим вид транзистора:

P _К = U _НМ I _НМ =0.43 [Вт], транзистор средней мощности.

Определим напряжение U _КЭА из выражения:

=46.4 [В], (для транзисторов средней мощности U _ЗАП = (2¸2.5) [В])

 

Рис. 1. Схема усилительного каскада

 

 где K _З –коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

Е_П=2 U _КЭА =92.88 [B]

Сопротивление R_K находим как:

Сопротивление R_Э вычисляется:

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно  включается . Для переменного сигнала будет идти по какой-либо другой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А.

Поэтому строим динамическую линию нагрузки.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом .

 

; ;

 

где K_M =1000 масштабный коэффициент.

Выбирая значенияE_П из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие . В нашем случае условие выполнилось при E _П =100 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R ₁, R ₂. Выберем такой транзистор, у которого  и . В нашем случае таким транзистором может быть транзистор КТ814Г.

Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:

 

 

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h _{11Э :}

 

Рассчитаем величину  по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t ₀; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.  вычислим как , выберем . Рекомендуемое значение N вычисленное как

 

;

 

Вычислим R₁, R_{2 :}

 

 

где

Корректность расчета оценим вычислением тока I _дел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I _дел по формуле:

 

 

Полученное значение удовлетворяет соотношению

Найдем сопротивление резистивного делителя:

 

 

Найдем входное сопротивление данного каскада

 

.

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C ₁,

C ₂, C ₃ рассчитаем по следующим формулам:

 

;

;

;

 

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада

 

Определим выходные параметры для промежуточного каскада:

 

2.3 Расчет элементов промежуточного каскада

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора I к_А и напряжения U кэ _A в первоначальном предположении R э= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U _НМ и тока коллектора I _НМ, которые по заданным значениям U _Н и I _Н определяются как U _НМ = U _Н = 1.05 [В] и I _НМ = I _Н. == 0.0008 [А].

Определим вид транзистора:

P _К = U _НМ I _НМ =0.84 [мВт], значит транзистор малой мощности

Определим напряжение U _КЭА из выражения:

=3.55 [В], (для транзисторов малой мощности U _ЗАП = (1¸2.5) [В])

 где K _З –коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

Е_П=2 U _КЭА =7,1 [B]

Сопротивление R_K находим как:

Сопротивление R_Э вычисляется:

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно  включается . Для переменного сигнала будет идти по какой-либо другой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А. Поэтому строим динамическую линию нагрузки.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом .

 

; ;

 

где K_M =1000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияE_П из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие . В нашем случае условие выполнилось при E _П =10 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R ₁, R ₂. Выберем такой транзистор, у которого  и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.

Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:

 

 

где D I _К, D I _Б – окрестность рабочей точки А

Найдем ток I _БА:

По входным характеристикам транзистора определим величину U _БЭА =0,71 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h _{11Э :}

 

 

Рассчитаем величину  по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t ₀; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.  вычислим как , выберем .

Рекомендуемое значение N вычисленное как

 

;

 

Вычислим R₁, R_{2 :}

 

 

где

Корректность расчета оценим вычислением тока I _дел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I _дел по формуле:

 

Полученное значение удовлетворяет соотношению

Найдем сопротивление резистивного делителя:

 

 

Найдем входное сопротивление данного каскада

 

.

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C ₁,

C ₂, C ₃ рассчитаем по следующим формулам:

 

;

;

;

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада:

 

Определим выходные параметры для входного каскада:

 

2.4 Расчет элементов входного каскада

Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А транзистора в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора I к_А и напряжения U кэ _A в первоначальном предположении R э= 0. т.е. при заземленном эмиттере.

Точку покоя выберем исходя из заданных значений амплитуды напряжения на коллекторе U _НМ и тока коллектора I _НМ, которые по заданным значениям U _Н и I _Н определяются как U _НМ = U _Н = 0.11 [В] и I _НМ = I _Н. = 0.00012 [А].

Определим вид транзистора:

P _К = U _НМ I _НМ =0.013 [мВт], транзистор малой мощности

Определим напряжение U _КЭА из выражения:

=2.61 [В], (для транзисторов малой мощности U _ЗАП = (1¸2.5) [В])

 где K _З –коэффициент запаса равный (0.7¸0.95)

Е_П=2 U _КЭА =5.22 [B]

Сопротивление R_K находим как:

Сопротивление R_Э вычисляется:

Считаем, что на вход подается какой-либо переменный сигнал, тогда для переменного сигнала параллельно  включается . Для переменного сигнала будет идти по какой-либо другой динамической линии нагрузки. Она будет обязательно проходить через А. Поэтому строим динамическую линию нагрузки.

Через точку А проводим линию динамической нагрузки, под углом .

 

; ;

 

где K_M =10000 масштабный коэффициент

Выбирая значенияE_П из стандартного ряда, тем самым изменяя положениединамической линии нагрузки, проверяем условие . В нашем случае условие выполнилось при E _П =6.3 [B].

Расчет элементов фиксации рабочей точки

Фиксация рабочей точки A каскада на биполярном транзисторе (рис. 1) осуществляется резистивным делителем R ₁, R ₂. Выберем такой транзистор, у которого  и . В данном случае таким транзистором может быть транзистор КТ209A.

Из положения рабочей точки и выходных характеристик транзистора, рассчитаем величину дифференциального коэффициента передачи тока базы b:

 

 

где D I _К, D I _Б – окрестность рабочей точки А

Найдем ток I _БА:

По входным характеристикам транзистора определим величину U _БЭА =0,55 [B]

Так же из входной характеристики находим входное дифференциальное сопротивление транзистора h _{11Э :}

 

 

Рассчитаем величину  по следующему эмпирическому соотношению: , где - тепловой ток коллекторного перехода, заданный в справочнике при температуре t ₀; А = 2,5 для кремниевых транзисторов.  вычислим как , выберем .

Рекомендуемое значение N вычисленное как ;

Вычислим R ₁, R _2:

 

 

где

Корректность расчета оценим вычислением тока I _дел, причем необходимо соблюдение неравенства . Вычислим I _дел по формуле:

 

 

Полученное значение удовлетворяет соотношению

Найдем сопротивление резистивного делителя:

Найдем входное сопротивление данного каскада

 

.

 

Расчет емкостных элементов усилительных каскада

Для каскадов на биполярном транзисторе (рис. 1) значение емкостей конденсаторов C ₁,

C ₂, C ₃ рассчитаем по следующим формулам:

 

;

;

;

Расчет коэффициента усиления напряжения каскада

2.5 Расчет элементов цепи ООС

По вычисленным в п. 2.1. значениям  и  рассчитаем величину

 

.

 

Найдем величину сопротивления обратной связи из следующего соотношения:

 

;

;

R_ОС = 77160 [Ом].

Расчет коэффициента усиления напряжения усилителя

 

Рассчитываемый коэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов. усиления всех трех каскадов:

 

 Что превышает необходимое 222.

 

Моделирование

Моделирование будем выполнять с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 3. В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики как отдельных каскадов усилителя, так и всей структуры в целом. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: