Принципиальная схема усилителя на основе полевых и биполярных транзисторов

курсовая работа

3.1 Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых произвожу расчёт требуемого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений пассивных элементов.

Рассчитываем параметры элементов выходного каскада. Транзистор выходного каскада VT2 выбирается по току покоя Iк.о., который должен в 23 раза превышать ток нагрузки:

. (1)

Отсюда,

.

Для выходного контура, используя ЗНК, составляю уравнение:

(2)

Для схемы с разделённой нагрузкой в качестве выходного применется фазоинверсный каскад для которого справедливы соотношения:

; .

Выбираю биполярный транзистор структуры p-n-p, пользуясь приложением 4 [1], марки 2Т3704-1. На рисунке 3.1 приведены входные и выходные ВАХ 2Т3704-1.

На выходных характеристиках БТ строю нагрузочную прямую и определяю положение рабочей точки (А). Координаты точки РТ IК.рт = 4,72 мА, UКЭ.рт = 4,5 В, IБ.рт = 43 мкА, UБЭрт = 0,78 В.

В каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора, эмиттера:

.

Рисунок 3.1 - Семейство входных (а) и выходных (б) ВАХ БТ 2Т3704-1

Для проведённых расчётов проверяем выполнение ЗНК для выходного контура второго каскада:

.

Коэффициент усиления каскада с разделенной нагрузкой складывается из коэффициента передачи эмиттерного повторителя и коэффициента усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

КU2=KЭП+KОЭ . (3)

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:

, (4)

. (5)

Для расчёта коэффициента усиления каскада на VT2 для этого необходимо определить коэффициент усиления по току h21Э, входное сопротивление h11Э, RЭП, RЭЭ.

Значение параметра h21Э определяется с использованием семейства выходных характеристик в районе точки покоя РТ (рисунок 3.2б).

(6)

Значение параметра h11Э определяют по входной характеристике БТ (рисунок 3а):

(7)

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

, (8)

где . (9)

;

;

;

.

КU2 = KЭП + KОЭ = 0,944 + 0,924 = 1,868.

Для первого каскада более подходит ПТ марки 2П201А р - типа [1], его выходные вольт - амперные характеристики ВАХ приведены на рисунке 3.2.

По условию задано напряжение питания - 9 В, поэтому через точку по оси напряжений 9 В и UЗИ = 0 В проводим нагрузочную прямую. Рабочая точка или точка покоя имеет координаты IС.рт = 0,74 мА и UСИ.рт. = URЭ +UБЭ р.т. =2,25+0,78 = 3,03 В при UЗИ = 0 В.

Выбор рабочей точки при UЗИ = 0 В гарантирует упрощение принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в использовании сопротивления в цепи тока Ru, и конденсатора большей емкости Сu, устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.

Линия нагрузки однозначно определяет выбор сопротивления нагрузки RC:

, (10)

Далее рассчитываем значение коэффициента усиления по напряжению первого каскада КU1. Если рабочая точка выбирается в пологой области выходных ВАХ ПТ, то коэффициент усиления по напряжению первого каскада рассчитывается по формуле:

КU1 = SRC , (11)

где S - крутизна ПТ в рабочей точке (находится по семейству стоковых характеристик).

Рисунок 3.2 - Семейство ВАХ транзистора 2П201А

Крутизна рассчитывается для рабочей точки (рисунок 3.1) по формуле:

, (12)

По формуле 12 определяю:

.

Произведём перерасчёт КU1 по формуле с использованием Ri,так как РТ находится на крутом участке выходных ВАХ ПТ.

Внутреннее сопротивление ПТ рассчитываем с использованием выходных ВАХ рисунка 3.2:

.

Если рабочая точка выбрана неудачно (в крутой области выходных характеристик), а также при малом входном сопротивлении второго каскада упрощенной формулой пользоваться нельзя, т.к. фактически усиление напряжения первым каскадом будет равно:

kU1=s(rc //rI //rВХ) , (формула 13)

где выражение в скобках представляет собой параллельное соединение

сопротивления в цепи стока RC, внутреннего (выходного) сопротивления полевого транзистора RI и входного сопротивления транзистора следующего каскада rbx. Входное сопротивление эмиттерного повторителя определяется по формуле:

.

Усилитель двухкаскадное устройство, поэтому общий коэффициент передачи определяется:

.

Полученное значение КU = 12.256 немного больше требуемое

КU.ТРЕБ. = 8, избыток усиления компенсируем изменением значения сопротивления источника сигнала формула (14) [1]:

Где КВХ - требуемый коэффициент усиления рассчитываю по формуле:

. (14)

, (13)

В результате сопротивление источника равно: Rг = 0,106 МОм. По шкале номинальных значений ряда Е24 Rг = 0,11 МОм.

Сопротивление затвора по условию: RЗ = RВХ = 2 МОм.

Рассчитываю ёмкости конденсаторов по формулам (8,9,10) [1]. Коэффициент частотных искажений в области нижних частот разделяют отдельно на 1-ый и 2-ой каскады, соответственно:

МН1= 0,3 дБ (1,035);

МН2 = 2,7 дБ (1,365).

Ёмкость первого разделительного конденсатора:

Ёмкость второго и третьего разделительных конденсатора:

Ёмкость корректирующего конденсатора:

(17)

Расчёт амплитудно-частотной характеристики

Сравнительный анализ усилительных устройств приводят используя понятие относительного усиления Y, представляющего собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот

Кср: . (18)

Для оценки частотных искажений используют обратное отношение, обозначаемое через М и называемым коэффициентом частотных искажений:

. (19)

Относительное усиление и коэффициент частотных искажений выражают как в относительных, так и в логарифмических единицах.

Расчёт АЧХ в области нижних частот проводят по формуле:

. (20)

Рекомендуемые значения частот: 0,1fн; 0,2fн; 0,5fн; 0,7fн; fн ; l,5fH ; 2f.

Частотная характеристика усилителя в области верхних частот зависит от выбора ёмкости конденсатора Ск. Расчёт АЧХ в области верхних частот проводят по формуле:

. (21)

Рекомендуемые значения частот: 0,5fв; fв; 2fв; 5fв; 10fв.

Результаты расчётов свожу в таблицу 3.1, 3,2. Затем по результатам расчёта строю АЧХ, используя логарифмический масштаб оси частот.

Таблица 3.1

f

0,1fн

0,2fн

0,5fн

0,7fн

1,5fн

2,0fн

f , Гц

5

10

25

35

50

75

100

Lg f

0,7

1

1,4

1,5

1,7

1,9

2

YН1

0,599

0,832

0,966

0,982

0,991

0,996

0,998

YН2

0,107

0,21

0,474

0,602

0,714

0,85

0,907

YН

0,064

0,175

0,458

0,591

0,708

0,847

0,905

Таблица 3.2

F

0,5fв

2,0fв

5,0fв

10,0fв

F, кГц

5

10

20

50

100

Lg f

3,7

4

4,3

4,7

5

0,895

0,708

0,448

0,196

0,099

После расчётов произвожу проверку соответствия расчётных и заданных значений Мн и Мв:

. (22)

Расчётные величины равны заданным, отсюда следует что расчёт номиналов элементов верный. Привожу результаты расчёта элементов схемы:

RС = 8,182 кОм, RЗ = 2 МОм, RГ = 0,11 МОм; Rэ = 477 Ом,

Rк = 477 Ом; Cр1 = 5,375 нФ, Cр2 = 3 = 5,71 мкФ, Cк = 1,942 нФ.

Рисунок 3.3 - Относительная АЧХ усилителя

Делись добром ;)