Принципиальная схема усилителя на основе полевых и биполярных транзисторов
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 |
fн |
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 |
fв |
2,0fв |
5,0fв |
10,0fв |
|
F, кГц |
5 |
10 |
20 |
50 |
100 |
|
Lg f |
3,7 |
4 |
4,3 |
4,7 |
5 |
|
Yв |
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 = Cр3 = 5,71 мкФ, Cк = 1,942 нФ.
Рисунок 3.3 - Относительная АЧХ усилителя