Данное методическое указание предназначено в качестве руководства по курсовому и дипломному проектированию по разделам проектирование и расчёт многокаскадных широкополосных усилителей на транзисторах. Приводится последовательность проектирования широкополосных усилителей, методика расчёта промежуточных и оконечных каскадов, цепей температурной стабилизации, цепей низкочастотной и высокочастотной коррекции, расчёт нелинейных искажений, выбор схем каскадов.

1. Задание на курсовой проект, последовательность проектирования, содержание пояснительной записки.

Задание на курсовой проект представляет собой перечень технических условий, по которым требуется спроектировать многокаскадный широкополосный транзисторный усилитель гармонического сигнала.

В задании приводятся следующие данные на проектирование усилителя.

1. Назначение усилителя.

2. Номинальное выходное напряжение U_ВЫХ (эффективное значение)

3. Сопротивление нагрузки - R_H.

4. Емкость нагрузки – С_Н (указывается, если нагрузка емкостная).

5. Номинальное значение коэффициента усиления – К

6. Коэффициент гармоник – К_Г (может не указываться)

7. Границы рабочего диапазона частот – f_Hи f_B

8. Частотные искажения на нижней и верхней рабочих частотах – М_Н, дБ и М_В, дБ

9. Номинальное значение ЭДС источника сигнала е_ИСТ (эффективное значение) или коэффициент усиления напряжения усилителя – К (если не задано значение К)

10. Внутреннее сопротивление источника сигнала – R_ИСТ.

11. Границы рабочего диапазона значений температуры окружающей среды t_.МАКС и t_.МИН.

12. Вид и напряжение источника питания – Е_П (величина Е_П может не задаваться).

Усилитель предлагается рассчитывать в следующей последовательности.

1. Предварительный расчёт усилителя

2. Электрический расчёт отдельных каскадов усилителя, начиная с выходного.

3. Расчёт основных показателей усилителя:

- коэффициента усиления;

- входного сопротивления;

- коэффициента гармоник (по требованию);

- результирующих коэффициентов частотных искажений М_Н, М_В на частотах f_Н, f_В;

- напряжения сигнала на входе первого каскада усилителя U_ВХ.1.

4. Составление таблицы сравнения заданных величин и расчётных: U_ВЫХ, M_Н, M_В, K(или e_ИСТ и U_ВХ.1).

Все вышеперечисленные пункты должны найти своё отражение в пояснительной записке. Кроме того, в пояснительную записку ещё должны войти полная принципиальная схема усилителя с перечнем элементов, оглавление и список используемой литературы. В тексте каждого раздела необходимо приводить схему, которой посвящён данный раздел. Все элементы частной схемы должны иметь обозначения, соответствующие приведённым в расчётах. Должны быть приведены все диаграммы, графики и характеристики, по которым производится расчёт каскадов. Полная принципиальная схема усилителя должна быть выполнена по ГОСТу.

2. Предварительный расчёт широкополосного усилителя

2.1 Содержание предварительного расчёта

Каскады широкополосного усилителя (ШУ) по месту расположения в структурной схеме (рис. 2.1) можно разделить на три типа : входной каскад, промежуточные каскады и выходной (оконечный) каскад. По функциональному назначению входной и промежуточные каскады часто называют каскадами предварительного усиления (КПУ).

Рис. 2.1. Типовая структурная схема многокаскадного ШУ.

Проектирование широкополосного усилителя начинают с предварительного расчёта, который должен содержать:

- выбор схем каскадов (выходного, промежуточных и входного);

- определение необходимого числа промежуточных каскадов (если общее число каскадов не задано);

- составление структурной и ориентировочной принципиальной схем проектируемого ШУ.

2.2 Выбор схем каскадов ШУ

Выбор принципиальной схемы выходного каскада зависит от параметров выходного сигнала и нагрузки. Ниже приводятся некоторые рекомендации по выбору схемы выходного каскада.

При несимметричной нагрузке (например, модулятор кинескопа) выходной каскад должен иметь несимметричный выход. При высокоомной нагрузке (R_H>>100кОм), шунтированной малой ёмкостью С_Н, выходной каскад выполняется по схеме с ОЭ, с эмиттерной стабилизацией тока покоя. Если к полосе пропускания усилителя не предъявляются повышенные требования (а именно f_B<<6 МГц), то можно обойтись без элементов ВЧ коррекции, обеспечив требуемую полосу пропускания каскада использованием широкополосных транзисторов и уменьшением сопротивления нагрузки в цепи питания коллекторов. Недостатком такого каскада является низкий КПД (3…5%) вследствие малого сопротивления нагрузки. При f_B>6 МГц целесообразно использовать индуктивную ВЧ коррекцию, простую или сложную (рис. 4.1). следует учесть при этом, что использование сложной ВЧ коррекции обеспечивает более высокий КПД каскада, чем использование простой ВЧ коррекции, но и повышает сложность его настройки.

В случае низкоомной нагрузки (например, кабель) оконечный каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя. Кабель подключается к эмиттеру транзистора через разделительный конденсатор. Расчёт такого каскада приводится в [6]. Более высоким КПД обладает двухтактная схема эмиттерного повторителя с последовательным управлением (рис. 6.1).

Существенно повысить КПД выходных каскадов (≥50%) с несимметричным выходом и низкоомной нагрузкой можно, применив схему бестрансформаторного двухтактного каскада на составных транзисторах с ОК, работающих в режиме В. Полоса пропускания такого сложного эмиттерного повторителя обеспечивается выбором широкополосноных транзисторов и схемой их включения. Расчёт таких каскадов приводится в [6].

Если нагрузка симметричная (например, отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки), выходной каскад можно построить по двухтактной резисторной схеме (рис. 7.1) или по инверсной схеме. Выбор двухтактной резисторной схемы с параллельным возбуждением требует использования в качестве предоконечного каскада фазоинверсную схему. Можно применить в качестве выходного каскада фазоинверсную резисторную схему. В этом случае эффективно использовать фазоинверсный каскад с эмиттерной связью(рис. 7.2), обладающий широкой полосой пропускания, допустимой асимметрией плеч и обеспечивающий усиление напряжения. В отличие от фазоинверсного каскада с эмиттерной связью фазоинверсный каскад с разделённой нагрузкой, обладая широкой полосой пропускания, имеет большую асимметрию плеч и не даёт усиления напряжения. Расчёт такого каскада приводится в [6].

В качестве промежуточных каскадов обычно используются резисторные каскады с ОЭ, эмиттерной стабилизацией тока покоя и эмиттерной ВЧ коррекцией (п. 10). При необходимости можно ввнести промежуточного каскада цепь НЧ коррекции. Определение количества каскадов предварительного усиления приводится в [4].

Схема входного каскада определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала R_ИСТ. Схему входного каскада можно выбрать согласно следующим рекомендациям:

- при R_ИСТ ≤ 2 кОм – схема с ОЭ и с эмиттерной ВЧ коррекцией;

- при 2 кОм ≤ R_ИСТ ≤ 10 кОм – схема с ОК (эмиттерный повторитель);

- при R_ИСТ ≥ 10 кОм – истоковый повторитель [6]

2.3 Допустимые частотные искажения в каскадах

Частотные искажения на нижних частотах вносятся разделительной ёмкостью С_Р и ёмкостью в цепи эмиттерной стабилизации С_Э. При расчёте этих элементов можно пользоваться следующими допустимыми значениями коэффициентов частотных искажений:

- коэффициент частотных искажений, вносимых ёмкостью С_Р, М_Н.Р= 1,03…1,04;

-коэффициент частотных искажений, вносимых ёмкостью С_Э, М_Н.Э= 1,03…1,05.

Частотные искажения на верхних частотах вносятся в основном входной динамической ёмкостью каскада. Для эмиттерного повторителя можно принять значение коэффициента частотных искажений, вносимых его входной цепью, М_В.ЭП= 1,06, выходная цепь повторителя практически не вносит частотных искажений. Искажения, вносимые входной и выходной цепью для других типов каскадов определяются по формулам, указанным в последующих разделах. При введении цепей ВЧ коррекции следует учесть, что индуктивная ВЧ коррекция в выходном каскаде компенсирует искажения, вносимые его выходной цепью в области ВЧ. Искажения, вносимые входной цепью каскада, компенсируются введением цепи эмиттерной ВЧ коррекции в схему предыдущего каскада.

3. Общие указания к электрическому расчёту выходного каскада ШУ

3.1 Назначение выходного каскада, содержание расчёта.

Выходной каскад ШУ должен обеспечить получение требуемого уровня сигналаU_ВЫХ на внешней нагрузке при допустимых искажениях.

Исходными данными для расчёта каскада являются: U_ВЫХ, R_H, C_H, (если нагрузка емкостная), f_H, f_B, M_HK, M_BK, K_Г, Е_П (если К_Г и Е_П заданы).

Значение М_НКзависит от схемы каскада и определяется перемножением допустимых значений коэффициентов частотных искажений, вносимых его элементами в области НЧ, согласно рекомендациям 2.3. значение М_ВК можно принять равным половинному значению допустимых частотных искажений, заданных на усилитель: М_ВК=0,5 М_В.

Расчёт выходного каскада должен включать в себя следующие этапы:

- выбор режима работы и типа транзистора;

- расчёт сопротивления нагрузки в цепи питания коллектора транзистора;

- расчёт цепи ВЧ коррекции;

- расчёт основных энергетических показателей каскада: К, Р_~, Р₀, η;

- расчёт входного сопротивления каскада R_BX_._K;

- расчёт цепей питания и стабилизации;

- расчёт К_Г (если величина К_Г задана);

- расчёт необходимого напряжения источника питания Е_П (если величина Е_П не задана)

Ниже приводится методика расчёта некоторых типов широкополосных каскадов.

3.2 Рекомендации к выбору транзистора оконечного каскада.

Транзисторы в каскадах ШУ выбираются из справочника по следующим условиям.

1. Необходимо, чтобы граничная частота для схемы с ОЭ отвечала условию

f_ГР≥10f_B_,

где f_ГР – граничная частота транзистора с ОЭ, приводимая в справочных данных транзистора.

Если в справочных данных указывается значение предельной частоты для схемы с ОБ f_h₂_Iб, то

f_ГР = fh₂_Iб/_m,

где m=1,6 для дрейфовых транзисторов или m=1,2 для бездрейфовых.

Если указывается значение модуля коэффициента передачи тока /h₂_IЭ/ на высокой частоте f_B, то

f_ГР = /h₂_IЭ/f_S

2. максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер транзистора должно соответствовать условию

U_К.МАКС ≥2,5 U_ВЫХ_m,

где U_ВЫХ_m – амплитуда выходного напряжения; U_ВЫХ_m = 1,41 U_ВЫХ

3. Максимально допустимый ток коллектора данного транзистора

I_К.МАКС≥2 I_КО, (3.1)

где I_КО – ток коллектора в точке покоя, определяется по формуле (4.3)

значения f_ГР, U_{К.Э.МАКС}, I_К.МАКСприводятся в паспортных данных транзистора.

Для выбранного транзистора выписываются из справочника параметры, необходимые для последующего расчёта:

- максимальное и минимальное значения коэффициента передачи тока h₂_IЭ.МАКС, h₂_IЭ.МИН;

- объёмное сопротивление области базы r_б;

- емкость коллекторного перехода С_К;

- граничная частота усиления тока f_ГР.

4. Выходной каскад с ОЭ, с высокоомной нагрузкой и

параллельной ВЧ коррекцией

Принципиальная схема каскада изображена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Принципиальная схема резисторного каскада с ОЭ:

а) с простой параллельной ВЧ коррекцией,

б) со сложной ВЧ коррекцией.

Каскад можно рассчитать в следующей последовательности.

1. Определяется ориентировочное значение сопротивления нагрузки в цепи питания коллектора

R_K = Х_В/(2∏f_BC_O), (4.1)

Где С_О – выходная емкость каскада, равная значению

С_О = С_К + С_М + С_Н ≈ С_М + С_Н,

С_К –емкость коллекторного перехода транзистора,

С_М –емкость монтажа, С_М = 5…7 пФ,

Х_В –нормированная частота, найденная по графику рис 4.2 для значения Y_ВК = I/M_ВК. Величина Х_В, как показано на рис. 4.2, определяется в точке, лежащей на характеристике, соответствующей значению коэффициента ВЧ коррекции «а», при котором имеет место нужная форма частотной характеристики в области ВЧ. С целью увеличения R_K эту точку следует выбирать справа от наивысшей точки подъема характеристики.

Значение R_K выбирается по ГОСТу.

Рис 4.2. Семейство нормированных частотных характеристик каскада с параллельной ВЧ коррекцией.

2. Рассчитывается режим работы транзистора. Для этого необходимо найти следующие величины:

-амплитудное значение выходного тока

I_Km = U_ВЫХ_m/R_H_~ , (4.2)

Где U_ВЫХ_m определяется по формуле (3.1)

R_H_~ –эквивалентное сопротивление нагрузки переменному току,

R_H_~ = R_KR_H/(R_K+R_H)) ≈ R_K (при R_H>>R_K);

-ток коллектора в точке покоя

I_КО = (1,2…1,3)I_Km (4.3)

-напряжение в точке покоя

U_KO=1,2U_ВЫХ_m (4.4)

3. Выбирается транзистор в соответствии с рекомендациями раздела 3.2, выписываются необходимые справочные параметры : h_{21э.макс}, h_21э.мин, r′_б, С_К, f_ГР.

4. Уточняется сопротивление R_K по формуле (4.1) для значения С_О = С_К+С_М+С_Н. Значение R_K выбирается по ГОСТу.

5. Определяется корректирующая индуктивность L_К

L_K=a∙c_O∙R²_K . (4.5)

Где a – коэффициент ВЧ коррекции, находится из графика рис 4.2.

В некоторых случаях (при f≤ 6 МГц) можно обойтись без индуктивной ВЧ коррекции. При этом сопротивление R_K определяется из условия обеспечения допустимых частотных искажений, вносимых выходной цепью каскада, на частоте f_B

√М²_BK – I

R_K = --------------- (4.6)

2∏f_B∙C_O

6.

Для расчёта энергетических показателей каскада строятся входная и выходная динамические характеристики. Для переменного тока (рис. 4.3).

Рис 4.3. Выходная (а) и входная (б)динамические характеристики выходного каскада.

Нагрузочная прямая на графике рис 4.3а проходит через точку покоя «0» и точку, лежащую на оси абсцисс, напряжение в которой равно

U_K=U_KO + I_KO ∙ R_H_~ ≈ U_KO + I_KO ∙ R_K.

Входная динамическая характеристика совпадает с входной статической характеристикой для U_K≠0.

На нагрузочной прямой (рис 4.3а) находят точки «1», «2», являющиеся границами рабочего участка. Напряжения в этих точках равны значениям:

U_K._МИН=U_KO-U_ВЫХm (точка «1»)

U_K._МАКС=U_KO+U_ВЫХm (точка «2»)

В этих точках определяются величины I_б.макс, I_б.мин,I_{бэ.макс},I_бэ.мин, как это показано на графиках рис. 4.3а и 4.3б. В точке покоя определяется ток смешения I_бО и напряжение смешения U_бЭО

7. Рассчитываются основные параметры и показатели каскада:

- коэффициент усиления напряжения

К=U_ВЫХ_m/U_б_m (4.7)

где Uбm – амплитуда входного напряжения,

U_б_m=(U_{бЭ.МАКС}-U_бЭ.МИН)/2 (4.8)

-коэффициент усиления тока,

К_Т=I_к_m/I_б_m, (4.9)

-где I_km –амплитуда выходного тока,

I_к_m=(I_К.МАКС – I_К.МИН)/2 (4.10)

-амплитуда входного тока,

I_б_m = (I_б.МАКС – I_б.МИН)/2 (4.11)

-коэффициент усиления мощности

К_М=К∙К_Т; (4.12)

-входное сопротивление транзистора

R_ВХ.Э= U_б_m/I_б_m; (4.13)

-кпд выходной цепи транзистора

ή = 0,5∙ψξ , (4.14)

где ψ – коэффициент использования коллекторного тока,

ψ= I_к_m/I_KO ,

ξ – коэффициент использования коллекторного напряжения,

ξ=U_к_m/U_KO,

8. Рассчитывается сопротивление цепи эмиттерной стабилизации

R_Э=ΔU_Э/I_ЭО≈ΔU_Э/I_KO , (4.15)

Где ΔU_Э – допустимое падение напряжение на R_Э,

ΔU_Э=(0,1….0,2)∙U_KO,

9. Определяется необходимое напряжение источника питания

Е_П=U_KO + I_KO(R_K+R_Э) (4.16)

Значение Е_П округляется до целого числа вольт.

10. Рассчитываются сопротивления делителя R1, R2 (рис. 4.1)

R2= (U_бЭ.О+ ΔU_Э)/I_Д , (4.17)

Где I_Д – ток делителя, I_Д = 10 I_бО,

Значение R2 выбирается по ГОСТу.

R1=(Е_П/I_Д)- R2 (4.18)

Значение R1 выбирается по ГОСТу.

11. При необходимости (если напряжение Е_П задано и значение его больше расчётного значения ЕП, вычисленного по формуле (4.16) рассчитывается гасящий фильтр С_ФR_Ф. Сопротивление фильтра

R_Ф=ΔU_Ф/I_Ф = (Е_П - Е′_П)/I_Ф, (4.19)

Где Е′_П – значение Е_П, найденное по формуле (4.16),

I_Ф – ток фильтра, равный сумме постоянных составляющих токов, протекающих через R_Ф.

Емкость фильтра

С_Ф ≥10/(2f_H∙R_Ф) (4.20)

Значения R_Ф, С_Ф выбираются по ГОСТу.

12. Определяются реактивные элементы схемы, вносящие частотные искажения в области НЧ:

Ср2=--------------------------------------------------- (4.21)

2∏f_H(R_K+R_H)√M²_HP-I

(I+S_ЭС∙R_Э)² – М²_НЭ

С_Э=[0,159/(f_H∙R_Э)]√---------------------------- (4.22)

М²_НЭ – I

Где М_НР, М_НЭ – допустимые значения частотных искажений, вносимых емкостями С_Р2 и С_Э на частоте f_H. Величины М_НР, М_НЭ выбираются согласно рекомендациям раздела 2.3,

S_ЭС – сквозная крутизна тока цепи эмиттера,

S_ЭС = (I+h₂_IЭ)/(R_ВХ.Э+R_ИСТ), (4.23)

R_ИСТ – сопротивление источника сигнала для выходного каскада. Значения С_Р, С_Э выбираются по ГОСТу.

5. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА ВЫХОДНОГО КАСКАДА СО СЛОЖНОЙ ВЧ КОРРЕКЦИЕЙ.

Принципиальная схема каскада со сложной ВЧ коррекцией изображена на рис. 4.1.б. Индуктивности L1,L2 являются элементами параллельно-последовательной или сложной ВЧ коррекции. Использование такой коррекции позволяет увеличить сопротивление R_К по сравнению со значением в схеме рис. 4.1(а) и тем самым увеличить усиление в каскаде на средних частотах и кпд каскада. Индуктивность L1 делит емкость С_О, нагружающую каскад, на две составляющие – С1 и С2. эти емкости образуют совместно с индуктивностями L1 и L2, а также с соответствующими активными сопротивлениями резонансную систему, обеспечивающую подъем АЧХ каскада в области ВЧ.

Каскад со сложной ВЧ коррекцией можно рассчитать по той же методике, что и каскад с простой ВЧ коррекцией, за исключением расчёта элементов в цепи ВЧ коррекции: R_K, R1, L1, L2. Эти элементы определяются с помощью графиков рис. 5.1а и 5.1б в следующей последовательности.

Рис.5.1. Семейство обобщенных частотных характеристик резисторного каскада со сложной ВЧ коррекцией (а), графики для определения расчетных коэффициентов резисторных каскадов со сложной ВЧ коррекцией (б).

1. Вычисляются емкости

С1 = С_К + 0,5 С_М ; С2 = С_Н + 0,5 С_М.

Где С_М – емкость монтажа, С_М = 5…7 пФ.

2. Определяется коэффициент

n=С1/(С1+ С2)

Как видно из графика рис. 5.1а , наибольшую площадь усиления обеспечивает АЧХ каскада при назначении n=0,59. Если n>0,59 следует включить параллельно нагрузке R_H дополнительную емкость С′_Н, увеличив тем самым ёмкость С_О до значения

С_О = С1/n = С1/0,59

Дополнительная емкость при этом будет равна

С′_Н = С_О-С_Н.

3. Находится сопротивление R_К,

R_К=X_B/(2∏f_B∙C_O)

(В качестве примера на графике рис. 5.1а показано нахождение Х_В для случая, когда Y_ВК=1/M_BK=0.95 и n=0.59). Величина R_К выбирается по ГОСТу.

4. Определяются коэффициенты ВЧ коррекции а₁, а₂, b₁ по графику рис. 5.1б для требуемого значения n, как показано на рис. 5.1б

5. Вычисляется сопротивление резистора R1, шунтирующего L1,

R1=X_B/(2∏f_B∙C_O∙b₁)

Значение R1 выбирается по ГОСТу.

4. Рассчитываются индуктивности последовательной ВЧ коррекции L1 и параллельной ВЧ коррекции L2.

L1= a₁∙C_O∙R²_K, L2=a₂∙C_O∙R²_K.

6. ДВУХТАКТНЫЙ ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Принципиальная схема каскада изображена на рис. 6.1. Особенностью работы каскада является последовательное возбуждение (управление) транзисторов, при котором входное напряжение поступает на базу ведущего транзистора VT1, включенного по схеме с ОК. Инвертированное напряжение с коллектораVT1 через стабилитрон VД1 поступает на базу транзистора VT2, включенного по схеме с ОЭ, вследствие чего транзисторы работают противофазно. Транзисторы VT1 и VT2 однотипные и работают в режиме А. Достоинством данной схемы перед схемой простого эмиттерного повторителя является более высокий кпд, т.к. выходные токи VT1 и VT2, протекая через нагрузку R_H в одном направлении, складываются, что увеличивает мощность сигнала, выделяющуюся на нагрузке и кпд каскада.

Рис. 6.1. Принципиальная схема двухтактного эмиттерного повторителя с последовательным управлением.

Данный каскад можно рассчитать в следующей последовательности.

1. Определяется необходимая амплитуда выходного тока, отдаваемая каждым транзистором

I_к_m1=I_к_m2=I_к_m=(1,41U_ВЫХ)/R_H

2. Ток коллектора в точке покоя для каждого из транзисторов находится из выражения

I_KO=I_KO1=I_KO2=(1,3...1,5)I_к_m

3. Выбираются транзисторы VT1 и VT2 из справочника в соответствии с рекомендациями раздела 3.2 и выписываются их справочные параметры: h₂_IЭ.МАКС,h₂_IЭ.МИН,r′_б.

4. Находится сопротивление цепи эмиттерной стабилизации R_Э

R_Э≈ΔU_Э/I_KO,

где ΔU_Э–допустимое значение напряжения на R_Э,

ΔU_Э=(0,1…0,2)U_ВЫХ

5. Определяется сопротивление R_К из условия симметрии плеч двухтактной схемы [4]

R_K=(I/Y_2I_Э)+R_Э

где Y₂_IЭ – проводимость прямой передачи VT1 и VT2,

Y₂_IЭ=h₂_IЭ/h_II_Э,

h_II_Э – входное сопротивление транзистора с ОЭ,

h_II_Э=r_б+[(0,026/I_КО_(A))]∙(I+h_2I_Э)

h₂_IЭ=√h₂_IЭ.МАКС∙h₂_IЭ.МИН

Сопротивление R_K выбирается по ГОСТу.

6. Напряжение в точке покоя VTI выбирается равным

U_KOI=1,2U_ВЫХ_mI,

где U_ВЫХ_mI- амплитудное значение выходного напряжения VTI,

U_ВЫХ_mI=I_к_m∙(R_H+R_K).

7. Строятся выходная и входная динамические характеристики транзистора VTI (см. п. 6 раздела 4, где R_H_~=R_K+R_H, U_ВЫХ_m=U_ВЫХ_mI). С помощью этих графиков определяются значения I_бо_I, U_бэо_I, I_б_m(4.11), U_б_m (4.8), K_ОЭ (4.7).

8. Вычисляется коэффициент усиления напряжения транзистора VTI, включенного по схеме с ОК

К_ОК=К_ОЭ/(I+К_ОЭ)

9. Необходимая амплитуда напряжения на входе VTI находится из выражения

U_ВХ_m=U_ВЫХ_mI/K_OK.

10. Определяется напряжение источника питания

Е_П=2(U_KOI+I_KO∙R_K)

Значение Е_П округляется до целого числа вольт

11. Сопротивление в цепи базы VTI находится из выражения

R_б=(0,5Е_П-U_бэ_I)/I_б01.

Сопротивление R_б выбирается по ГОСТу.

12. Выбирается стабилитрон VДI из справочника, имеющий номинальное значение напряжения стабилизации

U_CT≥2U_KOI

Выписывается значение его дифференциального сопротивления r_CT.

13. Определяется напряжение покоя VT2

U_KO₂=0,5 Е_П-I_KO_∙R_Э.

14. По графику выходных статических характеристик транзисторов VT1, VT2 в точке покоя транзистора VT2, имеющих координаты I_KO, U_KO₂ , определяется значение тока смещения I_бо2.

15. Сопротивление нижнего плеча делителя R1 транзистора VT2 находится из выражения

R1=(Е_П/I_Д)-(r_CT+R_K),

где I_Д – ток делителя в цепи базы VT2, I_Д=10 I_бо2.

Сопротивление R1 выбирается по ГОСТу.

16. Рассчитывается разделительная емкость в цепи нагрузки

0,159

С_р2≥ --------------------------------------------------------------- ,

f_H∙(R_ВЫХ.ОК+R_K+R_H)∙√M²_Hp2-I

где R_ВЫХ.ОК– выходное сопротивление VТ1 c OK, R_ВЫХ.ОК=I/S_ЭС

S_ЭС – сквозная крутизна тока эмиттера,

S_ЭС = (I+h₂₁_Э)/(R_ИСТ+R_ВХ_.Э);

R_ИСТ – сопротивление источника сигнала для выходного каскада;

R_ВХ.Э – входное сопротивление VT1 c ОЭ, R_ВХ.Э= U_б_m1/I_б_mI;

M_Hp₂ – допустимое частотное искажение , вносимое емкостью С_р2 на частоте f_H.

17. Рассчитывается кпд двухтактного эмиттерного повторителя

Р_~ (2I_KmI)² ∙R_H

ή = ---- = -----------------------

Р_ОЕ_П∙I_KO

7. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ С СИММЕТРИЧНЫМ ВЫХОДОМ

7.1 Типы каскадов с симметричным выходом

В ШУ в качестве выходных каскадов с симметричным выходом рекомендуется использовать двухтактные резисторные каскады с ОЭ или бестрансформаторные фазоинверсные каскады с (ФИК), обладающие широкой полосой пропускания. К таким каскадам относится ФИК с эмиттерной связью, ФИК с разделённой нагрузкой и др. ФИК с эмиттерной связью имеет преимущество перед ФИК с разделённой нагрузкой в том, что даёт усиление по напряжению и обладает меньшей ассиметрией плеч. Приводятся методические указания по расчёту двух типов каскадов с симметричных выходом.

7.2 Рекомендации по расчёту двухтактного резисторного каскада с ОЭ.

Принципиальная схема каскада изображена на рис. 7.1.

Рис.7.1. Принципиальная схема двухтактного резисторного каскада с симметричным выходом.

В каскаде применена эмиттерная стабилизация рабочей точки транзисторов, осуществляемая индивидуальными делителями (R1, R2 и R3, R4) в цепи базы каждого транзистора и общим резистором R_ЭО. Низкоомные сопротивления в цепи эмиттера каждого транзистора (R′_Э=R′′_Э=1...2 Ом) предназначены для уменьшения разбалансировки плеч двухтактной системы при изменении параметров транзисторов. Транзисторы VT1 и VT2 однотипные и работают в режиме А.

Расчёт двухтактного каскада ведётся для одного плеча по методике, формулам и рекомендациям, приведённым для расчёта однотактного каскада(раздел 4). Отличием является отсутствие емкости С_Э, блокирующей сопротивления R_ЭО, вследствие того, что переменные выходные токи VT1 и VT2, протекая через R_ЭО в разных направлениях, не создают на нём переменное напряжение.

Вопросы введения цепей ВЧ коррекции решаются таким же образом, как и в однотактном каскаде, изображённом на рис. 4.1. Предоконечным каскадом выбирается фазоинверсный резисторный каскад, например, ФИК с разделённой нагрузкой, который можно рассчитать по методике, изложенной в [6].

7.3 Фазоинверсный каскад с эмиттерной связью, работающий на высокоомную симметричную нагрузку

Принципиальная схема ФИК с эмиттерной связью изображена на рис7.2

Рис.7.2. Принципиальная схема фазоинверсного каскада с эмиттерной связью.

Особенности работы ФИК с эмиттерной связью описаны в [1]. Каскад можно рассчитать в следующей последовательности.

1. Расчёт сопротивлений R_KI=R_K₂, корректирующих индуктивностей L_KI=L_K₂ (в случае введения в схему каскада цепей параллельной ВЧ коррекции), выбор режима работы транзистора VT1(I_KOI, U_KOI), выбор транзисторов VT1 и VT2 производится по методике, изложенной в разделе 4(п.1-5). Транзисторы VT1 и VT2 однотипные и работают в режиме А. После выбора транзисторов уточняется значение R_K и выбирается по ГОСТу.

2. Определяется сопротивление эмиттерной связи R_ЭС

R_ЭС=I/(ν∙S_Э),

Где ν – допустимое значение коэффициента асимметрии выходных токов плеч каскада, ν=(0,005…..0,2),

S_Э – крутизна тока эмиттера по напряжению на входе,

S_Э=(I+h_2I_Э)/R_ВХ_.Э,

R_ВХ.Э - входное сопротивление транзистора VT1 с ОЭ,

R_ВХ_.Э,=r′_б+r_Э(I+h_2I_Э), (7.1)

r_Э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода,

r_Э= 0,026/I_KOI(A),

h_2I_Э=√h_2I_Э_.МАКС∙h_2I_Э_.МИН

Сопротивление R_ЭС выбирается по ГОСТу.

3. Значение Е_П округляется до целого числа вольт.

4. Рассчитывается делитель напряжения RI, R2 в цепи базы транзистора VT1:

R2=U_R2/I_Д,

где U_R₂ – падение напряжения на R2, U_R₂≈2 R_ЭС∙I_KOI;

I_Д – ток делителя, I_Д= 10 I_бО_I,

I_бО_I–ток базы VT1, I_бО_I = I_KOI/h_21Э.МИН.

Сопротивление R2 выбирается по ГОСТу.

5. Выбирается режим работы VT2, обеспечивающий допустимую асимметрию плеч ФИК :

- ток покоя в коллекторной цепи

I_KO2=I_KOI/(I+ν);

- напряжение покоя

U_KO₂=Е_П-I_KO₂(R_K₂+2R_ЭС).

6. Рассчитывается делитель напряжения R3, R4 в цепи базы транзистора VT2:

R4=U_R4/I_Д,

Где U_R₄– падение напряжение на R4,U_R₄ ≈I_KO₂∙2R_ЭС,

I_Д – ток делителя, I_Д=10∙I_бО2,

I_бО2– ток базы VT2, I_бО2= I_KO₂/h₂_IЭ.МИН.

Сопротивлению R4 выбирается по ГОСТу.

R3=(Е_п/I_Д)-R4.

Сопротивление R3 выбирается по ГОСТу.

7. Емкости С_Р1, С_Р2, С_бЛ выбираются из условия предотвращения заметных частотных искажений и разбалансировки схемы на нижних частотах

(3…..5)

C_pI=C_p2-------------------------------------------------------

2∏f_H∙R_H∙√M²_HP-I

где М_НР=1,02…..1,03,

С_бЛ≥10/(2∏f_H∙R4)

C_pI, C_p₂, С_бЛ выбираются по ГОСТу.

8. Определяются основные показатели ФИК:

- входное сопротивление каскада

R_вх.ФИК=(I/R_Д_I+I/(2∙R_ВХ.Э))^-^I,

где R_Д_I – эквивалентное сопротивление делителя VTI,

R_Д_I=(R1∙R2)/(R1+R2),

2∙R_ВХ.Э– входное сопротивление каскада без учёта делителя,

R_ВХ.Э – входное сопротивление транзистора VT1, найденное по формуле (7.1);

- коэффициент усиления напряжения каскада в области средних частот

К_ср.ФИК=(К_1ср+К_2ср)/2,

Где К_1ср– коэффициент усиления ведущего плеча на VT1 с ОЭ,

К_1ср=(h₂_IЭ∙R_KI)/(2R_ВХ.Э);

К_2ср– коэффициент усиления ведомого плеча на VT2 c ОБ,

К_2ср=(h₂_Iб∙R_K₂)/h_II_б

h₂_Iб- коэффициент передачи тока VT2,

h_2I_б= h_2I_Э/(I+ h_2I_Э)

h_II_б - входное сопротивление VT2, h_II_б = R_ВХ.Э/(1+ h₂_IЭ);

- кпд выходной цепи каскад (для ведущего плеча)

ή=P_~/P_O=(I²_Km∙R_KI)/(Е_П∙I_KOI)/

где I_Km – амплитудное значение коллекторного тока, найденное по формуле (4.2)

8. РАСЧЁТ НЕЛИНЕНЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

Если в задании на курсовой проект приведена величина коэффициента гармоник, необходимо рассчитать К_Гв выходном каскаде методом пяти координат. Методика расчёта К_Г этим методом приводится в [1, c. 89-92].

В случае, когда расчётное значение коэффициента гармоники получилось больше заданного значения К_Г, необходимо в схему каскада ввести ООС глубиной

F=K_Г.РАСЧ/К_Г,

которая уменьшит нелинейные искажения, вносимые выходным каскадом до заданной нормы.

Коэффициент гармоник ФИК с эмиттерной связью следует рассчитать для ведущего плеча на VT1 (рис.8) и учесть его уменьшение вследствие присутствие в этом плече ООС, последовательной по току , глубиной

F= I+S_Э∙R_ЭС

9. РАСЧЁТ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВЫХОДНЫМ КАСКАДОМ НА ЧАСТОТАХ f_H, f_B

Расчёт производится после электрического расчёта и выбора элементов схемы выходного каскада.

В области нижних частот искажений вносятся разделительной ёмкостью С_Р в цепи нагрузки и емкостью С_Э в цепи эмиттерной стабилизации (если она имеется). Результирующей коэффициент частотных искажений, вносимых каскадом на частоте f_H, можно найти по формуле

М_Н.ВЫХ=М_НР∙М_НЭ,

Где М_НР – коэффициент частотных искажений, вносимых емкостью.

М_НР=√I+(------------------------------------)²

2∏f_H∙C_P∙(R_K+R_H)

М_НЭ – коэффициент частотных искажений, вносимых емкостью С_Э

I+(2∏f_H∙C_Э∙R_Э)²

М_НЭ=I/√-----------------------------------

(I+S_ЭС∙R_Э)² + (2∏∙f_H∙С_Э∙R_Э)²

где S_ЭС – сквозная крутизна тока эмиттера, определяется по формуле (4.23).

Если полученное значение М_Н.ВЫХ больше допустимого значения, отведенного на каскад, следует увеличить емкости С_Р и С_Э до значений, обеспечивающих допустимые частотные искажения.

В области верхних частот искажения вносятся выходной цепью каскада. Коэффициент частотных искажений, вносимых выходной цепью каскада, в котором нет ВЧ коррекции, можно определить из выражения

М_В√I+(2∏f_B∙C_O∙R_В.ЭКВ)²

где R_В.ЭКВ – эквивалентное сопротивление каскада в области ВЧ,

R_В.ЭКВ≈R_~

Если в каскаде имеется простая или сложная индуктивная ВЧ коррекция, значение М_В=I/Y_B определяется по графику семейства нормированных АЧХ каскада (рис. 4.2 или 5.1.а) с помощью которого производится расчёт элементов ВЧ коррекции.

Искажения , вносимые входной динамической емкостью каскада, учитываются при расчёте частотных искажений, вносимых предоконечным каскадом на частоте f_B_К эта емкость входит в состав емкости С_О, нагружающей предоконечный каскад.

10. РАСЧЁТ КАСКАДОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ ШУ

10.1 Общие указания к электрическому расчёту КПУ

Каскад предварительного усиления должен обеспечить требуемое усиление в заданной полосе усиливаемых частот. КПУ работает, как правило, в режиме малого сигнала. Малым считается сигнал, при усилении которго в каскаде одновременно выполняются неравенства ΔI_ВЫХ<<I_ВЫХ и ΔU_ВЫХ<<U_ВЫХ

ΔI_ВЫХ ΔU_ВЫХ

Ψ=-----------<<1 и ξ=-------------<<1

I_ВЫХ U_ВЫХ

где ΔI_ВЫХ,ΔU_ВЫХ– наибольшие отклонения в процессе усиления выходного тока и выходного напряжения от их значений в исходной точке I_ВЫХ и U_ВЫХ соответственно;

Ψ и ξ – коэффициенты использования усилительного элемента (УЭ) по току и напряжению.

В случаях, когда Ψ<0,1…….0,3 ξ ≤ 0,1……0,2, расчёт параметров каскад можно вести аналитическим методом по малосигнальным параметрам УЭ, определённым в точке покоя. Приведённый ниже порядок расчёта некоторых типов КПУ соответствует аналитическому методу.

Исходными данными для расчёта КПУ являются f_H, f_B, M_HK_,M_BK, Е_П (задано или определено в расчёте выходного каскада), U_вых = U_Вх.СЛ(U_Вх.СЛ– амплитуда напряжения на входе следующего за рассчитываемым каскада), а также К₁ – коэффициент усиления рассчитываемого КПУ в области средних частот. Для расчёта входного каскада, кроме перечисленных величин, используются ЭДС e_ист и сопротивление R_ИСТ источника сигнала.

Расчёт КПУ должен содержать:

- выбор типа транзистора и расчёт режима его работы;

- расчёт элементов цепи питания каскада по постоянному току;

- расчёт сопротивления нагрузки каскада из условия обеспечения требуемого усиления;

- расчёт элементов цепи коррекции АЧХ;

- расчёт емкостей разделительных и блокировочных конденсаторов;

- расчёт необходимого для питания каскада напряжения Е_П1 (если Е_П определённое в расчёте выходного каскада, не подходит рассчитываемому каскаду) и элементов развязывающего фильтра R_Ф С_Ф в цепи питания.

Если выходной каскад ШУ достаточно низковольтный (U_к_m≤ 5B) и маломощный (I_к_m≤ 10 мА), то для каскадов предварительного усиления можно использовать тот же тип УЭ (транзистора), что и для выходного каскада . В противном случае, для каскадов предварительного усиления следует выбрать другой тип транзистора, причём в основном только по частотным свойствам (требования по току и напряжению здесь достаточно низкие). Методика выбора типа транзистора аналогична рассмотренной при расчёте выходного каскада(п. 3.2).

Выбор режима работы транзистора. Для того чтобы транзистор работал в режиме малого сигнала, необходимо в схеме со стабилизацией режима иметь ток коллектора в точке покоя, равным

I_KO=(3....10)I_ВХ.СЛ(10.1)

Где I_ВХ.СЛ=U_ВХ.СЛ/R_ВХ.СЛ – амплитуда входного тока следующего каскада.

Если ток I_KO при вычислении получается меньше 1 мА, то следует выбрать:

-I_KO= 1 мА, если предполагается использовать германиевый транзистор;

- I_KO= 3 мА, если предполагается использовать кремниевый транзистор.

Напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя U_KO следует выбирать из соотношения

U_KO=(5....10)U_ВХ.СЛ (10.2)

Если напряжение U_KO оказывается меньше 5В, то следует выбрать U_KO=5В, которое соответствует типовому режиму.

Определённые по соотношениям (10.1), (10.2) значения I_KO и U_KO следует округлять до ближайшего большего значения и использовать их для выбора типа транзистора рассчитываемого КПУ.

Ниже приводится методика расчёта основных типов каскадов предварительного усиления ШУ.

10.2 Каскад предварительного усиления с ОЭ и эмиттерной ВЧ коррекцией.

Принципиальная схема каскада изображена на рис. 10.1
Рис.10.1. Принципиальная схема резисторного каскада с ОЭ и эмиттерной ВЧ коррекцией.

После выбора типа транзистора и режима его работы в соответствии с рекомендациями п.10.1 приступают к расчёту элементов цепи питания каскада по постоянному току – значений сопротивлений резисторов R1, R2, R_Э

1. Задаются значением коэффициента нестабильности S_T=2......5

(при S_T<2 сильно падает КПД каскада).

Рассчитывают значение R_Э из соотношения :

R_Э=(0,1…..0,3) U_KO/ I_KO (10.3)

Рассчитывают общее сопротивление делителя R_Д в цепи базы

h_2I_Э(S_T-1)+S_T

R_Д=R_Э------------------------------- (10.4)

h₂_IЭ-S_T

где h₂_IЭ = √ h₂_IЭ_min h₂_Iэ_max –среднее значение коэффициента передачи транзистора с ОЭ.

Рассчитывают входное сопротивление транзистора с ОЭ

R_ВХ.ОЭ=r′_б+26(1+ h₂_IЭ)/I_KO[мА] (10.5)

Определяют значение сопротивления резистора R2 из соотношения

R2=(5....10)R_ВХ.ОЭ (10.6)

и принимают это значение равным ближайшему по шкале ГОСТ.

6. Рассчитывают значение сопротивления резистора R1

R1=R2∙R_Д/(R2-R_Д) (10.7)

И также принимают его равным ближайшему по шкале ГОСТ.

Функцию корректирующего элемента в схеме эмиттерной ВЧ коррекции выполняет конденсатор С_ЭК, емкость которого рассчитывается по формуле

(1+σ)Х_Э

С_ЭК=------------------------

2∏f_BR_Эd

в которой значения d, σ , Х_Эопределяются из графиков рис. 10.2 (вычислив предварительно Y=1/М_ВЫК).

Рис.10.2.Семейство приближенных АЧХ каскада с эмиттерной ВЧ коррекцией

При рассчитанном значении С_ЭК реактивное сопротивление этой емкости в области средних и нижних частот велико (что эквивалентно ее отсутствию), т.е. в каскаде действует отрицательная обратная связь (ООС) – последовательная по току. С учетом этого сопротивление резистора R_K рассчитывают из условия обеспечения требуемого коэффициента усиления К₁ в следующем порядке.

_1.Рассчитывают крутизну эмиттерного тока S_Э=(1+h_21Э)/R_ВХ.ОЭ

Рассчитывают эквивалентное сопротивление цепи коллекторной нагрузки переменному току из условия получения требуемого усиления К₁ в каскаде с ООС

R_K_~=K₁R_ВХ.ОЭ(1+S_ЭR_Э)/h_21Э

Рассчитывают значение сопротивления резистора R_K

R_K=R_ВХ.СЛ R_K_~/( R_ВХ.СЛ - R_K_~)

И выбирают его значение равным ближайшему к рассчитанному значению по шкале ГОСТ.

После расчёта значений сопротивлений всех резисторов рассчитывают требуемое напряжение источника питания каскада

E_n1=U_KO+I_KO(R_Э+R_K) (10.8)

Если рассчитанное значение Eп₁>Eп или Eп₁<Eп/2 , то питание каскада осуществляют от отдельного источника питания с напряжением Eп₁ (округлением до ближайшего большего целого значения).

Если Eп₁/2<Eп₁<Eп то напряжение источника питания оконечного каскада вполне достаточно для питания рассчитанного каскада , а напряжение U_Ф=Eп-Eп₁ «гасится» на резисторе развязывающего фильтра , включаемого между рассчитываемым и последующим каскадами ШУ.

Емкости разделительных конденсаторов С1 и С2(рис 10.1) рассчитывают по формулам

С1=[2∏f_H(R_ИСТ+R_ВХ.К)√М²_НР1-1]^-1 (10.9)

С2=[2∏f_H(R_К+R_ВХ.СЛ)√М²_НР2-1]^-1 (10.10)

Где М_НР1, М_НР2 – допустимые значения частотных искажений, вносимых емкостями С1 и С2 на частоте f_H (обычно М_НР1=М_НР2=√М_НР);

R_Д∙R_ВХ.ОС

R_ВХ.К=-------------------------- -входное сопротивление рассчитываемого каскада

R_Д+R_ВХ.ОС

R_ВХ.ОС= R_ВХ.ОЭ+(1+h_21Э)R_Э - входное сопротивление транзистора с ОЭ в каскаде с последовательной ООС по току.

Коэффициент усиления каскада по току

К_Т=h₂_IЭ_minR_K_~/ R_ВХ.СЛ (10.11)

Коэффициент усиления каскада по мощности

К_м=К₁∙К_Т (10.12)

Входное напряжение каскада

U_ВХ.К=e_ист/(1+R_ИСТ/R_ВХ.К) (10.13)

10.3 Каскад предварительного усиления с ОЭ и НЧ коррекцией

Принципиальная схема резисторного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ и НЧ коррекцией АЧХ цепочкой R_ФС_Ф изображена на рис. 10.3.

Рис.10.3. Принципиальная схема каскада с ОЭ и НЧ коррекцией АЧХ

RC-цепочкой в цепи питания

Выбор типа транзистора и режима его работы производится в том же порядке, что и в п. 10.2.

Расчёт элементов цепи питания R1, R2, R_Э производится аналогично расчёту таких же элементов в п.10.2.

Расчёт R_K производится несколько по иному, т.к. в схеме рис. 10.3 из-за большой величины емкости С_Э отсутствует отрицательная обратная связь

Сначала рассчитывают эквивалентное сопротивление нагрузки коллекторной цепи по переменному току

R_K_~= K₁R_ВХ.К/h₂_Iэ_min

R_Д∙R_ВХ.ОЭ

где R_ВХ.К=-------------------------- -входное сопротивление каскада

R_Д+R_ВХ.ОЭ с ОЭ без ООС

R_Д -общее сопротивление делителя (см. п. 10.2)

Затем рассчитывают сопротивление резистора R_K при котором рассчитываемый каскад будет иметь коэффициент усиления К₁,

R_K=R_ВХ.СЛR_K_~/(R_ВХ.СЛ- R_K_~)

Напряжение источника питания в т. 1 (рис 10.3) рассчитываемой схемы E_n₁ определяется по формуле (10.8).

Значение сопротивления резистора R_Фрассчитывается по формуле

(4.19.). А значение емкости конденсатора С_Ф, в данном случае выполняющего роль корректирующего элемента, рассчитывается по формуле

С_Ф=mX_H/(2∏f_HR_Ф)

В которой m , X_H определяется по нормированным графикам рис. 10.4 после предварительного расчёта Y=1/M_HC

Где М_НС=М_НК/(М_НР1∙М_НР2), причём здесь задают М_НР1=М_НР2=1,06….1,12

Рис.10.4. Семейство приближенных частотных характеристик каскада с НЧ коррекцией

Значение емкости блокировочного конденсатора С_Э рассчитывают по формуле 4.22.

Значения емкостей разделительных конденсаторов С1 и С2 рассчитывают по формулам (10.9)-(10.10), а значение коэффициентов усиления К_Т , К_М и входного напряжения U_ВХ.К – по формулам (10.11)-(10.13).

10.4 Каскодный резисторный каскад на биполярных транзисторах

Каскодной является схема на двух УЭ: если это биполярные транзисторы, то 1-ый из них включён с ОЭ, а 2-й с ОБ (рис. 10.5). Достоинством такой схемы является практически полная независимость ее входного сопротивления от сопротивления нагрузки.

Широкополосные свойства каскодной схемы обусловлены тем, что 1-й транзистор (с ОЭ), определяющий верхнюю граничную частоту каскада, нагружен на очень низкоомную входную цепь 2-го транзистора (с ОБ); это существенно уменьшает эквивалентную входную емкость 1-го транзистора, увеличивая площадь усиления схемы.

По отношению к источнику питания транзисторы схемы могут быть включены как последовательно (рис. 10.5а), так и параллельно (рис. 10.5б). Вариант с последовательным включением несколько проще, но требует примерно в 2 раза большего напряжения источника питания.

Рис.10.5. Каскодные резисторные схемы:

а) с последовательным включением транзисторов;

б) с параллельным включением транзисторов по постоянному току.

Поэтому рассмотрим порядок расчёта каскодной схемы с последовательным включением транзисторов по постоянному току (рис. 10.5.а).

Выбор типа транзисторов и режима их работы по постоянному току идентичен и не отличается от приведённого в п.10.1.

Расчёт элементов питания транзистора VT1 (R1, R2, R_Э) полностью аналогичен расчёту таких же элементов в п.10.2. Далее расчёт приводят в следующем порядке.

1. Рассчитывают входное сопротивление каскада по формуле (10.5) из п. 10.2.

2. Рассчитывают сопротивление R_K

R_K=K₁R_ВХ.ОЭ/(h₂_Iб1h₂_Iб2)

Где h₂_Iб1,h₂_Iб2– статические коэффициенты усиления тока в схеме с ОБ транзисторов VT1 и VT2 соответственно.

3. Рассчитывают значение напряжение источника питания

Е_n=U_KO₁+U_К_O2+I_KO+I_KOR_Э+I_KOR_K

и округляют до целого значения вольт.

4. Рассчитывают напряжение смещения

U_бО1=U_бО2=E_n R2/(R1+R2)-I_KO R_Э

5. Рассчитывают элементы 2-го делителя напряжения

R3=E_n R_Д2/(U_КО1 + U_бО2 +I_КО R_Э )

R4= R3∙ R_Д2 / (R3 – R_Д2)

где R_Д2 рассчитывается по формуле (10.4) и выбирают их значения по шкале ГОСТ.

Рассчитывают значение емкости С1 по формуле (10.9).
Рассчитывают емкость С2 по формуле (10.10).
Рассчитывают емкость С_Э по формуле (4.22).
Рассчитывают емкость блокировочного конденсатора С_б

С_б= (3….10)(R3+R4)/(f_HR3∙R4)

Рассчитывают коэффициенты усиления по току К_Т и по мощности К_М

К_Т≈h₂_IЭ1

К_М = К_Т∙ К₁

где h₂_IЭ1 – статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ транзистора VT1.

10.5 Входной каскад на полевом транзисторе с общим стоком (истоковый повторитель)

Истоковый повторитель (рис. 10.6) – каскад с глубокой (стопроцентной) последовательной ООС по напряжению, вследствие чего он имеет большее входное сопротивление, малую входную емкость и низкое выходное сопротивление. Поэтому, несмотря на то, что истоковый повторитель не усиливает напряжения (K<I), его используют в качестве входного каскада.

Рис.10.6. Принципиальная схема истокового повторителя

Наличие ООС настолько улучшает АЧХ (и переходную характеристику) повторителя, что он не нуждается в специальной ВЧ коррекции.

Тип полевого транзистора для истокового повторителя выбирается аналогично выбору типа биполярного транзистора:

- по частоте (f_ГР≥ 10f_B);

- по напряжению ( U_С.МАКС≥ 10 U_ВХ.СЛ);

- по току (I_С.МАКС≥ 2 I_CO).

Здесь U_С.МАКС, I_С.МАКС , - максимально допустимые для выбираемого типа транзистора напряжение и ток тока соответственно; I_CO – ток стока в точке покоя (в рабочей точке).

После выбора типа транзистора выписывают из справочника рекомендуемый режим работы по постоянному току: значения U_CO – напряжение сток-исток, U_ЗС – напряжение затвор-исток и I_CO а также значение S – крутизна тока стока в точке покоя.

Далее расчёт элементов истокового повторителя производят в следующем порядке.

1. Рассчитывают сопротивление R_И1 в цепи истока

R_И₁ = U_ЗС/I_CO

2. Если коэффициент усиления К не задан ,то следует задать К = 0,9….0,95 и рассчитать значение R_И – сопротивление в цепи истока из условия обеспечения требуемого К.

R_И=R_ВХ.СЛR_И~/( R_ВХ.СЛ– R_И~)

Где R_И~ = K/(1-K)S – общее сопротивление нагрузки цепи истока переменному току.

3. Если R_И>R_И1 , то рассчитывают R_И2= R_И-R_И1 и значения R_И1и R_И2 выбирают по шкале ГОСТ.

Если R_И<R_И1, то принимают R_И=R_И1 (тогда R_И2=0)и пересчитывают коэффициент усиления, который в этом случае равен

К=SR_И₁/(I+SR_И₁).

4. Значение сопротивления R₃ принимают равным рекомендуемому в справочнике для выбранного типа транзистора. Если в справочнике значение рекомендуемого R₃отсутствует, то принимают R₃= I..... 10 МОм.

5. Рассчитывают требуемое напряжение питания

E_П= U_СО + I_СО R_И

И округляют до ближайшего большего целого значения.

6. Рассчитывается значение емкости С1 по формуле (10.9), в которой R_ВХ.К=R₃+R_И1

7. Рассчитывается значение емкости С2 по формуле (10.10), в которой R_K заменяется на R_И.

8.Рассчитывают входное сопротивление повторителя и его входную емкость

R_З R_И(1+SR_И~)

R_ВХ.П=-----------------------------

R_И(1+R_И~)-SR_И~R_И2

где R_И~= R_ВХ.СЛ/( R_И + R_ВХ.СЛ)

С_ВХ.П=С_ЭС+С_ЭИ(1-К)

Рассчитывают входное напряжение повторителя

U_ВХ=U_ВХ.СЛ/К

10.6 Входной каскад на транзисторе с общим коллектором (эмиттерный повторитель с повышенным входным сопротивлением)

Резисторный делитель напряжения R1-R2, подающий смещение во входную цепь транзистора КПУ (рис. 10.1), снижает входное сопротивление каскада, не позволяя получить его значение выше нескольких десятков кОм [2, с. 248]. При использовании эмиттерного повторителя (ЭП) в качестве входного каскада, когда требуется получить входное сопротивление более 100 кОм без применения полевого транзистора, смещение на базу делителя R1-R2 подают через добавочный резистор R_ДОБ (рис 10.7), что позволяет значительно повысить входное сопротивление ЭП.

Рис.10.7. Принципиальная схема эмиттерного повторителя с повышенным входным сопротивлением

Выбор типа транзистора и режима его работы производится в том же порядке, что и в п.10.2.

Расчёт же элементов схемы проводится в несколько ином порядке.

1. Если задан коэффициент усиления ЭП К₁ (<I), то сопротивление резистора R_Э рассчитывают по формуле:

R_Э=R_ВХ.СЛ ∙ R_Э~ /( R_ВХ.СЛ - R_Э~)

Где R_Э~ = К₁(1-К₁)S – общее сопротивление цепи эмиттера переменному току.

Если коэффициент усиления К₁ не задан, то следует принять К₁= 0,9…….0,95.

Рассчитанное значение R_Эвыбирают по шкале ГОСТ.

2. Задавшись значением S_T=2…5 по формуле (10.4) рассчитывают значение общего сопротивления делителя R_Д.

3. Определяют сопротивление R_доб=(0,2…0,3) R_Д и выбирают его значение по шкале ГОСТ.

4. Рассчитывают входное сопротивление транзистора с ОК

R_ВХ.ОК=r′_б +(26/I_КО[мА]+R_Э~)(1+h₂_IЭ)

5. Определяют сопротивление R2 = (5....10)R_ВХ.ОК и выбирают его по шкале ГОСТ.

6. Рассчитывают значение сопротивления резистора R1

R1=R2∙R_Д/( R2-R_Д) и выбирают его по шкале ГОСТ.

7. Рассчитывают требуемое напряжение питания

Е_П=U_KO+I_KOR_Э

и округляют до ближайшего большего целого значения.

8. Рассчитывают входное сопротивление ЭП данного типа

R_ВХ.К = R_ДОБ / (1-K₁)

9. Рассчитывают значение емкости С1 по формуле (10.9)

10. Рассчитывают значение емкости С2 по формуле (10.10) с заменой R_K на R_Э.

11. Рассчитывают значение емкости С_р

С_Р=(3…10)(R1+R2)(f_n∙R1∙R2)

12. Рассчитывают входное напряжение ЭП

U_ВХ=U_ВХ.СЛ/K₁

ЛИТЕРАТУРА

Войшнилло Г.Н. Усилительные устройства. –М.: Связь, 1983, 264 с.
Цыкин Г.С. Усилительные устройства. –М.: Связь, 1971. 368с.
Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилителию –М.: Радио и связь, 1983, 320с.
Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника – М,: Радио и связь, 1996, 768с.
Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. /Под ред. Горюнова Н.Н. –М.: Энергоатомиздат, 1983, 1988.
Проектирование усилительных устройств. /Под ред. Терпугова Н.В. М.: Высшая школа, 1978.

2.1 Содержание предварительного расчёта

4. Выходной каскад с ОЭ, с высокоомной нагрузкой и параллельной ВЧ коррекцией

9. РАСЧЁТ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВЫХОДНЫМ КАСКАДОМ НА ЧАСТОТАХ fH, fB

4. Выходной каскад с ОЭ, с высокоомной нагрузкой и

параллельной ВЧ коррекцией

9. РАСЧЁТ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВЫХОДНЫМ КАСКАДОМ НА ЧАСТОТАХ f_H, f_B