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, где показаны только те элементы схемы, по которым протекают постоянные токи.

Рис. 2. Схема транзисторной части усилителя по постоянному току

В связи с тем что конденсаторы не пропускают постоянный ток, рис. 2 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы: с фотодиодом, c полевым транзистором и с биполярными транзисторами.

Предварительный расчет резисторов по постоянному току

Предварительный расчет резисторов диода V1

Параметры фотодиода V1-ФДК-227: рабочее напряжение U_раб = 10 В, темновой ток I_тем = 0,1 мкА, амплитуда фототока I_m1 = 1 мкА.

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рис. 3. Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения U_ак уменьшает проходную емкость фотодиода. На рис. 3, б показана также нагрузочная линия. При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток. Он практически не создает падения напряжения на резисторах R1, R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается все напряжение питания Е₀. При заданном уровне фототока исходная рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в точку А. Сопротивление фотодиода постоянному току в этой точке с координатами (I₁, U_ак) R_Д = U_ак/I₁ составляет несколько мегаом. Выберем напряжение анод-катод фотодиода U_ак, |U_ак| < E₀. Тогда на резисторах (R1 + R2) должно быть падение напряжения, равное E₀ – U_ак. Задав напряжение на аноде U_а = 0,1E₀, определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде U_к = U_а + U_ак. Теперь, зная фототок, вычисляем сопротивления резисторов R1 и R2:

R1 = U_а/ I_m1; R2 = (E₀ –U_к)/ I_m1.

а) б)

Рис. 3. Принципиальная схема цепей питания фотодиода (а)
и его типовая вольт-амперная характеристика (б)

Рассчитанные сопротивления резисторов R1, R2 необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом (табл. 5).

В табл. 5 приведены ряды значащих цифр для всех единиц измерений: Ом, кОм, МОм. Выбирается значение, ближайшее к расчетному из ряда заданной точности.

Таблица 5

Класс точности, %

Шкала номинальных значений сопротивлений и емкостей

Предварительный расчет по постоянному току каскада
на полевом транзисторе V2

Каждый транзистор КП307 имеет свои справочные данные [3, 4]: ток стока начальный I_{С нач}, мА; максимальную крутизну S_макс, мА/В; напряжение отсечки U_отс, В.

Другие показатели полагаем одинаковыми: емкость затвор–исток
C_зи = 5 пФ, емкость проходная С_зс =1,5 пФ; ток утечки затвора I_ут.з =1 нА; сопротивление затвор–исток r_зи= U_ЗИ/I_ут.з = 1000 МОм.

Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис. 4. Необходимо для заданного типа полевого транзистора вычертить свою вольт-амперную характеристику, используя известные соотношения I_С = I_{С нач} · (1 – U_ЗИ / U_отс)² (рис. 4, б).

а) б)

Рис. 4. Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 (а)
и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом (б)

Для расчета резисторов R3…R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2 исходя из его параметров: начального тока стока I_{С нач}, максимальной крутизны S_max и напряжения отсечки U_отс.

Выбираем напряжение затвор–исток U_ЗИ = –1 В. Затем определяем ток покоя стока I_С = I_{С нач}(1 – U_зи/U_отс)² и крутизну S = S_max(1 – U_зи / U_отс).

Как правило, выбирают напряжение на истоке U_и = 0,2E₀, а напряжение сток-исток U_си = E₀/2. Тогда напряжение на стоке равно U_c = U_и + U_си. Отсюда сопротивления резисторов в цепи истока и стока R6 = U_и / I_С,
R5 = (E₀ – U_С) / I_С. Напряжение на затворе U_З = U_и + U_ЗИ. Рассчитаем сопротивление резистора R4, исходя из заданной верхней частоты . Так как частота верхнего среза входной цепи должна быть больше , а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью
С = С_д+С_вх+С_м (где С_д – проходная емкость диода; С_вх – входная емкость транзистора V2; С_вх ≈ С_зи + (S·R5+1)·C_зс, С_м = 1 пФ – емкость монтажа), можно заключить, что необходимо выбрать R4 ≤ 1/(2π ·С). После этого определяем ток делителя I_Д2=U_З/R4 и сопротивление резистора
R3 = (E₀ – U_З) / I_Д2.

Расчет по постоянному току каскадов
на биполярных транзисторах V3, V4

Биполярные транзисторы КТ382А имеют следующие параметры:

- транзистор биполярный кремниевый;

- U_бэ = 0,7 В;

- коэффициент усиления по току минимальный h_21min;

- коэффициент усиления по току максимальный h_21max;

- частота единичного усиления f_т, МГц;

- максимальный постоянный ток коллектора I_Кmax, мА;

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер u_кэmax, В;

- постоянная времени цепи обратной связи τ_к, пс;

- емкость коллекторного перехода С_к, пФ;

- допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе Р_{К ДОП}, мВт.

Для расчета сопротивлений резисторов R7…R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4 (рис. 5).

Выбираем ток покоя транзистора V4: I_К4 ≤ 6 мА. Учитывая, что переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше, чем переменный ток колектора V4, можно выбрать постоянный коллекторный ток I_К3 ≤ I_К4. Установив напряжение коллектор-эмиттер V4 (U_КЭ,4 = E₀/2) и напряжение на эмиттере V4 (U_Э4 = 0,1E₀), можно определить напряжение U_Б4 = U_Э3 =U_Э4 + U_БЭ, где U_БЭ = 0,7 В для кремниевых транзисторов. Напряжение на базе V3: U_Б3=U_Э3+U_БЭ. Напряжение на коллекторе V4: U_К4=U_Э4+U_КЭ,4.

Теперь можно вычислить сопротивления резисторов R9…R11:

R9 = U_Э3/I_Э3, R10 = (E₀ – U_К4)/I_К4, R11= U_Э4/I_Э4,

где I_Э3 = I_К3 + I_Б3, I_Э4 = I_К4 + I_Б4.

Для вычисления токов базы I_Б3 и I_Б4 и дальнейших расчетов коэффициенты передачи по току h_21,3 и h_21,4 определим с учетом их крайних значений Тогда I_Б3 = I_К3/h₂₁, I_Б4 = I_К4/h₂₁, а I_Э3 =I_К3 (1+1/h₂₁), I_Э4 = I_К4(1+1/h₂₁). В ряде случаев при больших h₂₁ принимают: I_Э3 I_К3, I_Э4 I_К4.

Для вычисления сопротивлений резисторов R7 и R8 нужно знать ток делителя I_Д3.

Обычно его выбирают I_Д3 ≥ 10I_Б3. Сопротивления резисторов

R7 = (E₀ – U_Б3)/(I_Д3 + I_Б3), R8 = U_Б3/I_Д3.