Расчет по постоянному току в схеме на ОУ

Этот расчет сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны, они должны обеспечить «среднюю точку» напряжения питания E₀/2 на ОУ, и потому R12 = R13, с другой стороны, их парллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого рекомендуется выбирать R12 = R13 = 5 R10.

На этом расчет по постоянному току закончен. Все рассчитанные сопротивления необходимо выбрать ближайшими по номинальному ряду, соответствующему заданному технологическому допуску. Обычно для резисторов в цепи эмиттера и истока принимают допуск ±5%, а для остальных ±10% .

Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютера

Правильность расчетов сопротивлений после их выбора по номинальному ряду удобно проверить с помощью компьютера [5–7]. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 5) преобразуем в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис. 6, б), где H₁₁ – входное сопротивление биполярного транзистора на постоянном токе.

а) б)

Рис. 6. Определение входного сопротивления (а)
и эквивалентная схема биполярного транзистора (б) по постоянному току

Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели (рис. 6, б) коэффициенту передачи тока h₂₁ необходимо присвоить знак «минус» (например, h₂₁ = –100).

Составим эквивалентную схему усилителя на биполярных транзисторах (рис. 7) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора.

При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R12 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база–эмиттер транзисторов V3 и V4 (H_11,3 и H_11,4) по постоянному току (рис. 6, а). Их величины: R6 = H_11,3 = U_БЭ/I_Б3, R12 = H_11,4 = U_БЭ/I_Б4, где U_БЭ = 0,7 В.

Рис. 7. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3,V4 по постоянному току

С помощью команды «Анализ по постоянному току» в схеме рис. 7 вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах. В табл. 6 вносим все результаты без учета знака.

Таблица 6

Параметр	V3	V4
Токи и напряжения	UБ3, В	UЭ3, В	IД2, мА	IЭ3, мА	UЭ4, В	UК4, В	IК4, мА
Расчет предварительный
Компьютерный

Если результаты совпадают с точностью ≤ 10%, то расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.

Расчет по сигналу

Расчет по сигналу также проведем при помощи программы Fastmean. Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.

Учитывая, что сопротивление источника питания Е₀ переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис. 1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1…V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе. Источником сигнала является фототок I_m1 диода V1. Cопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольт-амперной характеристике в точке А. Вследствие того что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока – в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току r_Д = ∆u/∆I оказывается значительно больше, чем сопротивление постоянному току R_Д, и r_Д достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока. Чрезвычайно большое сопротивление r_Д нет необходимости учитывать в эквивалентной схеме, остается учесть лишь емкость фотодиода С_Д = 1 пФ (рис. 8, а). На рис. 8, б изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

а) б)

Рис. 8. Модель фотодиода на переменном токе (а)
и эквивалентная схема входной цепи (б)

На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН – источник тока, управляемый напряжением (рис. 9, а). Это значит, что выходной ток (ток стока i_C) управляется входным напряжением (затвор–исток u_ЗИ), т. е. i_C = –S∙u_ЗИ.

В данной модели C_ЗИ – емкость затвор–исток транзистора, пФ, C_ЗС – проходная емкость, емкость перехода затвор–сток, пФ, (величины этих емкостей даются в справочниках по транзисторам), S – крутизна в точке покоя, мА/В. Сопротивление перехода затвор–исток r_ЗИ очень велико (разд. 3).

а) б)

Рис. 9. Эквивалентная модель транзисторов по сигналу: а) полевого – V2 (ИТУН);
б) биполярного – V3 и V4 (ИТУТ)

Биполярные транзисторы V3 и V4 заменяем каждый активным четырехполюсником типа ИТУТ (источник тока, управляемый током, рис. 9, б). Здесь выходной ток i_к управляется током базы i_б, т. е. i_к = –h₂₁ i_б.

В этой модели r_б´б – объемное сопротивление базового слоя, Ом. Находим его из выражения r_б´б = τ_к/C_к, где C_к – емкость коллекторного перехода, пФ, приводится в справочниках. Сопротивление перехода база–эмиттер r_б´э, Ом, вычисляется так: r_б´э = (1 + h₂₁) где h₂₁ – коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Емкость перехода база–эмиттер С_б´э, пФ, вычисляется по выражению
С_б´э = где f_т – частота единичного усиления из справочника.

Модель ОУ на переменном токе подробно описана в [5]. Ее элементы следует рассчитать исходя из заданной ИМС.

Соединив модели активных элементов согласно принципиальной схеме (рис. 1), получим эквивалентную схему усилителя по сигналу для всех диапазонов частот (рис. 10). Номера внешних резисторов R1…R15 и конденсаторов C1…C8 этой схеме соответствуют номерам резисторов и конденсаторов принципиальной схемы (рис. 1).

К этому моменту остаются неизвестными значения резисторов R14 и R15, поскольку не определен коэффициент усиления каскада на ОУ K_F = U₂₁/U₁₃. Напряжение U₂₁ = U_2Н заданно в табл. 3. Напряжение U₁₃ следует определить, активировав клавишу «переходный процесс», установив предварительно в источнике сигнала ток I_m1 = 1 мкА и среднюю частоту заданного диапазона, например, f =100 кГц. Следует помнить, что в этом случае компьютер покажет амплитуду сигнала U_13m. Тогда искомый коэффициент усиления будет K_F = 1,41·U_2Н/U_13m. Для реализации этого усиления воспользуемся зависимостью коэффициента усиления в неинвертирующем включении ОУ: K_F = 1 + R15/R14.

Рекомендуется предварительно выбирать R15 = (R12 ǁ R13) и затем вычислить R14.

Теперь можно определить частотные свойства всего усилителя с помощью Fastmean. Придав элементам схемы рис. 10 соответствующие значения, можно определить зависимость сопротивления передачи от частоты: R(f)=U_ВЫХ/I₁. Для этого в диалоговом окне набираем U(21)/I₁. В связи с тем что исследуемая функция не безразмерная, представлять ее в децибелах, как коэффициент усиления, нельзя. Шкалы по X и Y должны быть обе логарифмическими, для этого в выражении по оси Y убрать символ dВ.

Примерный вид функции сопротивления передачи показан на рис. 11. Вызвав линейку на экран, вычисляем частоты верхнего и нижнего среза , при которых по определению коэффициент передачи становится равен 0,7R₀, где R₀ – сопротивление передачи на средней частоте. Если ≤ , а ≥ , то спроектированный усилитель будет удовлетворять требованиям технического задания. Здесь индекс «т.з» обозначает «техническое задание».

Рис. 11. Вид функции сопротивления передачи

Если расчет показал, что > , необходимо увеличивать емкости блокировочных и разделительных конденсаторов. Если < необходимо уменьшить коэффициент усиления усилителя. Наиболее простой путь – уменьшить усиление транзистора V4 введением отрицательной обратной связи. Более эффективным является применение эмиттерной коррекции. Далее вычерчивается принципиальная схема и составляется перечень элементов.

Литература

1. Павлов, В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств : учебник для вузов / В. Н. Павлов, В. Н. Ногин. –2-е изд., исправ. – М. : Горячая линия – Телеком, 2001.

2. Павлов, В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В. Н. Павлов. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.

3. Усилительные устройства : учеб. пособие для вузов / В. А. Андреев и др.; под ред. О. В. Головина. – М. : Радио и связь, 1993.

4. Войшвилло, Г. В. Усилительные устройства : учебник для вузов / Г. В. Войшвилло. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Радио и связь, 1983.

5. Алексеев, А. Г. К расчету резисторных каскадов. Методические указания / А. Г. Алексеев, П. В. Климова. – 2011. – www.seusut.narod 2.ru

6. www. fastmean.ru. Официальный сайт программы FASTMEAN.

7. Алексеев, А. Г. Методические указания к курсовому проектированию предварительных каскадов RС-усилителей систем передачи информации / А. Г. Алексеев, П. В. Климова. – СПб., 2010. – www.mts.sut.ru

Содержание

1. Содержание и порядок выполнения проекта. 3

1.1. Требования к проектируемому устройству. 3

1.2. Проектное задание. 3

1.3. Содержание курсового проекта. 3

1.4. Общие правила выполнения. 3

2. Описание принципиальной схемы.. 6

3. Расчет элементов схемы по постоянному току. 8

4. Расчет по сигналу. 14

Литература. 18

Алексеев Алексей Георгиевич

Климова Полина Валентиновна

Схемотехника аналоговых
электронных устройств

Проектирование
усилителя-фотоприемника ВОСПИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому пректированию

Ответственный редактор П. В. Климова

Редактор И.И. Щенсняк

Верстка М.Ю. Кусовой

План 2012 г., п. 41

Подписано к печати 15.05.2012

Объем 1,25 усл. печ. л. Тираж 70 экз. Заказ 174

Издательство СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Отпечатано в СПбГУТ

А.Г. Алексеев, П.В. Климова

Схемотехника аналоговых
электронных устройств

Проектирование
усилителя-фотоприемника ВОСПИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому пректированию

Санкт-Петербург

В печать

Объем 1,25 усл. печ. л.

Тираж 70 экз.

Заказ 174

Первый проректор –

проректор по учебной работе, проф.

__________________________Г. М. Машков

«____» ___________ 2012 г.

Начальник РИО

__________________________Е. Ю. Пономарева

«____» ___________ 2012 г.

Редактор И.И. Щенсняк

__________________________

«____» ___________ 2012 г.