Основные принципы расчета электрических схем усилителей

Аналоговый усилитель напряжения может быть разработан на биполярных транзисторах (БТ), полевых транзисторах (ПТ), а также на интегральных микросхемах. При применении транзисторов необходимо провести типовые расчеты по постоянному току и расчеты в режиме малых переменных сигналов. Для интегральных микросхем необходимо рассчитать внешние элементы отрицательной обратной связи, обеспечивающие необходимый коэффициент усиления в режиме малых переменных сигналов [6].

Варианты задания для этого раздела расчетов приведены в приложении ‘В’.

Требования задания для расчета аналогового усилителя следующие:

– – полярность незаземленного полюса и величина электрического напряжения источника питания;

– – величина входного сопротивления усилителя в режиме малых переменных сигналов, который должен быть согласован с фильтром;

– – модуль коэффициента усиления по напряжению в режиме малых переменных сигналов (не менее);

– – выходное сопротивление усилителя в режиме малых переменных сигналов (требования не задаются, но данный параметр оценивается при расчетах).

Для выполнения требований задания достаточно одного усилительного каскада. Рекомендуется разработать усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе. Для этого варианта:

а) выбирается тип транзистора (БТ или ПТ) и одна из типовых схем его включения. Для биполярного транзистора существуют следующие типовые схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общая база (ОБ), общий коллектор (ОК). Для полевого транзистора аналогичные схемы включения называются: общий исток (ОИ), общий затвор (ОЗ), общий сток (ОС). Необходимо учитывать, что так как в задании требуемый усилителя больше единицы, то для схем включения ОК и ОС обязательно применение повышающего трансформатора;

б) в зависимости от полярности незаземленного полюса, величины напряжения источника питания и частоты первой гармоники входного сигнала генератора выбирается конкретный транзистор из приложения Д. Например, при положительной полярности незаземленного источника питания необходимо применить или биполярный n-p-n-транзистор или полевой транзистор с каналом -типа. При отрицательной полярности необходимо выбрать биполярный транзистор p-n-p-типа или полевой транзистор с каналом p-типа. Предельно допустимые напряжения для выбранного транзистора не должны быть меньше напряжения источника питания, а его предельная рабочая частота должна быть в 5–10 раз выше частоты первой гармоники входного сигнала ( );

в) выбирается конкретный схемотехнический вариант стабилизации режима по постоянному току для выбранной типовой схемы включения. Например, в случае применения биполярного транзистора может проектироваться схема усилителя со стабилизацией тока базы, со стабилизацией тока эмиттера и др.;

г) проводится расчет схемы усилителя по постоянному току по законам Кирхгофа, Ома (с использованием вольт-амперных характеристик или по характеристикам типового режима);

д) проводится расчет усилителя для режима малых переменных сигналов по малосигнальным h, Y-параметрам транзисторов. При таком расчете считается, что источник питания имеет нулевое сопротивление для переменных сигналов. С учетом этого рассчитываются входное, выходное сопротивления усилителя и коэффициент усиления по напряжению.

Для расчета в курсовой работе рекомендуется выбрать усилитель на биполярных транзисторах по схеме ОЭ со стабилизацией тока эмиттера или усилитель на полевом транзисторе по схеме ОИ. Для этих вариантов включения приведен справочный материал в приложении Д. Схема электрическая принципиальная ОЭ со стабилизацией тока эмиттера показана на рисунке 11.

Рис. 11

3.2. Пример расчета схемы электрической принципиальной усилителя
на биполярном транзисторе

3.2.1. Исходные данные

Необходимо рассчитать усилитель, который должен быть согласованным с ФВЧ п. 2.4. Исходные данные к проектированию:

– напряжение питания Е = + 10 В;

– модуль коэффициента усиления по напряжению не менее 10;

– входное сопротивление усилителя 400 Ом.

Кроме того, для выбора транзистора по частотным свойствам считается известной частота первой гармоники входного сигнала f₁ = 3,5 кГц.

Для проектирования усилителя выбрана электрическая схема ОЭ со стабилизацией тока эмиттера (рис. 11). Из приложения Д данных методических указаний или из справочников [7] выбираем биполярный транзистор n-p-n-типа ГТ-122, параметры которого удовлетворяют требованиям к расчету (табл. 5).

Таблица 5

Обоз.	тип	., МГц	, В	, тип. мА	тип. В	, кОм	, См	, средн.	, мА/В
ГТ122	npn	0,05		1,5	0,45	0,6	0,00008		–

3.2.2. Расчет по постоянному току

Уравнение для выходного контура:

.

Учитывая, что , а также, что необходимо обеспечить и планируя , получаем R_к = 3 кОм, R_э = 0,3 кОм.

Требуемый ток базы равен мА.

Выбираем величину тока мА, тогда суммарный ток в базовой цепи равен мА.

Постоянное напряжение на резисторе определяется:

В.

Величины сопротивлений резисторов в цепи базы, по закону Ома, равны:

кОм.

3.2.3. Расчет в режиме малых переменных сигналов

Так как транзистора выше частоты десятой гармоники сигнала, считаем, что коэффициент усиления транзистора остается постоянным в диапазоне рабочих частот. Следовательно, коэффициент передачи по напряжению для переменных сигналов равен

.

Выходное сопротивление равно , а входное сопротивление состоит из трех параллельно соединенных участков: R1, R2 и элемента . С учетом этого входное сопротивление для переменных сигналов равно кОм.

Рассчитанный усилитель имеет сравнительно большое входное сопротивление. Его согласование с низкоомными электрическими цепями, например с сопротивлением фильтра , можно обеспечить за счет дополнительного резистора , подключенного параллельно входу усилителя. Номинал такого резистора определяется из условия:

.

4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ АНАЛИЗА СПЕКТРА
СЛОЖНОГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА