Расчет по сигналу с использованием программы FASTMEAN

Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.

Учитывая то, что сопротивление источника питания E0 по переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть, а сам источник удалить.

Далее необходимо заменить элементы V1-V4 и AD1 их эквивалентными моделями:

· Фототок I_m1 диода V1 является источником сигнала. Этот источник можно рассматривать как источник тока, в связи с тем, что сопротивление фотодиода по переменному току значительно больше, чем постоянному. Необходимо также учесть емкость фотодиода C_д=1пФ. На рис.10 изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

·

Рис.11

Полевой транзистор V2 заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН (рис.11). В данной модели:

С_зи –емкость затвор-исток транзистора

С_зс – проходная емкость(емкость перехода затвор-сток)

r_зи – сопротивление перехода затвор-исток(1000МОм)

S – крутизна в точке покоя

· Биполярные транзисторы V3, V4 заменяем активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.12). В данной модели:

С_к – емкость коллекторного перехода r_бб’=τ_к/С_к=300пс/8пФ=37,5Ом –внутреннее сопротивление базы

r_б’э=(1+ h₂₁)25мВ/I_к – сопротивление перехода база-эмиттер (для V3 r_б’э=1585 Ом, для V4 r_б’э=1321 Ом )

Рис.12

С_б’э=h₂₁/(2πf_T r_б’э) – емкость перехода база-эмиттер (для V3 С_б’э=106пФ, для V4 С_б’э=127пФ )

· Модель ОУ изображена на рис.13. Она состоит из 4 частей:

Рис.13

Входной ОУ1, который задает собственный коэффициент усиления модулируемого ОУ =K=80дБ=10⁸.

ИТУН2, отражающий полюс функции передачи, создаваемый дифференциальным каскадом. Его крутизна S=-1мА/В, сопротивление R20=1кОм.

Емкость конденсатора С16=τ/R20, где τ – постоянная времени =1/2πf_p1. f_p1 – частота первого полюса функции передачи =f₁/K=250МГц/10⁸=2,5Гц. Тогда τ=0,06с, С16=60мкФ.

ИТУН3 выполняет аналогичную функцию. Крутизна S=-1мА/В, сопротивление R21=1кОм. Частоту второго полюса f_p2 примем равной частоте единичного усиления f₁=250МГц. Тогда τ=0,64нс, С17=0,64пФ.

ОУ2 моделирует оконечный каскад, который по сути является эмиттерным повторителем. Коэффициент усиления К=1.

Соединив модели активных элементов согласно принципиальной схеме (рис.1), получим эквивалентную схему усилителя по сигналу для всех диапазонов частот (рис.14).

Рис.14

Рис.14

Теперь рассчитаем сопротивления R14 и R15. Выберем R15=R12=3кОм. Тогда R14=R15/(К-1). К=U₁₈/U₁₃, где U₁₈=U_2н=2В – напряжение на нагрузке. Экспериментально найдем U₁₃, установив при этом ток в источнике ток I_m1 и среднюю частоту заданного диапазона f=100кГц. На рис.15 показан переходный процесс, по которому найдем U_{13 max}=0,2В. Тогда К=1,41* U_2н/ U_{13 max}=14,1, R14=3000/13,1=230Ом.

Рис.15