Предварительный расчет по постоянному току

Расчет предварительных каскадов RC-усилителей

Систем передачи информации

Выполнила:

Носкова А.А. студент гр. МТО-93

№ зачетной книжки: 092141

Санкт-Петербург

Содержание:

1. Задание....................................................................................................................................... 3

2. Предварительный расчет по постоянному току.................................................................... 5

3. Расчет усилителя на переменном токе.................................................................................. 12

4. Литература............................................................................................................................... 18

Задание

Проектирование входного широкополосного RC-усилителя, работающего в режиме малого сигнала, источником сигнала которого является генератор тока. Подобные усилители находят широкое применение в видеоаппаратуре, а также в блоках управления радио- и видеотехникой. Особенность проектирования заключается в том, что по ряду показателей – стабильности коэффициента усиления, динамическому диапазону входных сигналов и полосы пропускания, к усилителям предъявляются достаточно высокие требования.

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru
Принципиальная схема усилителя (рис. 1)

Данные по варианту 141:

Классификационный индекс полевой транзистора КП 307Б и его параметры:

Iс нач = 10 мА

Smax = 15 мА/В

Uотс = -5 В

UЗИ = 5 В

CЗИ = 5 пФ

CЗС = 1.5 пФ

Iут.з.=1 мА

Параметры биполярного транзистора малой мощности типа n-p-n (КТ355А):

Pк= 225 мВт

Uкэ max= 15 В

Iк max = 30 мА

h21 max = 300

h21 min = 80

fт = 1500 МГц

Cк = 2 пФ

τк = 60 пс

Величина напряжения источника питания: E0 = 10 В

Сопротивление внешней нагрузки: R2H = 1.2 кОм

Полоса пропускания:

Нижняя частота: Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru = 20 кГц

Верхняя частота: Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru = 2 МГц

Конденсаторы: C1-C6=1÷5 мкФ

Ток источника сигнала: I1=1 мкА

Ёмкость внешней нагрузки: С7=5 пФ

Предварительный расчет по постоянному току

2.1. Предварительный расчет резисторов диода V1

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru
Принципиальная схема цепей питания фотодиода (слева) и его типовая вольт-амперная характеристика (справа) (рис. 2)  

Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода.

Выберем напряжение Uак, так, что бы |Uак|<E0 и |Uак|<Uраб.

Uак = -7,5 В

Тогда на резисторах (R1+R2) должно быть падение напряжения равное

E0 – Uак = 10 – 7,5 = 2,5 В

Выберем напряжение на аноде Uа = 0,1*E0

Uа = 0,1*10 = 1 В

Тогда напряжение на катоде Uк = Uа+Uак

Uk =1B-7,5B=-6,5 B

Теперь, зная фототок I1 = 1 мкА, можно вычислить R1 и R2 по следующим формулам:

R1=Ua/I1=1 B/1 мкА=1 МOм

R2=(E0-Uk)/I1=(10 B+6,5 B)/10^(-6)=16,5 МОм

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом, тогда:

R1 = 1,1 МОм

R2 = 18 МОм

Сопротивление фотодиоду по постоянному току в точке А (рис. 2):

Rд=Uak/I1=7,5 МОм

2.2. Расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru
Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 (слева) и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом (справа) (рис. 3)

Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: начального тока стока, максимальной крутизны и напряжения отсечки.

Выберем напряжение затвор-исток: UЗИ Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru => UЗИ = -1 В.

Рассчитаем ток стока и максимальную крутизну:

Ic=Iс нач*(1-Uзи/Uoтс)^2=10*10^(-3) А*(1-(-1 В)/(-5 В))^2=6,4 мА

S=Smax*(1-Uзи/Uoтс)=15мА/В *0.8=12 мА/В

Выберем напряжение на истоке: UИ = 0,2*E0 = 0,2 * 10 В = 2 В.

Выберем напряжение сток-исток: Uси=Е0/2=5 В

Тогда напряжение на стоке: Uc= Uи+ Uси=7 B

Отсюда сопротивления в цепи истока и стока:

R6=Uи/Ic=310 Ом

R5=(E0-Uc)/Ic=3 B/6,4 мА=470 Ом

Напряжение на затворе: UЗ = UИ + UЗИ = 2 + (-1) = 1 В

Рассчитаем R4 исходя из заданной верхней частоты Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru = 2 МГц, необходимо взять такое R4, что бы выполнялось неравенство R4 Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru , где С = СДВХМ.

С=Свх+Сд+См=Сзи+(S*R5+1)*Сзс+2 пФ=16.96 пФ

Тогда R4<=1/(2*π *fв√2*C)=10^3/209.17=4,6 кОм

R4 Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru 4.36 кОм.

Ток делителя IД2 будет равен:

Iд2=Uз/R4=1 B/4,6 кОм=0,21 мА

R3=(E0-Uз)/ Iд2=(10 В-1 В)/0,21 мА=42.8 кОм

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом.

Тогда:

R3 = 43 кОм

R4 = 4.7 кОм

R5 = 470 Ом

R6 = 330 Ом

2.3. Расчет по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3,V4

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru
Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току (рис. 4)  

Для расчета сопротивлений резисторов необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.

Выберем токи покоя транзисторов V3 и V4:

IК4 ≤ IКmax/2= 30/2 = 15 мА

IК4 = 15 мА

IК3 ≤ IК4

IК3 = 12 мА

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора V4 UКЭ,4 = Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru 5 В.

Напряжение на эмиттере UЭ4 = 0.1*E0 = 0.1 * 10 В = 1 В, тогда

UБ4 = UЭ3 = UЭ4 + UБЭ = 1 В + 0.7 В = 1.7 В

Можно заметить, что UБ4 = UЭ3, тогда

UБ3 = UЭ3 + UБЭ = 1.7 В + 0.7 В = 2.4 В

UК4 = UЭ4 + UКЭ,4 = 1 В + 5 В = 6 В

Для вычисления токов базы IБ3 и IБ4 и дальнейших расчетов определим коэффициенты передачи по току h21, используя крайние значения

h21 = Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru 155

Тогда IБ3 и IБ4 будут равны:

IБ3 = Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru 0.07 мА.

IБ4 = Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru 0.09 мА.

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru

Примем ток делителя IД3 ≥ 10* IБ3 = 10*0.07 мА = 0.7 мА.

Выберем IД3 = 1 мА

Ввиду большого коэффициента передачи по току h21, будем считать, что IЭ3 Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru IК3, а IЭ4 Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru IК4.

Вычислим сопротивления резисторов

R9=Uэ3/Iк3=141 Ом

R10=(E0-Uк4)/Iк4=266 Ом

R11=Uэ4/Iк4=66 Ом

R7=(E0-Uб3)/(Iд3+Iб3)=8,92 кОм

R8=Uб3/Iд3=3,098 кОм

Значения резисторов необходимо выбрать в соответствии с номинальным рядом.

Тогда:

R7 = 9,1 кОм

R8 =3,3 кОм

R9 = 141 Ом

R10 = 266 Ом

R11 = 68 Ом

2.4. Проверка расчета по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3 и V4 с помощью компьютера

Для проверки расчетов по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3 и V4 можно использовать компьютер (программу FASTMEAN). Составим эквивалентную схему:

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru
Эквивалентная схема усилительного каскада на V3 и V4 по постоянному току (рис. 5)

Сопротивления R6 и R1 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 h11,3 и h11,4. Они вычисляются по таким формулам:

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru

Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели коэффициенту передачи тока h21 необходимо присвоить знак минус.

Вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах.

Предварительный расчет по постоянному току - student2.ru Результаты расчётов на ПК (рис. 6)    

Сравним результаты расчета на ПК и предварительного расчета.

  V3 V4
Токи и напряжения UБ3 UЭ3 IД3 IЭ3 UЭ4 UК4 IК4
Ед. измерения В В мА мА В В мА
Расчет предварительный 2.4 1.7 0.7 12.1
Расчет компьютерный 2.48 1.78 0.75 11.9 1.06 5.81 15.6

Несложно убедится, что результаты расчетов на ПК совпадают с заданной точностью (разница не превышает 10%). Можно считать, что расчет всех элементов по постоянному току сделан правильно.

Наши рекомендации