3.1.4 Расчет входного каскада усилителя (эмиттерного повторителя)

Исходными данными для расчета являются:

1. Амплитуда входного сигнала e_вх m = 20 мВ.

2. Внутреннее сопротивление источника входного сигнала R_д = 2 кОм.

3. Амплитуда выходного напряжения u_вых m = 20 мВ.

4. Диапазон частот усиливаемого сигнала f_н…f_в = 300 Гц…10 кГц.

5. Коэффициенты допустимых частотных искажений М_н1 = 1,12, М_в1 = 1,19.

6. Допустимый коэффициент температурной нестабильности S_i ≤ 5.

7. Сопротивление нагрузки (входное сопротивление второго усилительного каскада) R_н = R_вх2 = 0,406 кОм.

8. Емкость нагрузки (входная динамическая емкость второго усилительного каскада) С_н = С_вх2 = 16,56 нФ.

Расчет должен содержать:

• расчет по постоянному току;

• расчет элементов принципиальной схемы.

Расчет эмиттерного повторителя по постоянному току

Так как исходные данные для расчета входного каскада аналогичны исходным данным для расчета выходного каскада, то целесообразно выбрать такой же тип транзистора. Схема входного каскада приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Принципиальная схема эмиттерного повторителя

Рассчитаем сопротивление эмиттерного повторителя постоянному току. Для выбора той же рабочей точки, что и у транзистора выходного каскада (I_б0 = 50 мкА), рассчитаем сопротивление резистора

R₃ = R₆ + R₇ = 1,8 + 0,51 = 2,31 кОм.

По ряду Е24 выбираем R₃ = 2,4 кОм.

В этом случае параметры транзистора и параметры эмиттерного повторителя по постоянному току будут такими же, как и у рассчитанного ранее усилительного каскада.

Расчет элементов принципиальной схемы

1) Рассчитаем параметры делителя R₁, R₂. Сопротивление резистора R₂ равно: .

Так как в данной схеме 100%-я отрицательная обратная связь, целесообразно ток делителя выбрать меньше, чем ток в цепи делителя выходного каскада, например I_д = 7 · I_б0 = 350 мкА = 0,35 мА.

U_э01 = I_э1 · R_э1 = (I_к0 + I_б0) R₃ = (3,1 + 0,05) · 10^-3 · 2,4 · 10³ = 7,56 В.

 = U_э01 + U_б-э0 = 7,56 + 0,09 = 7,65 В.

Тогда

Ом.

Выбираем по ряду Е24 ближайшее значение R₂ = 22 кОм.

Сопротивление резистора R₁ равно:

Ом.

Выбираем по ряду Е24 R₁ = 16 кОм.

2) Проверка обеспечения коэффициента температурной нестабильности.

Коэффициент температурной нестабильности равен:

,

где – сопротивление делителя.

Тогда .

Следовательно, заданное значение коэффициента температурной нестабильности обеспечивается S_i = 4,822 ≤ 5.

3) Расчет емкости конденсатора на выходе эмиттерного повторителя.

Емкость конденсатора на выходе эмиттерного повторителя должна удовлетворять условию:

,

где ; ; R_н1 = 0,406 кОм.

Следовательно, Ом;

кОм;

мкФ.

Выбираем С₂ = 1,8 мкФ.

4) Расчет емкости конденсатора на входе эмиттерного повторителя.

Емкость конденсатора на входе эмиттерного повторителя должна удовлетворять условию:

,

где – входное сопротивление эмиттерного повторителя с учетом входного делителя;

R_вх ЭП = R_вх + R_Э~ (1+h_21Э) – входное сопротивление эмиттерного повторителя без учета входного делителя;

– сопротивление эмиттерного повторителя переменному току;

– эквивалентное сопротивление входного делителя.

Таким образом:

кОм;

R_вх ЭП = 570 + 347 (1 + 80) = 28677 Ом = 28,677 кОм;

кОм;

кОм.

Следовательно

.

Выбираем С₁ = 0,22 мкФ.

Примечание:

Если необходимо получить более высокое входное сопротивление R_вх ЭП, то можно задать рабочую точку фиксированным током базы (R₂ отсутствует), а R₁ рассчитать, исходя из I_б0.

5) Расчет выходного сопротивления эмиттерного повторителя и проверка допустимых искажений в области верхних частот.

Для обеспечения согласования сопротивлений входного и усилительного каскадов и для обеспечения частотной характеристики в области верхних частот необходимо чтобы выходное сопротивление эмиттерного повторителя R_вых ЭП было меньше его допустимого значения R_{вых ЭП доп}.

Величины R_вых ЭП и R_{вых ЭП доп} определяются по формулам:

;

,

где С₀ = С_к + С_м + С_н.

С₀ = 60 + 50 + 16,56 · 10³ = 16,67·10³ пФ.

,

.

Так как R_вых ЭП < R_{вых ЭП доп} то можно сделать вывод, что рассчитанные параметры удовлетворяют заданным.

6) Определение коэффициентов передачи входной и выходной цепей эмиттерного повторителя.

Коэффициент передачи входной цепи рассчитывается по формуле:

.

.

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя рассчитывается по формуле:

.

.

Расчет общего коэффициента усиления усилителя

Общий коэффициент усиления усилителя рассчитывается как произведение коэффициентов передачи входной цепи эмиттерного повторителя, его коэффициента передачи и коэффициента усиления второго каскада:

К₀ = К_вх · К_ЭП · К₀₂.

К₀ = 0,778 · 0,98 · 85 = 64,8.

Так как общий коэффициент усиления усилителя равен К₀ = 64,8 больше требуемого, и рассчитанного ранее К₀ = 50, то схема усилителя удовлетворяет условиям исходных данных с запасом.

Выбор элементов усилителя

1) Выбор резисторов по мощности рассеивания.

Расчет мощности рассеивания проведем для резисторов R₆ и R₃, R₄. Для остальных резисторов схемы такой расчет нецелесообразен, так как на них рассеивается меньшая мощность.

.

Вт.

.

Вт.

.

Вт.

Следовательно, все резисторы можно выбрать с мощностью рассеивания 0,125 Вт.

2) Выбор конденсаторов по напряжению.

Выбор конденсаторов определяется по рабочему напряжению, которое выбирается с 1,5…2-х кратным запасом по сравнению с фактически действующими на конденсаторах постоянными напряжениями.

Зададим коэффициент запаса равным 2 и определим рабочие напряжения конденсаторов.

В.

 В.

 В.

В.

Таким образом, все конденсаторы можно выбрать с рабочим напряжением 15 В.