3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ

3.1. Курсовоепроектирование

Целью курсового проектирования по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является закрепление у студентов знаний, полученных при изучении теоретического материала. Задачи курсового проектирования:

приобретение навыков практического использования методов анализа и синтеза основных узлов аналоговых электронных устройств, методов оптимизации схемотехнических решений исходя из требований технического задания; формирование способности и умения обосновывать и отстаивать вы-

бранные технические решения при проектировании; ознакомление с требованиями, предъявляемыми к разработке и оформле-

нию конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. Трудоемкость курсового проекта– 0,47 зачетных единиц (17 часов).

В результате выполнения курсового проекта формируются следующие компетенции:

готовность работать с информацией из различных источников (ИК-4); способность выполнять математическое моделирование объектов

ипроцессов по типовым методикам, в том числе с использованием стандартных пакетов прикладных программ (ПК-4);

способность изучать специальную литературу и другую научнотехническую информацию, достижения отечественной и зарубежной науки

итехники в области радиотехники (ПК-6).

Работу над курсовым проектом условно можно разбить на четыре этапа:

1.Анализ исходных данных, выбор и обоснование структурной схемы. Расчет функциональной схемы усилителя – 15 %.

2.Расчет принципиальной схемы усилителя – 30 %.

3.Расчет основных характеристик и параметров – 30 %.

4.Оформление чертежей и пояснительной записки – 25 %.

Второй и третий этапы по времени выполняют параллельно. Законченный курсовой проект должен содержать:

1.Пояснительную записку объемом 25–40 с.

2.Графическую часть в объеме трех листов (выполняют в соответствии

стребованиями ЕСКД):

схему электрическую структурную; схему электрическую принципиальную;

графики частотных зависимостей коэффициента усиления в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот.

На свободном поле чертежей необходимо привести схемы электрические принципиальные используемых интегральных микросхем. Перечень

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-9-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.1.Курсовое проектирование

элементов принципиальной схемы помещают в приложении к пояснительной записке. Пояснительную записку выполняют на стандартных листах формата А4. Текст записки располагают на одной стороне листа и излагают в обезличенной форме. Все иллюстрации в пояснительной записке должны быть пронумерованы и подписаны. Графический материал, приводимый в записке, выполняют на листах формата А4. Иллюстрации должны располагаться в тех местах, к которым они непосредственно относятся.

Содержание пояснительной записки: оглавление; техническое задание;

анализ технического задания; сравнительный анализ вариантов построения усилителя, выбор числа

каскадов или усилительных секций, выбор типов ИС и транзисторов; расчет каскадов, высокочастотной коррекции и цепей межкаскадной

связи; заключение о соответствии параметров спроектированного усилителя

требованиям технического задания; список используемой литературы; перечень элементов.

При выполнении курсового проекта необходимо использовать рекомендации, приведенныев методических указаниях по курсовому проектированию.

3.2.Контрольнаяработа

Вкачестве контрольной работы студенты заочной формы обучения представляют полный электрический расчет выходного каскада согласно заданию на свой вариант курсового проекта. Перед тем как приступить к выполнению контрольной работы, студент должен выбрать исходные данные

ккурсовому проекту и произвести расчет структурной и функциональной схем.

Работа включает следующее:

выбор активного элемента, сопротивления нагрузки и напряжения источника питания;

определение рабочего режима и его стабильности; построение нагрузочных характеристик; определение параметров транзисторов в рабочей точке; проверка каскада по допустимой площади усиления;

расчет сопротивления эмиттерной обратной связи и нестабильности коэффициента усиления;

расчет корректирующей емкости; расчет амплитудно-частотных характеристик на высоких частотах;

расчет переходных и блокировочных конденсаторов; расчет амплитудно-частотных характеристик.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-10-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примерырасчета

3.3.1. Расчетширокополосногоусилителя

Рассчитать широкополосный усилитель с параметрами:

fвМ=5МГц;Мfн =20Гц; в =1,2, н =1,2;

K =1000;U В;= 0,5

0вых

Rндоп = 2кОм; Cндоп =20пФ;

Rг = Rист =100Ом;δ к =10%,

Tmin = −10С°; Tmax =50 С°.

Анализ исходных данных. Усилитель имеет умеренные коэффициенты усиления и верхнюю граничную частоту, что позволяет выполнить его на транзисторах среднего качества или гибридных интегральных схемах (ИС). Сопротивление и емкость нагрузки сравнимы по величине с типовыми значениями входных сопротивлений и емкости промежуточных каскадов. Это позволяет не выделять выходной каскад, полагая вносимые им искажения такими же, как и в промежуточных каскадах. Входное сопротивление усилителя не задано, сопротивление генератора мало, что позволяет выполнить входной каскад усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с высокочастотной коррекцией эмиттерной противосвязью. Искажения в этом каскаде также можно полагать равными искажениям в промежуточных каскадах. Умеренные требования по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной термостабилизации.

Суммируя сказанное, приходим к выводу, что усилитель с указанными в техническом задании параметрами можно выполнить на одиночных каскадах с ОЭ. По-видимому, для этой цели подойдут соответствующие ИС серий

К228 и К265.

Определение числа каскадов. Расчетный коэффициент усиления при Kвх =1 и Kз =1,7 составит:

Kр = K0 Kз =1000 1,7 =1700.

Kвх 1

Расчет требуемого числа каскадов выполним по формуле

Птр =

K1/ N f

в

≤ Пmax =

f

т

;

γк

Mв2 /эN

1+π 2 τ fт

−1

ос

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-11-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

причем Nэ = N,	так как каскады предполагаются одинаковыми. Рассчитаем
левую часть при разных N . При N = 2 коэффициент частотных искажений
на каскад Мвi ,	коэффициент усиления Ki , выигрыш по площади усиления

для простой параллельной коррекции γ'к и коррекции эмиттерной противосвязью γк (для глубины коррекции K1 = K / Kopt = 0,85) в соответствии [2, рис. 2.2, (4.1)] оказываются равными:

M	вi	=	M	в	=	1,2	=1,095γ;	'2;=
								к
γк =1+(γк'			−1) K ' =1+(2−1) 0,8=1,8;

KiР= K = 1700 = 41;

откуда

Птр =		1700		5 106		= 256 10	6	Гц.
	1,8		1,22 / 2 −1

При N =3

M	вi	=1,063; K	i	=γ11,9;2,15;'	=γ	1,92; =
				к		к

с учетом этого

3		1700		5 106			6
Птр =						=86,5 10		Гц.
			1,22 / 3 −1
1,8

Остановимся на варианте трехкаскадного усилителя (N = 3), хотя площадь усиления П = 256 МГц вполне достижима для многих современных

транзисторов и особенно усилительных секций, получение коэффициента усиления Ki = 41 нереально при одновременном выполнении требований для

стабильности коэффициента усиления.

Таким образом, каждый каскад должен удовлетворять следующим требованиям:

коэффициент усиления Ki = 31700 =11,9 ; нестабильность усиления δi ≤3,3%;

коэффициент частотных искажений на верхних частотах

Мвi = 31,2 =1,063 ;

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-12-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

коэффициент частотных искажений на низких частотах

Мнi = 31,2 =1,063.

Оценим верхнюю граничную частоту по уровню 0,707:

fвi =		fв				5 106					6
				=						= 7,22	10Гц .
	γк	Мв2i −1			1,92 1,0632
								−1

В дальнейших расчетах будем ориентироваться на ИС К265УВ5 (усилительный каскад по схеме с ОЭ) с транзистором 21331Б, обладающим площадью усиления 90 МГц.

Расчет выходного каскада. Максимальное сопротивление нагрузки в соответствии с [2, (6.2)] не должно превышать величины

Rнmax ≤	3 −5				3		3
				=		=3,3	10Ом.
	2πf	вi	C		2π 7,22 106 20 10−12
			ндоп

Эта величина превышает сопротивление внешней нагрузки, и коллекторное сопротивление можно выбирать произвольно. Поскольку коэффициент усиления и его стабильность растут с увеличением сопротивления Rк ,

выберем типовое значение для ИС К265УВ5:

Rк = 470 + 200 =Ом670.

Тогда величина сопротивления нагрузки окажется равной

R	=	Rк Rндоп	=	670 2000	=502Ом .
н		Rк + Rндоп	670 + 2000

Амплитуды напряжения на нагрузке и тока в ней равны:

Uа = 2 Uвых = 2В0,5 = 0,7076 ;

Iка = Uа = 0,707 =1,41 10А−3;

Rн 602

постоянная составляющая тока коллектора должна быть не менее

Iк ≥ (1,5 −2) Iка = (1,5 −2) 1,41А10. −3 = (2 −2,8) 10−3

Типовое значение тока ИС К265УВ5 определим из [2, (13.8)]:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-13-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Iк =	Eсм −Uбэ			=		6,3 0,6		=3,9 10А−.3
							6200
	R +	Rб			1380 +
		β+1					80+1
	э

Таким образом, по току выбранная ИС подходит для использования в усилительном каскаде.

Минимально допустимое напряжение источника питания Eк при допустимой нестабильности коллекторного тока (10 %) находят из [2, (6.8)]:

Eк ≥ (Iк + ∆Iк) Rк +Uа +Uост = (3,91В10, −3 +3,91 10−4 ) 670 +0,707 +1 = 4,59

следовательно, ИС может использоваться в типовом режиме Eк = 6,3В . Напряжение коллектор – эмиттер транзистора оказывается равным:

Uкэ = Eсм + Eк − Iк (Rк +ВR.э) = 4,6

Определение параметров транзисторов. По соотношениям [1, с. 65]

определим параметры транзистора в рабочем режиме:

	β =		βmax βmin				=		40 160		=80;
r		τ		500				10−12
	= ξ		ос		=1,5Ом	;		10−12		=160
б'б		С		к		4,7

rб'к = 2 rк = 2 300 10Ом3 ;= 0,6 106

∆r +

25,2 10−3

(β+1)

25,2

10−3

(80+

1)= 523

rб'э =

Iк

= 0+

Ом;

−3

3,91

10

C

=C

ϕ

+U

−12

0,82 +1

−12

эб

э

к

и

= 4,5 10

Ф;

=13,2

10

ϕк

−Uбэ

−0,6

0,82

fт =

2

fтспр

=

1+π2

fС

25,2

10

−3

Iи − Iк

тспр

эб

Iи Iк

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-14-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

2 2,5 108

6

;

=

= 499

10Гц

8

−13

−3

0,005 −0,0039

1+π2 2,5 10

13

10

25,2

10

0,005 0,039

β+1

80+1

−8

τб'э =

2πс;fт

=

= 2,58

10

2π 499 106

CбС'к = 0,5

к

3

Uи

= 0,5Ф.4,7 10−12 3

2

=1,78 10−12

Uкэ

4,6

Расчет термостабильности режима. Так как технические условия на ИС гарантируют их работоспособность во всем рабочем диапазоне температур, достаточно ограничиться расчетом температурной нестабильности транзистора с типовыми параметрами.

Вспомогательные величины равны:

∆β

= 0,004 (T 0

−20) = 0,004 (50

−20) = 0,12;

β

max

+

∆β

= 0,004

(T 0

−20) = 0,004 (−10 −20) = −0,12;

β

min

−

∆U

бэ+

= 0,0022 (T 0

−20) = 0,0022 (50 −20) = 0,066;

max

∆U

бэ−

= 0,0022 (T 0 −20) = 0,0022 (−10 −20) = −0,066;

min

∆Iк0+ =

I

к0

Tmax0 −20

5

10−7

50−20

−6

2

7

−1

=А.

2

7 −1

= −4,63 10

2

2

Rвх = rб'б + rб'э =160 +523 =Ом683

.

Теперь можно определить приращение коллекторного тока [2, (13.1)]:

	∆Iк+ = Iк	Rвх + Rб + Rэ		∆β			Rвх (Rб + Rэ) (β+1)	∆Iк0+ +
						+
		Rвх + Rб + Rэ (β+1)		β			Rвх + Rб + Rэ (β+1)

+		β∆Uбэ			= 0,0039	8263	0,12 +
	R	+ R	+ R	(β+1)		683+ 6200+1380 (80+1)
	вх	б	э

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-15-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

+	683 (6200 +1380) (80 +1)	4,63 10−6	+	А.	0,066 80			=102 10−6
	683 +6200 +1380 (80 +1)					(80	+1)
				683 +6200 +1380

Влияние температуры на режим работы транзистора невелико:

∆I = 2,6 %;	∆Uкэ = 4,6 %.
Iк	Uкэ

Поэтому при расчете нестабильности усиления достаточно учесть не-

посредственное влияние температуры на коэффициент передачи тока базы. Частотные свойства каскада. Определив предварительно сопротив-

ление эквивалентного генератора

R =	Rкпр Rбсв	=	670 6200	= 605Ом,
г	Rкпр + Rбсв		670 +6200

где Rкпр – коллекторное сопротивление предыдущего каскада,

Rбсв – сопротивление базового делителя рассчитываемого каскада, найдем площадь усиления каскада:

П =		Rн
	R	+ r
	г	б'б

rб'э

2 −0,5

fт

2π fт Rн

Cн 1+

1

+

Rг + rб'б

=

1

+π2

f

R

C

β (1 2π+

f

R

т

б'к

т

C)

н

н

б'к

502

499 106

=

605 +

6

1,78 10

−12

160 π1+4992 10

502

		2π 499 106 502 20 10					(1+			523		)		2	−0,5
									(605 +160)
																		6
1	+	Гц.			6					−12						=97,4	10
		80 (1π+ 2499 10
				502			1,78 10 )
Допустимое усиление каскада
		K	max	=		П	=	97,4		106	=13,5
						fвi		7,22		106

больше требуемого, поэтому в дальнейших расчетах используем Ki .

Требуемое входное сопротивление [2, (14.2)] и сопротивление обратной связи оказываются равными:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-16-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

		R		= β Rн = 80 502 =3375Ом,
		вхтр			Ki		11,9
R	=	Rвхтр	−rб'б		−rб'э	=	3375 −180 −523	=33,2Ом.
э			β+1				80

Нестабильность усиления находят из [2, (3.3)]:

R + r

+

rб'э

+ R

∆β

г

б'б

β+1

э

δк =

=

β

Rг + rб'б + rб'э + Rэ (β+1)

605 +160 +

523

+33,2

= 0,12	80 +1	= 0,024.
	605 +160 +523 +33,2 (80 +1)

На этом расчет выходного каскада можно считать законченным. Расчет промежуточного каскада. Режим транзистора, его параметры

те же, что и в выходном каскаде, поэтому их можно здесь не рассчитывать. Сопротивление генератора в данном каскаде, как и в выходном,

R =	Rкпр Rбсв	=	670 6200	= 605Ом;
г	Rкпр + Rбсв		670 +6200

откуда площадь усиления оказывается равной [2, (2.2)]

П =

fт Rн

=

(R

+πr

) (1+ 2 )f

т

R

C

г

б'б

н

б'к

499 106 605

6

=

=103,7

10Гц.

(605 +160) π(1+4992

10

605 1,78 10

)

−12

Допустимый коэффициент усиления

K

=

П

=

103,7 106

=14,3 > K

.

fвi

7,22 106

max

i

Сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления выходного каскада

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-17-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

R' =

1

=

1

=513Ом.

1

+ 1 +

1

1 +

1

+ 1

н

R

R

R

670

6200

3375

кпр

бсв

вхтр

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:

R

=

β R'

=

80 513

=

3450Ом;

н

вхтр

Ki

11,9

R

=

Rвхтр −rб'б −rб'э

=

3450 −160 −523

=34Ом.

э

β+1

80+1

Нестабильность коэффициента усиления промежуточного каскада

R + r

+

rб'э

+ R

523

∆β

г

б'б

β+1

э

605

+160 + 80 +1

+34

δк =

= 0,12

= 0,024.

Rг + rб'б

+ rб'э + Rэ

(β+1)

605

+160+523+34 (80+1)

β

Полученные выше значения площади усиления можно считать типовыми для ИС типа К265УВ1 в промежуточном каскаде при коллекторном сопротивлении 670 Ом.

Расчет входного каскада. Прежде всего рассчитаем сопротивление генератора для входного каскада:

R	=	Rист Rбсв	= 100 6200 =98Ом.
г		Rист + Rбсв	100 +6200

Значения площади усиления и максимально допустимого коэффициента усиления оказываются равными:

П =

fт Rн

=

(R

+πr

) (1+ 2 )f

т

R

C

г

б'б

н

б'к

499 106 605

6

=

= 267

10Гц;

(98 +60) π(1+4992

10

605 1,78 10

)

−12

K

max

=

П

i

=

267 106

=37,7.

7,22 106

fвi

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-18-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Необходимый коэффициент усиления каскада K1 с учетом потерь во входной цепи Kвх :

Kвх

=

Rб

=

6200

= 0,984;

Rб

6200 +100

+ Rг

K1

=

KР

=

1700

=12,2,

K3

вхK2

K

11,9 11,9

0,984

что при полном сопротивлении нагрузки каскада

Rн =				1				=				1				=514Ом
		1	+	1	+	1				1	+	1	+	1
		R		R		R				670		6200		3450
		к1		б2		вхтр2

дает:

R

= β Rн

= 80 514 =3370Ом;

вхтр

K

12,2

R

=

Rвхтр −rб'б −rб'э − Rг

=

3370 −160 −523 −98

=32Ом.

э

β+1

80+1

Нестабильность усиления:

∆β

R + r

+

rб'э

+ R

98 +160 +

523

+32

β+1

г б'б

э

80 +1

δк =

= 0,12

= 0,011.

Rг + rб'б + rб'э + Rэ

(β+1)

98+160+523+32 (80+1)

β

На этом эскизный расчет усилителя можно считать законченным. Остается лишь подсчитать общую нестабильность усиления и входное сопротивление усилителя:

δк = 2,4+ 2,4+1,1=5,9%;

R	=	Rвхтр1	Rб1	=	3370 6200	= 2183Ом.
вх		Rвхтр1	+ Rб1		3370 +6200

Расчет элементов высокочастотной коррекции. Значение эквива-

лентных постоянных времени каскадов:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-19-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

τэi = Ki ;

2πП i

τэ1 = 2πс12,2;267 106 = 7,27 10−9

τ	э2	=	с;11,9	106	=1,83	10−8
			2π 103,7

τэ3 = 2πс.92,411,9 106 =1,91 10−8

Постоянные времени корректирующих звеньев в первых двух каскадах равны эквивалентным, а для выходного

(Rτ+Сr β) ( + ) R

τ0 = Rг + rб'б + rб'э + Rэ (β+1)б'к =

=(605 +160) (2,58 10−8 +80 502 1,78 10−12 ) =1,87 10с−.8 605 +160 +523 +33,2 (80 +1)б'э нг б'б

Значения корректирующих емкостей:

τ0эi

τ i

2

Сэi = Ki

1+

−

1

;

Rэi

τ0i

7,27

10−9

2 −1)=80

Сэ1 = 0,85

пФ32 .

(

1,83 10−8

2 −1)=195

Сэ2 = 0,85

34пФ (

.

Сэ3 = 0,85

1,83

10−8

1+

1,91 10−8

= 204

.

пФ

−8

−1

32

1,87 10

Расчет элементов, определяющих характеристику в области низких частот. Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах выбраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-20-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

низких частот [2, (16.4)]:

τнi = 2πс. fнi 1Mн2i −1 = 2π 20 11,632 −1 = 0,022

Для выходного каскада, задаваясь α = 0,5 и учитывая, что

τδн= τ i 1+ α12 =с;0,022 1+ 0,51 2 = 0,0494

τэδ= 0,5 τ = 0,5 0,0494с; = 0,0247

Rэнр = Rк + Rндоп = 670 + 2000 = 2670Ом;

1

Rкпр Rбсв

R

= R

+

r

б'э

+ r

+

=

R

+ R

энδэ

β+1б'б

кпр

бсв

1

670 6200

=33,2 +

Ом160, +

523 +

= 49

80 +1

670 +6200

найдем значения разделительной на выходе и эммитерной блокировочной емкостей:

Ср = τδ = 0,0494 =18,5мкФ;

Rэнр 2670

Сэ0 = τэ = 0,0247 =500мкФ.

Rэнδ 49

В промежуточном каскаде при том же значении α = 0,5 получим для разделительного межкаскадного конденсатора на выходе каскада:

	Rэнр = Rксв +	Rбсл Rвхтр.сл		6200 3375
			= 670	+ Ом;	= 2855
		Rбсл + Rвхтр.сл
				6200 +3375

Ср = 0,04942855 =17,3мкФ.

Для блокировочного конденсатора в эмиттере

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-21-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

	Rэнδ =34		1				670 6200
		+			Ом160;	+523 +			=50
			80 +1				670 +6200

Cэ0 = 0,024750 = 494мкФ.

Во входном каскаде следует учесть три конденсатора: два разделительных на входе и выходе и конденсатор в цепи эмиттерной термостабилизации.

Задаваясь значениями α = 0,5 и αвх =1, найдем:

τ

= τ

нi

1+

1

+с

;1

= 0,0494 1+1+

1

= 0,121

р

αвх2

0,52

α2э

τвх = τр с=;0,121

τэ = α τр = 0,5 0,121с; = 0,061

эквивалентные сопротивления:

Rэнр.вых

= 670 +

6200

3450

= 2887

Ом;

6200 +3450

R

= R

R R

6200 3370

+

б

вх

=100 +

Ом;

= 2283

энр.вх

г

Rб + Rвх

6200 +3370

Rэнδ =32 +

1

100 6200

160Ом+.523 +

= 41,6

80 +1

100 +6200

Значения емкостей оказываются равными:

Cрвых = 0,1212887 = 41мкФ;

Cрвх = 0,1212883 =53мкФ;

Cэ0 = 0,06141,6 =1470мкФ .

Далее рассчитывают индивидуальные частотные характеристики каскадов и частотные характеристики усилителя в целом.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-22-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

3.3.2.РасчетусилительнойсекцииОЭ– КП

Необходимо оценить усилительные свойства секции общий эмиттер – коллекторный повторитель (ОЭ – КП), выполненной на ИС К265УВ7, при работе в промежуточном каскаде (Rг =С16Ом; Rндоп =780Ом; ндоп =20пФ ).

Расчет режима транзисторов. В соответствии с рекомендациями РТМ между выводами 11 и 13 ИС включим дополнительный резистор Rдоп =160Ом, уменьшающий эмиттерное сопротивление первого транзисто-

ра до величины

	R	=	R3 доп(R5	+ R )	=	510 (30 +160)		=138Ом.
			R + R	+ R		510 +30	+160
	э0
			3 доп 5

Рассчитаем коллекторные токи. Напряжение в узле после сопротивления R6

E =

Eк

=

12,6

=11,5В.

R

R

100

100

1

+

6

+

6

1+

+

R

+ R

2

R + R

10000 +1200

590 +510

1

7

8

Значения токов коллектора транзисторов микросхемы:

1

R

1

1200

−3

Iк1

=

E

2

−Uбэ

=

11,5

А,

−0,6

= 4,6

10

138

10000 +

Rэ0

R1 + R2

1200

Iк2 =

E −Uбэ − Iк1 (R4

+ R3 )

11,5 −0,6 −0,0046

(680 +510)

−3

=

=5,1 10А.

R7

+ R8

590 +510

Потенциалы в коллекторных и эмиттерных узлах:

Uэ1 = Iк1 Rэ0 = 0,0046 138 = 0,63В;

Uэ2 = Iк2 R8 = 0,0051 510 =В2,6;

Uк2 = E − R7 (Iк1 + Iк2 )=11,5 −590 (0,0046 +0,0051В;)= 6,07

Uк1 =Uк2 − Iк1 R4 = 6,07 −0,0046 680В= 2,9 .

Для падений напряжений на транзисторах получим:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-23-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Uкэ1 =Uк1 −Uэ1 = 2,9 −0,63 =В2,33 ;

Uкэ2 =Uк2 −Uэ1 = 6,07 −2,6 =В3,47.

Определение параметров транзисторов. Типовые параметры транзи-

сторов в рабочем режиме могут быть определены по формулам пересчета справочных параметров транзистора к рабочему режиму [1]. Имея в виду Iк1 ≈ Iк2 ≈ Iкизм, пересчет fт можно упростить:

β =

βmin βmax

=

40 160

=80;

r

= ξ

τ

ос

=1,5Ом;

500 10−12

=160

4,7 10−12

б'б

C

к

∆r +

0,0252

(β+1)=

0,0252

rб'э =

Iк

0

+Ом;

(80+1)= 444

0,0046

r

= 2r = 2 300 103Ом= 600; 103

б'э

fт

= 2 fтспр = 2 2,5Гц;108 =5 108

τб'э = 2πсβ;fт = 2π 805 108 = 2,55 10−8

Cб'к1 =

C

U

изм

4,7 10−12

2

−12

к

3

=

3

= 2,23

10Ф;

Uкэ1

2

2,33

2

C

4,7 10−12

Cб'к2 =

U

2

−12

к

изм

=

3

=1,91

10Ф.

2

3,74

2

Uкэ2

Поскольку вывода непосредственно от эмиттера первого транзистора данная ИС не имеет, местную частотно-независимую обратную связь следует учесть пересчетом:

				R R			30 510
r		= r	+	3	5	(β+1)= 444+	Ом.	(80+1)= 2740
б'э1		б'э		R3	+ R5		30 +510

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-24-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Основные показатели каскада. Входное сопротивление первого и второго транзисторов определяют из выражений:

Rвхт1 = rб'б + rб'э =160 + 2740 = 2900Ом;

Rвхт2 = rб'б + rб'э =160 + 444 =Ом604.

Сопротивление нагрузки второго транзистора

Rн2		1			1	−1		1		1		−1
	=		+				=		+			=336Ом.
								590		780
	R7ндопR

Выходное сопротивление секции [2, (11.10)]

1

R

1

604

Rвых =

R4

1+

вхт2

+ RОмвхт2.

=

680

1

+

+600

=16

β

80

∞

Rк1

Для коэффициента усиления при работе без дополнительной обратной

связи

K = β R4 = 80 680 =18,8.

Rвхт1 2900

Постоянные времени каждого из транзисторов равны:

τ =

Rг + rб'б

τ

+ β1

R C

1+

R4

=

1б'б

вхт2

б'к1

β2

Rг + Rвхт1

Rк1

16 +160

−8

80

−12

680

−9

=

2,55 10

+

604 2,23с; 10

1+

=1,6

10

16 +

2900

80

∞

=(τ

+β R C

)

R4н

C

R

вхт2 R

R

τ

+

4

1+

+

=

2б'э2

н

б'к2

β Rн

Rк1

вхт2

β2

= (2,55

−8

−12

) с,

680

20 10−12

604

−9

10

+80 680 1,91 10

+

80

680 1+

∞

+604

= 2

10

80 680

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-25-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

аэквивалентная постоянная времени секции и соответствующая ей верхняя граничная частота:

					(1,6с;10−9 )2 +(2,0 10−9 )2					= 2,5 10−9
τв = τ12 + τ22				=
	f		=	1		=	1		= 63,7МГц.
		в					2π 2,5	10−9
				2π τв

Таким образом, площадь усиления

П = K fв =18,8 63,7 106 =1200МГц.

Входное сопротивление секции

		1		1			1	−1		1		1			1		−1
	Rвхсекции =		+			+			=		+			+				= 780Ом.
		Rвхт1		R1			R2			2900		10000			1200

Нужно заметить, что в рассматриваемом варианте секция используется без высокочастотной коррекции, поэтому площадь усиления должна быть в γк раз больше, чем [2, (4.1)].

Если в первом транзисторе используется коррекция, то следует записать:

K =	β1св+R					,
	R	+β R
	вхт1	1		ос
		Rос
	1β+			1
fв =		Rвхт1			.
	2π τв

3.3.3. РасчетусилительнойсекцииОЭ– ОБ

Необходимо оценить усилительные свойства ИС К265УВ6 при работе в качестве промежуточного каскада многокаскадного усилителя.

Расчет режима и параметров транзисторов. Ориентируясь на типо-

вой режим	интегральной схемы с напряжением питания Eк = +6,3В;
Eсм = −6,3В,	на сопротивление термостабилизации в эмиттерной цепи
	Rэ0 = R2 + R4 + R5 = 620 +100 +84Ом=804

и сопротивление коллекторной цепи

Rк = R6 + R7 = 470 + 200 =Ом670,

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-26-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

определим коллекторные токи транзисторов. Эквивалентные параметры цепи смещения:

E = E

R

6200

1

=

6,3

В;

= 4,25

б см R + R

6200

+3000

1

3

R =

R1 R3

= 6200 3000 = 2000Ом;

б

R1

+ R3

6200 +3000

откуда для тока получим:

Iк1 = Iк2

=

Eб −Uбэ

=

4,25 −0,6

= 4,4 10А−.3

2000

R

+

Rб

804 +

β +1

169+

1

э0

Напряжение коллектор – эмиттер обоих транзисторов определяют из соотношений:

Uкэ1 = Eсм −Uбэ − Iк1 Rэ0 = 6,3 −0,6 −0,0044 804В; = 2,2

Uкэ2 = Eк +Uбэ − Iк2 Rк = 6,3 +0,6 −0,0044 670В. = 4,0

Теперь по соотношениям [1, с. 65] можно оценить параметры каждого из транзисторов:

β = βmin βmax = 40 120 = 69;

r

= ξ

τ

ос

=Ом1,5;

120 10−12

=36

5 10−12

б'б

C

к

∆r +

0,0252

0,0252

(69+1)= 401

rб'э =

Iк

(

β+1)=

0+Ом;

0,0044

r

= 2r = 2 300 103Ом= 600; 103

б'э

C

эб

=C

э

ϕк +Uи

=12 10−12 Ф

;0,82 +1

=35 10−12

ϕк −Uбэ

0,82 −0,6

fт =

2 fтспр

6

= 482 10МГц;

1+π2

fС

25,2 10

−3

Iи − Iк

тспр

эб

Iи Iк

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-27-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

β

69

−8

τб'э =

2πс;fт

=

= 2,28 10

2π 4,8

108

C

5 10−12

Cб'к1

U

изм

5

−12

=

к

3

=

3

=3,4

10Ф;

Uкэ1

2

2,2

2

C

5

10−12

C

U

изм

5

−12

=

к

=

3

= 2,7

10Ф.

б'к2

2

Uкэ2

2

4

При работе рассматриваемой ИС между двумя аналогичными микросхемами сопротивления генератора и нагрузки окажутся равными:

R = R =	Rк Rб	=	670 6200	=502Ом.
г н	Rк + Rб	670 +6200

Емкость нагрузки с учетом емкости монтажа Cм = 2,5пФ

C =C	+C = 2,7 10−12	+ 2,5 10Ф−.12	=5,2 10−12
0б'к2	м

С учетом этого для площади усиления секции получим:

Rн fт

2π fт C0 Rн

1+

rб'э

2

−0,5

П =

1+

=

Rг + rб'б

β

Rг + rб'б

8

8

−12

2 −0,5

502 4,82 10π 4,82

10 502

102 5,2

401

=

1+

1+

=

502 +36

69

502

+36

6

= 401 10Гц.

Площадь усиления секции оказалась весьма большой, она незначительно отличается от граничной частоты транзистора fт и практически в четыре

раза превышает площадь усиления одиночного каскада с ОЭ.

Для оценки максимально достижимого коэффициента усиления найдем сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления следующего каскада:

R

'

1

1

1

−1

1

1

1

−1

=

+

+

=

+

+

= 234Ом.

н

Rбсл

680

2000

36

Rксв

rб'б + rб'э

+ 401

Тогда

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-28-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Kmax =	β R'		69 234		=37.
	н	=
			36	+ 401
	r б'б +rб'э

Реально ИС рекомендуется использовать при коэффициентах усиления в 2–3 раза меньших максимально возможного. Это связано со следующими обстоятельствами.

Нестабильность усиления без обратной связи довольно велика:

				R + r		+	rб'э
	δк		=	г	б'б		β+1		=
				R + r		+ r
	δ	βг
				б'б	б'э

	502 +36 +	401
		69 +1		= 0,58,
	502+36+ 401

и введение обратной связи необходимо для ее уменьшения.

Немаловажно и другое. При коэффициентах усиления, близких к максимальному, выигрыш, даваемый схемой коррекции, очень мал (коэффици-

ент γк	в [2, (4.1)] близок к единице). Введение обратной связи с глубиной
1β+ K(2	≥3) − позволяет полностью реализовать преимущества, свойствен-

ные корректированным схемам.

Суммируя вышесказанное, отметим, что секция ОЭ – ОБ имеет коэффициент усиления, близкий к коэффициенту усиления одиночного каскада с ОЭ, вместе с тем площадь усиления существенно возрастает. Поэтому преимущественная область использования секции ОЭ – ОБ – усилители с высокой верхней граничной частотой, особенно в тех случаях, когда из-за жестких требованиям к габаритам усилителя применение секции ОЭ – КП (например, ИС К265УВ7) нецелесообразно.

3.3.4. Расчетвыходногокаскадаприработенасогласованнуюнагрузку

Требуется рассчитать маломощный выходной каскад широкополосного усилителя, работающий на согласованную нагрузку и имеющий параметры:

fМ= 20МГц;f	в	=1,05;М	н	=20Гц;		н	=1,03;
в
U С= 0,5В;ρR 50Ом=; =				0;	ндоп	=
вых	ндоп
Rг = 670Ом;δ к =5%; Tmin				=0	°C; Tmax =5 0C° .

Анализ исходных данных. При выходной мощности порядка единиц милливатт к каскаду предъявляются жесткие требования как по высокой, так и по низкой частоте:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-29-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

fвi =

fв

20 106

6

=

=32,6

10Гц,

γк

Mв2 −1

1,92

1,05

−1

где γ'к = 2,15; γк =1,92.

Расчеты показывают, что от одиночного каскада с ОЭ получить усиление больше единицы нельзя, и следует использовать усилительные секции.

Хорошим свойством обладают секции ОЭ – КП и ОЭ – ОБ с эмиттерным повторителем на выходе. Целесообразно выбрать секцию ОЭ – ОБ, обладающую меньшим числом крупногабаритных конденсаторов. Поэтому

вдальнейшем будем ориентироваться на ИС К265УВ6, рассмотренную в предыдущем параграфе.

Расчет электрических показателей. Ориентируясь на применение

вповторителе транзистора К1325В для согласующего сопротивления на выходе повторителя, можно записать:

	Rдоп =ρ−	Rг + rб'б + rб'э			Rг			670
			Ом,	≈ρ−			=50−			= 47,3
		β3			β3 +1			252	+1
			+1

откуда полное сопротивление нагрузки R

и напряжение на ней U

равны:

н

вых

Rн = Rдоп +ρ = 47,3+50Ом=97,3;

U

=U

R

97,3

вых

вых

н

= 0,5

В.=

0,97

ρ

50

Амплитудное значение

Iка

и постоянная составляющая Iк коллектор-

ного тока следующие:

Iка =

U

0,97

−2

вых

=

=10А;

Rн

97,3

Iк =(1,5 −2) Iка =А2. 10−2 = 0,02

Величина эмиттерного сопротивления

R =	Eк + Eсм − Iк2 Rк −Uбэ	= 6,3 +6,3 −0,0044 670 −0,6	= 452Ом
э	Iк	0,02

(номинал равен 470 Ом).

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-30-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Введение эмиттерного сопротивления уменьшает сопротивление нагрузки до величины

R =	Rэо Rн	=	470 97,3	=80,4Ом.
н	Rэо + Rн	470 +97,3

Одновременно возрастает амплитуда коллекторного тока:

	I	ка	=	Uвых	=	0,97	=12,1 10А−2	<		Iк	.
				R		80,4			1,5
				н

Падение напряжения на транзисторе повторителя:

Uкэ3 = Eк + Eсм − Iк Rэо = 6,3 +6,3 −0,02 470В. =3,2

Для предельных параметров транзистора:

E

12,6

Uкдоп ≥

=

=14В,

0,9

0,9

I

+ I

0,02 +0,012

к

ка

Iкдоп

≥

=

= 0,04А,

0,8

0,8

U

I

3,2 0,02

P

кэ

к

−3

≥

=

=80

10Вт.

кдоп

0,8

0,8

Указанным требованиям удовлетворяет транзистор типа К1325В, имеющий в рабочей точке параметры:

β3 = 160 400 = 252;

r	= 2	125 10−12	=100
		Ом;
б'б3		2,5 10−12

rб'э3 = 0,02520,02 (252 +1)=Ом320;

rб'к3 = 2 200 103 = 400Ом;103

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-31-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

		Cэб2	= 2,5 10−12 Ф;1+0,82					= 7,2 10−12
						0,82 −0,6
fт3					2 109					6
	=								= 2120	10Гц;
			9		−12		0,01−0,02
	1+π210		7,2	10	0,0252		0,01 0,02

τб'э3 = 2πс;2,12252 109 =1,89 10−8

Cб'к3 = 0,5 2,5		−12	3	5				−12
	10		Ф.		=1,41		10
				3,5

Значение параметров транзисторов К1331Б, входящих в состав ИС К265УВ6, возьмем из предыдущего примера:

β1 =β2 = 69;

rб'б1 = rб'б2 =36Ом;

rб'э1 = rб'э2 = 401Ом;

rб'к1 = rб'к2 = 600 10Ом3 ;

fт1 = fт2 = 482 10Гц6 ; τб'э1 = τб'э2с;= 2,28 10−8

Сб'к1 =3,4 10Ф−;12 Cб'к2 = 2,7 10Ф−.12

Теперь нужно уточнить значения сопротивлений, найденные ранее приближенно:

выходное сопротивление эмиттерного повторителя

1β

1 3 +

−1

252 1

+

−1

Rвых =

1

= 4,31Ом;

+

=

+

470

670 +100

+320

Rэо

Rк + rб'б + rб'э

величина согласующего сопротивления

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-32-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Rдоп =ρ− Rвых =50Ом−4,31;= 45,7

сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя

R

=

Rэо (ρ+ Rдоп )

=

470

(50 + 45,7)

=

79,5Ом.

н

Rэо +ρ+ Rдоп

470+50+ 45,7

Граничная частота эмиттерного повторителя [2, (10.7)]

f

вэп

=

fт

Rк + rб'б3 + rб'э3 + Rн (β+1)

=

β

R

+ r

+ r

+ R

к

б'б3

б'э3

н

2,12 109

670 +100 +320 +79,5 (252 +1)

6

=

252

670 +100 +320 +79,5

=

213 10Гц,

коэффициент усиления каскада в схеме с ОЭ

'

=

β R

=

252 79,5

=18,4.

K0

н

Rк + rб'б3

+ rб'э3

670 +100 +320

Площадь усиления секции ОЭ – ОБ [2, (11.7)]

Rк fт

+

2π fт C0

Rк

1+

rб'э1

2

−0,5

П =

1

=

Rг + rб'б1

β

Rг + rб'б1

8

8

−12

2 −0,5

670 4,82 10π 4,82

6,6

10

670

102

401

=

1

+

1+

=

502

+100

69

502 +100

6

=571 10Гц,

где

С =C	+C	+C = 2,7 10−12	+1,4 10−12 +Ф2,5. 10−12	= 6,6 10−12
0б'к2	б'к3	м

Считая секцию и эмиттерный повторитель взаимокорректированными каскадами, найдем эквивалентную площадь усиления [2, (10.11)]:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-33-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

П

=

П

=

571 106

= 498

10

6

Гц,

э

1+

П

1+

571 106

K

'

6

f

18,4 213

10

0вэп

откуда максимально возможный коэффициент усиления

K		≤	Пэ =	498 106	=15,3.
	max		fвi	32,6 106

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя без учета сопротивления генератора

Kэп =	1					=			1		= 0,979.
	1+ rб'б3			+ rб'э3			1+		100 +320
		β		R					252	79,5
			3н

Сопротивление нагрузки секции с учетом эмиттерного повторителя

R	'	=	R β			R	=	670 252	79,5	= 648Ом.
			к	3		н
			R					670+ 252	+79,5
н				+β	R
			К		3н

Требуемое входное сопротивление секции ОЭ – ОБ

R = β1н R' = 69 648 =2920Ом,

вхтр Kmax 15,3

что соответствует сопротивлению обратной связи

R	=	Rвхтр −rб'б1	+ rб'э1	=	2920 −401−36	=35,5Ом.
э		β1 +1			69+1

Температурные нестабильности усиления. Для эмиттерного повто-

рителя имеем:

			670 +100 +	320	+79,5
	δкэп = 0,12			252			= 0,005,
		670	+100 +320 +79,5 (252			+1)

а для усилительной секции

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-34-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

		502 +36 +	401	+35,5
	δксекции =0,12		69 +1		=0,02,
		502 +36 +401+35,5 (69 +1)

так что общая нестабильность коэффициента усиления

δк = δксекции +δкэп = 0,02+0,005= 0,025.

С учетом согласования выхода повторителя и нагрузки общий коэффициент усиления каскада окажется равным

Kобщ = Kmax Kэп ρ+ρRдоп =15,3 0,979 50+5045,7 = 7,83,

а его входное сопротивление

R	=	Rвхтр Rб	=	2920 2000	≈1187Ом.
вхобщ		Rвхтр + Rб		2920 + 2000

3.3.5. Расчетмощноговыходногокаскадаимпульсногоусилителя приработенасогласованнуюнагрузку

Требуется рассчитать выходной каскад импульсного усилителя, работающего на согласованную нагрузку и обладающего повышенной мощностью. В качестве предоконечного каскада предполагается использовать усилительную секцию ОЭ – КП (ИС К265УВ7).

Параметры каскада:

Время установления tу , нс	10
Выброс δи , не более %	1
Длительность импульса Tи , мс	1
Спад вершины ∆, не более %	5
Выходное напряжение Uвых , В	5
Сопротивление нагрузки Rн , Ом	50
Сопротивление генератора Rг , Ом	16
Нестабильность усиления δк , не более %	5
Полярность выходного сигнала	отрицательная

Анализ исходных данных. Усилитель имеет умеренную верхнюю граничную частоту при повышенной выходной мощности:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-35-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

fвi =	0,35		0,35			6
	γк tу	=			= 23,3	10Гц.
				1,5 10−3

Требования к искажениям в области больших времен – нежесткие. Низкое выходное сопротивление генератора позволяет надеяться на возможность применения одиночного каскада ОЭ, выполненного на среднемощном транзисторе. Связь с предоконечным каскадом целесообразно выполнить гальваническую, так как при этом устраняется разделительная емкость, повышается входное сопротивление оконечного каскада, улучшается температурная стабильность (RбОм= R)г. =16

Расчет энергетических характеристик. Для согласования с кабелем коллекторное сопротивление берем равным волновому сопротивлению:

Rк =ρ =50Ом,

откуда

R =	Rк ρ	=	50 50	= 25Ом.
н	Rк +ρ	50+50

Приращения токов и напряжений при прохождении положительной и отрицательной половин импульса окажутся следующие:

Uк+ = UQвых = 55 =1В;

		1			1
Uк− =Uвых 1	−	В;=5	1	−	5		= 4
		Q

∆Iк+ = Uк− = 4 = 0,16А;

Rн 25

∆Iк− = Uк+ = 1 = 0,04А.

Rн 25

Из условия [2, (6.12)]

I0к+ ∆I + = δ =5

I0к−∆I −

ток в точке покоя

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-36-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

I0 = Iк+ δ+−δ1Iк− = 0,165+−510,04 = 0,09А.

Так как для напряжения на эмиттере транзистора оконечного каскада при гальванической связи

Uэ =Uкпр −Uбэсв = 6,07 −0,7 =В5,37

для напряжения питания запишем:

Eк ≥(I0 + ∆I0 ) Rк + ∆Uк +Uэ +Uост =(0,09 +0,03) 50 + 4 +5,37В + 2 =17,37

напряжение коллектор – эмиттер

Uкэ = Eк − I0 Rк −Uэ =18 −0,09 50 −5,37В.=8,13

Поскольку выходное напряжение несимметрично, расчет транзисторов будем вести для точки:

Iкр = I0 +	∆I	к+		−∆I	к−			0,16	−	0,04
						= 0,09		+ А;			= 0,15
				2					2
Uкр =Uкэ +			∆Uк+ −∆Uк−				=8,13 +		1−В4. = 6,63
					2					2

Для выбора транзисторов воспользуемся системой неравенств [2, (6.9)]:

I

+ ∆I

+

0,09 +0,16

Iкдоп

≥

0к

=

= 0,31А,

0,8

0,8

Eк

= 18 = 23В,

U

кдоп

≥

0,8 0,8

I0кэU

= 0,09 8,13 = 0,92Вт.

P

≥

кдоп

0,8

0,8

Выбрав для выходного каскада транзистор типа К1610А, для параметров в рабочей точке получим:

β = 50 300 =122;

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-37-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

r			75 10−12
	= 2		Ом;		= 43
б'б			3,5 10	−12

	0,2 +	0,0252
rб'э =		Ом; (122 +1)= 45
		0,15
	r	= 2 5 104Ом=10; 5
	б'к

fт = 2 109 =Гц2 ;109

τб'э = 2сπ;1222 109 =9,7 10−9

	Сб'к =	3,5 10−12			10			−12
			3			= 2		10Ф.
		2			6,63

Теперь можно оценить площадь усиления каскада [2, (2.2)]:

	П =			Rн f т						=
		(R + r		)(1+π2 f	т	C	R		)
		г	б'б			б'к		н
		25 109									6
=								=520			10Гц
	(16 + 43)π 21+102		2 109 25		−12		)
	(

и максимальный коэффициент его усиления

	K	max	≤	П	=	520	106		= 22,3.
				fвi		22,3		106

Минимальное сопротивление в эмиттере, обеспечивающее заданную стабильность,

R + r

+

rб'э

1−

δк

−r

δк

(β+1)

г б'б

δ

β

б'э

δ

β

Rэ ≥

=

δк (β+1)−1

δβ

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-38-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

		45					0,03				0,03
	16 + 43 +				1	−	0,12		−45		0,12
=		(121+1)										=1,6Ом.
		0,03	(122 +1)−1
		0,12

Таким образом, входное сопротивление каскада

Rвхос = rб'б + rб'э + Rэ (β+1)= 43+ 45+1,6Ом(122,+1)= 247

что дает значение коэффициента усиления

Kвых = βR Rн =122 25 =13,3.

вхос 247

Расчет термостабильности каскада. Значение термостабилизирую-

щего сопротивления в эмиттере определим по формуле

R =	Uэ	= 5,37	=59,6Ом (номинал −62Ом).
эо	Iо	0,09

Вспомогательные величины следующие:

∆ββ = 0,004 (50 −20)= 0,12;

∆I	ко	= 5 10−4			2	50−7	20	−1А;=3,1	10−3
		3

∆Uбэ = 2,2 10−3 (50 −30)= 0,044;

Rвх = 43 + 45Ом=88.

Таким образом, для приращения коллекторного тока транзистора за счет собственной нестабильности получим:

∆Iк = 0,09 (16 +88 +62) 0,12 + 88 +(22 (+1) (16)+62) 3,1 10−3 +0,044 = 88 +16 +62 122 +1

=5,8 10А−,3

что является вполне допустимым.

Второй источник нестабильности выходного каскада – нестабильность

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-39-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

усиления первых каскадов при гальванической связи, можно не учитывать, поскольку коэффициент усиления выходного каскада на постоянном токе меньше единицы:

	K= =	β Rк	=	122 50		= 0,79.
		rб'б + rб'э + Rэо (β+1)		43+ 45+62 (122	+1)

Требования к предоконечному каскаду. Величины выходного тока и напряжения предоконечного каскада для обеспечения нормальной работы оконечного каскада должны иметь следующие значения:

Uвыхпр =

Uвых

=

5

= 0,38В;

Kвых

13,3

Uвыхпр

Uвыхпр

0,38

0,38

−3

IА

=

+

I

=

+

=

2,18

10

< (1,5 −2,0)

кпр

,

капр

Rкпр

Rвхос

590

247

что для ИС К265УВ7 вполне допустимо.

3.3.6. Расчетвыходногокаскадасвысокимвходнымсопротивлением

Требуется рассчитать выходной каскад усилителя с высоким входным сопротивлением. Параметры каскада:

Rвх ≥ 200кОм; Rг =500Ом; Rндоп =1кОм; Cндоп =20пФ; Uвх =10мВ;

tу =5нс;δ <1%;мсT;u =2δ5%;2%;∆ <С;

к40=20 С.Tmax = ° Tmin = − °

Анализ исходных данных. Обеспечить заданные требования к входному сопротивлению с помощью одиночного эмиттерного повторителя нельзя. Действительно, максимальная величина входного сопротивления не может повысить значения

Rвхmax <(β+1) Rндоп =Ом(80.+1) 103 =81 103

Влияние базового делителя, эмиттерного сопротивления, повышенной частоты снизит это значение в 3–5 раз.

Использование на входе истокового повторителя позволяет получить заданное значение входного сопротивления, однако частотно-временные характеристики повторителя неудовлетворительны.

Сказанное выше делает целесообразным последовательное включение сначала истокового, а затем эмиттерного повторителей. Первый из них обеспечивает получение заданного входного сопротивления, а второй снижает

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-40-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

емкость нагрузки истокового повторителя, тем самым обеспечивает получение заданных временных свойств.

Для эмиттерного повторителя выберем ИС К265УВ1, истоковый повторитель выполним на полевом транзисторе КП305Ж. Связь между повторителями целесообразно взять гальваническую.

Режим работы, параметры транзисторов, термостабильность. В ти-

повом режиме ( Iс =5мА ) параметры транзистора КП305Ж определяются следующими соотношениями и равны:

1

I

' α

0,006

1,5

+

1

+

I

0,005

10−3 А

S =

S

min

S

max

с

=

0,0052 0,0105

= 7,38

;

' α

0,006

1,5

I

1

В

1

+

+

0,005

I

с

Ri =1,6 Riспр =1,6 50Ом10; 3 =80 103

Cзи = 0,63 Cзиспр = 0,63пФ5; 10−12 =3,15

Cзс = 0,63 Cзсспр = 0,63пФ0,8. 10−12 = 0,5

Общее сопротивление в истоке

R =	E			6,3		3
	см	=			=1,25	10Ом
			5	10−3
и	Iс

разобьем на два одинаковых (по 620 Ом), одно из которых используем для введения в исток компенсации.

Интегральная схема К265УВ1 включается в типовом режиме по току, поэтому ее параметры соответствуют следующим:

β = βmax βmin = 40 160 =80;

r		τ		500			10−12
	= ξ		ос		=1,5Ом	;	10−12	=160
б'б		С		к		4,7

rб'к = 2 rк = 2 300 10Ом3 ;= 0,6 106

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-41-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

rб'э

∆r +

25,2 10−3

(β+1)

0+

25,2

10−3

(80+

1)= 523

;

=

Iк

=

Ом

10

−3

3,91

C

эб

=C

э

φк +Uи

= 4,5 10−12

Ф0,82+1

=13,2

10−12

;

φк −Uбэ

0,82−0,6

fт =

2 fтспр

=

1+π2

fС

25,2

10

−3

Iи − Iк

тспр

эб

Iи Iк

2 2,5 108

6

;

=

= 499 10Гц

8

−13

−3

0,005 −0,0039

1+π2 2,5

10

13

10

25,2

10

0,005 0,039

β+1

80+1

−8

τб'э =

2πс.fт

=

= 2,58

10

2π 499 106

Исключение составляет емкость Сб'к , значение которой при напряжении коллектор – эмиттер Uкэ ≈ Eк определяется выражением

	Сб'к = 0,5 Cк 3	Uкизм	пФ= 0,5.	4,7 10−12 3		2		=1,6
						6,3
		Eк

Расчет термостабильности режима производить не будем. Для истокового повторителя нестабильность чрезвычайно мала и определяется лишь технологическим разбросом.

Расчет усилительных и временных свойств. Полное сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя

Rнэп =				1				=				1					=300Ом.
		1	+	1	+	1				1	+	1	+		1
		R		R		R			1384			620		1000
		эо		и1		ндоп

Следовательно,

Rвхэп = rб'б + rб'э +(β+1) Rнэп =160+523кОм(,80+1) 300= 25

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-42-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

Kэп =		1		=			1			= 0,973.
		rб'б + rб'э					160	+523
1+					1+
		(β+1) R					(80+1) 300
		нэп

С учетом введенной компенсации сопротивление нагрузки истокового повторителя

Rнип =			1					=			1			=12кОм,
		1		1						1		1	−0,937
			+			− Kэп					+
		R				R				25 103			620
		вхэп				и1

откуда для коэффициента усиления получим:

Kип =	S R				0,0074 12 103
	нип	=						= 0,989.
	1+ S R		1		+0,0074	12	8
							10
	нип

Выходное сопротивление повторителя

Rвыхип = S1 = 0,00741 =135Ом,

а его выходная емкость

Свхип =Сзс +Сзи (1− Kип )= 0,5 10−12 +3,15пФ10.−12 (1−0,989)= 0,534

Величину сопротивления утечки в затворе выберем исходя из требований получения заданного входного сопротивления:

Rзат ≥ Rвхтр = 240кОм .

Площадь усиления эмиттерного повторителя

Rвыхип + rб'б + rб'э + Rнэп (β+1) =

βRвыхип + rб'б + rб'э + Rнэп

=499 106 135 +160 +523 +300 (80 +1) =140мГц; 80 135 +160 +523 +300Пэп = fвэп = fт

откуда для времени установления эмиттерного повторителя получим:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-43-

3.МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ

3.3.Примеры расчета

t		=	2,2	=	2,2		= 2,5нс.
	уэп				2π 140	106
			2π fвэп

Постоянная времени входной цепи истокового повторителя при емкости монтажа 3 пФ

τвхип = Rг (Cвхип +Cм )=500 (0,53 10−12 +3нс10, −12 )=1,76

что обеспечивает время установления истокового повторителя:

tуип = 2,2τ вхип =2,2 1,76нс.10 −9 =3,9

Общее время установления обоих повторителей

tуст = tу2.ип +tу2.эп = (3,9 10−9 )2 +(2,5нс.10−9 )2 = 4,63

Нестабильность усиления. Для эмиттерного повторителя

	∆β			= 0,004 (Tmax0 −			20 °C)= 0,004 (40 −20)= 0,08;
	β		+
				= 0,004 (Tmin0 −20 °C)= 0,004 (−20 −20)= −0,16,
∆β
	β	−
откуда								523
					135 +160 +				+300
	δкэп = −0,16						80 +1			= −0,0038.
					135 +160		+523 +300 (80 +1)

Для истокового повторителя

δS + = −0,02 (Tmax0 −20°C)= −0,02 (40−20)= −0,04;

δS − = −0,02 (Tmin0 −20°C)= −0,02 (−20−20)= 0,08.

Таким образом, нестабильность истокового повторителя

	δ	кип	=		δS −	=		0,08		= 0,0078.
				1+ S R			1+0,00738		1250
					и

Общая нестабильность двух каскадов

δк = δкип +δкэп = 0,0078−0,0038= 0,004.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод.указания посамостоятельной работе

-44-