1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практические занятия проводятся по теме 14 (модуль 2) «Схемотехническое проектирование и расчет типовых аналоговых устройств». Трудоемкость и название тем занятий приведены в табл. 1.1.

							Таблица 1.1
	№	Номер темы					Трудоемкость,
			Темы занятий				зачетные единицы
	п/п	дисциплины
							(часы)
	1	14	Тема 14.1. Расчет	режимов	работы	усили-	0,11 (4)
			тельных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП
	2	14	Тема 14.2. Расчет	функциональной		схемы	0,08 (3)
			широкополосного и импульсного усилителей
	3	14	Тема 14.3. Расчет выходных каскадов ши-				0,11 (4)
			рокополосного и импульсного усилителей
	4	14	Тема 14.4. Расчет	промежуточных каскадов			0,06 (2)
			широкополосного и импульсного усилителей
	5	14	Тема 14.5. Расчет	входных каскадов		усили-	0,06 (2)
			тельных устройств
	6	14	Тема14.6. Расчет	элементов,	влияющих на		0,06 (2)
			формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

Практическоезанятие№1 Расчет режимов работы усилительных секций

ОЭ, ОЭ– ОБ, ОЭ– КП

Краткиетеоретическиесведения

При анализе работы усилительного элемента различают статический и динамический режимы работы.

Статический режим работы обеспечивается, если значения сопротивлений или проводимостей на входе или выходе усилительного элемента имеют значения, равные 0 или∞. Для анализа статистического режима используют статические характеристики, представляющие зависимость одной величины от другой при постоянстве других влияющих параметров.

Динамический режим работы анализируют с привлечением динамических характеристик, которые получают при конечных, не равных 0 или∞, значениях сопротивлений на входе и выходе УЭ [1, с. 58–69].

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-6-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

Выходная динамическая характеристика

Динамическая характеристика (ДХ) связывает между собой выходные величины тока iк и напряжения uкэ . ДХ строят на семействе выходных ста-

тических характеристик. Различают характеристику по переменному и постоянному току.

Характеристика по постоянному току. Рассмотрим выходную цепь усилительного каскада на биполярном транзисторе (рис. 1.1). Условие:

XС →∞, X L →0.

Rф

Сф

Eк

iк

iвх1

a

R=

b

iвх2

Rк

c

Ек

I0

iвх3

Ср

d

iвх4

e

iвх5

Rнд

Сэ0

Rэ0

U0

Ек

Uкэ

Рис. 1.2. Нагрузочная характеристика

Рис. 1.1. Выходная цепь

усилительного каскада

усилительного каскада

Для выходной цепи усилителя запишем:

E = I	(R + R + R ) +U ,
к φкэ=	э0	к

R=э=φ R 0к+ R + R ,

тогда

I= Eк −Uкэ . к= R=

График этого уравнения – ДХ по постоянному току – строят по двум точкам (рис. 1.2):

1) Uкэ = 0; Iк= = Eк ,

R=

2) Uкэ = E; Iк= = 0.

Изменение величины R= влияет на наклон ДХ. При изменении Eк характеристика смещается вправо или влево. Очевидно, что при заданных параметрах схемы величин R= и Eк в схеме протекает ток (I0 ), создающий на

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-7-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

транзисторе напряжение (U0 ). Точка на нагрузочной прямой, соответствую-

щая I0 и U0 , называется рабочей точкой по постоянному току. При выборе положения точки учитывают:

1.Линейность усиления и уровень усиления.

2.Потребляемая мощность.

3.Условие эксплуатации УЭ.

4.Способ включения УЭ.

5.Работа в активном режиме.

Нагрузочная характеристика усилителя по переменному току

Данная характеристика отражает зависимость между током и напряжением усиливаемого сигнала на выходе усилителя.

Она позволяет определить:

1)максимальные значения выходного тока и напряжения;

2)требуемое изменение входного тока или напряжения.

Строят данную характеристику применительно к средним частотам рабочего диапазона в предположении, что реактивные элементы не оказывают влияния на работу схемы.

Тогда в схеме

Rг = Rк Rнд < R= .

iк

U0

E

а'

R≈

к

iб1

R=

b'

а

iб2

c

b

iб3

I0

d

iб4

d'

e

iб5

e'

U0

Ек

Uкэ

I0Rн

Рис. 1.3. Нагрузочная характеристика

транзистора усилительного каскада

При подаче на вход усилителя сигнала найдем ток и напряжение в выходной цепи:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-8-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

iвых = I0 + ∆iвых, uвых =U0 + ∆uвых.

На основании законов Кирхгофа запишем:

E =U + ∆u + I R + ∆i R .
0 вых 0 0	вых = г

Уравнение соответствует прямой линии на семействе выходных характеристик транзистора.

1.Точка покоя ∆uвых = 0 и ∆iвых = 0.

2.Вторая точка может быть определена двумя способами:

U

кз

= 0,

т. е. U

вых

= 0,

тогда ∆u

вых

= −U

0

, E = I R + ∆i

R , ∆i = U0 .

0 вых 0 г =

вых

Rг

∆uвых = 0, т. е. ∆iвых = −I 0 , тогда

Eк =U0 + ∆uвых + I0R= = −I0Rг ,

∆uвых = I0Rг .

Входная динамическая характеристика

Uкэ1< Uкэ2< Uкэ3< Uкэ4< Uкэ5

iб

iб1

а''

iб2

b''

iб3

с''

iб4

d''

iб5

е''

Uб'э

Рис. 1.4. Входная динамическая

характеристика транзисторного каскада усилителя

По величине тока базы iб пряжения Uб′э .

Входная динамическая характеристика (ВДХ) – зависимость мгновенного значения входного тока от входного напряжения (рис. 1.4).

ВДХ позволяет определить:

1.Входное сопротивление.

2.Диапазон изменения входных токов и напряжений. Уровень мощности на входе.

Различают ВДХ по постоянному

ипеременному токам. Строят ВДХ на семействе входных статических характеристик транзистора с учетом результатов построения выходной динамической характеристики.

находим соответствующее ему значение на-

В тех случаях, когда в справочниках не приводится семейство входных характеристик (биполярный транзистор), за динамическую характеристику

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-9-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

принимают статическую характеристику. Для полевых транзисторов данная характеристика не имеет смысла из-за высокого входного сопротивления.

Сквозная динамическая характеристика

Сквозная динамическая характеристика (СДХ), рис. 1.5, представляет зависимость мгновенного значения выходного тока от ЭДС источника сигна-

ла. Данная характеристика используется при
анализе схем на биполярных транзисторах для					iк
определения уровня нелинейных искажений.
		iк1
По СДХ можно определить форму вы-		iк2
							с'''
ходного сигнала при заданном напряжении		iк3
генератора, оценить уровень нелинейных ис-		iк4
кажений. Строят СДХ на основе созданных		iк5
									Еист
входных характеристик. По результатам по-
строения входной динамической характери-
стики находят ЭДС источника по формуле

Eист =Uвх +iвхRист ,

где Uвх =Uб′э ; iвх =iб .

Получаем характеристику, показанную на рис. 1.5.

Зависимости вида iк = f (iб), iк = f (Uбэ) прямой передачи усилительного элемента.

t

Рис. 1.5. Сквозная динамическая

характеристика транзисторного каскада усилителя

описывают характеристики

Заданиедляпрактическихрасчетов

1.Рассчитать усилительную секцию ОЭ – КП.

2.Рассчитать усилительную секцию ОЭ – ОБ.

3.Рассчитать усилительную секцию ОЭ.

Порядоквыполненияпрактическогозадания

1. Расчет усилительной секции ОЭ – КП

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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-10-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

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 [1, с. 58–69]

	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

R

+ R

10000 +1200

590 +510

2

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

R1 + R2

138

10000

Rэ0

+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:

Uкэ1 =Uк1 −Uэ1	= 2,9 −0,63 =В2,33 ;
Uкэ2 =Uк2 −Uэ1	= 6,07 −2,6 =В3,47 .
 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям		-11-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

Определение параметров транзисторов. Типовые параметры транзи-

сторов в рабочем режиме могут быть определены по формулам пересчета справочных параметров транзистора к рабочему режиму.

Имея в виду Iк1 ≈ Iк2 ≈ Iкизм, пересчет fт можно упростить:

β = βmin βmax = 40 160 =80;

r	= ξ	τ	ОС	=Ом1,5	500 10−12		=160	;
					4,7	10−12
б'б		C
			к

0,0252

0,0252

;

rб'э = ∆r +

Iк

(β+1)= 0+Ом

(80+1)= 444

0,0046

r

= 2r = 2 300 103Ом= 600 103

;

б'э

fт

= 2 fтспр

= 2 2,5Гц108 =5 108

;

β

80

−8

;

τб'э =

2πс fт

=

= 2,55 10

2π 5 108

C

4,7 10−12

Cб'к1 =

U

изм

2

−12

к

3

=

3

= 2,23 10Ф

;

Uкэ1

2

2,33

2

C

4,7 10−12

C

U

изм

3

2

−12

б'к2

=

к

=

=1.91

10Ф

.

Uкэ2

2

2

3.74

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

r		= r		R	R	(β+1)= 444+			30 510		(80+1)= 2740 .
			+	3	5				Ом
б'э1		б'э		R3 + R5			30 +			510
Основные			показатели				каскада.		Входное сопротивление первого

и второго транзисторов определяется из выражений:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-12-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

R

= r

+ r =160 + 2740 = 2900Ом

;

вхт1

б'б

б'э

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

1

R

1

604

.

Rвых =

R4

1+

вхт2

+

RОмвхт2

=

680 1

+

+600

=16

β

Rк1

80

∞

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

=(τ

+β R C

)

R4н

+

C

R

вхт12+

R

+ R

=

4

2б'э2

н

б'к2

β RН

R

вхт2

β2к1

= (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

а эквивалентная постоянная времени секции и соответствующая ей верхняя граничная частота будут равны:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-13-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

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

Таким образом, площадь усиления

П = K fв =18,8 63,7 106 =1200 МГц.

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.

Если в первом транзисторе используется коррекция, то следует запи-

сать:

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

2. Расчет усилительной секции ОЭ – 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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-14-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

Rэ0 = R2 + R4 + R5 = 620 +100 +84Ом=804

и сопротивление коллекторной цепи

Rк = R6 + R7 = 470 + 200 =Ом670 ,

определяем 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] 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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-15-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

ϕк +Uи

C

эб

=C

э

=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

β

69

−8

;

τб'э =

2πс fт

=

= 2,28 10

2π 4,8 108

C

C

U

изм

5 10−12

5

−12

=

к

3

=

3

=3.4

10Ф

;

б'к1

2

Uкэ1

2

2.2

C

C

U

изм

5 10−12

3

5

−12

б'к2

=

к

=

= 2,7

10Ф

.

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

Тогда 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

6

102 5,2

401

=

1+

Гц.

1

+

= 401 10

502 +36

69

502 +36

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.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-16-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

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

'

1

1

1

−1

1

1

1

−1

R

=

+

+

=

+

+

= 234Ом ,

н

Rбсл

680

2000

36

Rксв

rб'б + rб'э

+ 401

тогда

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 (коэффициент γк близок к единице). Введение обратной связи с глубиной

1β+ K(2 ≥3) − позволяет полностью реализовать преимущества, свойствен-

ные корректированным схемам.

Исходя из вышесказанного, 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 – это усилители с высокой верхней граничной частотой, особенно в тех случаях, когда из-за жестких требований к габаритам усилителя применение секции ОЭ – КП (например, ИС К265УВ7) нецелесообразно.

3. Расчет усилительной секции ОЭ

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).

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-17-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

Исходные данные для расчета:

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 генератораRг , Ом	16
Нестабильность усиления δк , не более %	5

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

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

Требования к искажениям в области больших времен умеренные. 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 ста-

бильность (RбОм= R)г =16		.
Расчет энергетических характеристик. Для согласования с кабелем
коллекторное сопротивление берем равным волновому сопротивлению:
откуда			Rк =ρ =50Ом,
	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 ;

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-18-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

1

1

Uк− =Uвых 1−

В

=

5

1−

5

= 4

;

Q

∆Iк+ =

Uк−

=

4

= 0,16А ;

25

Rн

∆Iк− =

Uк+

=

1

= 0,04А .

25

Rн

Из условия

I0к+ ∆I + = δ =5

I0к−∆I −

ток в точке покоя

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
 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям						-19-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

Для выбора транзисторов воспользуемся системой неравенств:

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

Pкдоп

≥

=

= 0,92Вт.

0,8

0,8

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

β =

50 300

=122;

r

75

10−12

;

= 2

Ом

= 43

б'б

3,5 10−12

0,2 +

0,0252

(122 +1)= 45 ;

rб'э =

Ом

0,15

r

= 2 5 104Ом=105

;

б'к

fт = 2 109 =Гц2 109

;

τ

б'э

=

с

122

=9,7 10−9 ;

2π 2 109

Сб'к = 3,5 10−12

3

10

= 2

10Ф−12 .

6,63

2

Теперь можно оценить площадь усиления каскада

П =		Rн	f т					=
	(R + r	)(1+π2	f	т	C	R	)
	г б'б				б'к	н

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-20-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 1 Расчет режимов работы усилительных секций ОЭ, ОЭ – ОБ, ОЭ – КП

		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

45

0,03

0,03

16 + 43

+

1−

−45

0,12

=

(121+1)

0,12

=

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

На этом можно закончить расчет усилительной секции ОЭ.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-21-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическоезанятие№2 Расчет функциональной схемы широкополосного

и импульсного усилителей

Краткиетеоретическиесведения

При расчетах импульсных усилителей основные трудности возникают при решении задач по устранению линейных искажений, так как в данных усилителях важно сохранить форму сигнала. В отличие от усилителей гармонических сигналов, где используют спектральные методы анализа, в импульсных усилителях применяют переходные характеристики [1, с.128–136].

Переходная характеристика – отклик цепи на единичное ступенчатое напряжение на входе.

Если пронормировать переходную характеристику относительно коэффициента усиления K0 , то можно записать:

	h(t) =	1	Uвых (t)	,
		K0вх U (t)
0,t < 0	.
где Uвх (t) =
1,t ≥ 0

При этом по запаздыванию выходного сигнала и выбросу определяют искажения фронтов сигнала (в TV это приводит к размытости границ между различными градациями яркости). Искажения вершины импульса влияют на яркость изображения.

К недостаткам временного метода следует отнести сравнительную сложность используемого математического аппарата и трудности экспериментального изучения переходных процессов (переходных характеристик) с малым значением постоянной времени.

Даже при одном элементе коррекции с учетом паразитных элементов цепи приходится решать интегродифференциальные уравнения высокой степени. В этом отношении спектральный метод значительно проще.

Uвх

Uвх

1

1

0

t

0

t

Рис. 2.2. Переходная

Рис. 2.1. Единичный

характеристика усилительного

скачок на входе

каскада

усилительного каскада

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-22-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 2 Расчет функциональной схемы широкополосного и импульсного усилителей

Определение оптимальных параметров усилительных схем в области малых времен – это наиболее сложный вопрос в проектировании усилительных устройств. В импульсных усилителях наилучшими параметрами считаются те, которые обеспечивают наименьшее искажение формы усиливаемых сигналов (рис. 2.1, рис. 2.2).

Важную роль в импульсных усилителях играет критический выброс – это такой выброс, величина которого не меняется при увеличении числа каскадов усилителя. Чем больше критический выброс, тем медленнее увеличивается tуст при увеличении числа каскадов.

Таким образом, общее правило для переходной характеристики такое: получить наименьшую длительность фронта, больший критический выброс и наибольшее затухание колебаний переходной характеристики.

Если в схеме реализована одна цепь коррекции, то перечисленные параметры переходной характеристики зависят только от одного коэффициента коррекции, при определенном значении которого выброс оказывается критическим. В этом случае достаточно просто определить влияние коэффициента на переходную характеристику и выбрать его оптимальное значение.

При наличии нескольких коэффициентов коррекции, т. е. когда N( p) = 0 превышает 2, задача усложняется и случайным перебором этих ко-

эффициентов ее решить обычно не удается. Целесообразно в этом случае использовать метод оптимального проектирования.

Отметим особенности колебательного режима:

переходная характеристика содержит затухающие синусоидальные составляющие;

переход от случая равных вещественных корней (критический режим) к комплексно-сопряженным корням, соответствующим колебательному режиму, позволяет уменьшить tуст на 10–15 %. Но появляется выброс в 1–3 %.

Переходная характеристика – это реакция системы на единичный скачок напряжения на входе.

При этом на вход второго и последующих каскадов подается сигнал, отличный от единичного скачка (рис. 2.3). Поэтому приходится определять отклик последующих каскадов на сигнал сложной формы. Прямое решение задачи возможно с помощью интеграла Дюамеля:

t

Uвых (t)τ)= ∫(e( τ)h tτ− d .

0

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-23-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 2 Расчет функциональной схемы широкополосного и импульсного усилителей

						Uвх2 (t) = h1(t)
		Uвх1(t)
1				1

0				t		0				t
								h2(t)
		h1(t)

Рис. 2.3. Испытательный импульс на входе первого и второго каскадов усилителя

					h1(t)
							h1(t)
	а4
	а3
	а2

а1

0

t1 τ t2

t3

t4

t

0

t1

t2

t3

t

Рис. 2.4. Ступенчатая аппроксимация	Рис. 2.5. Кусочно-линейная
переходной характеристики	аппроксимация переходной
усилителя	характеристики усилителя

Однако на практике для расчета переходных характеристик используют три основных метода:

1. Метод ступенчатой аппроксимации (рис. 2.4).

По этому методу переходную характеристику представляют в виде совокупности ступеней, а сигнал на выходе получается как сумма сигналов от отдельных ступеней (на основе принципа суперпозиции) с учетом временного сдвига.

2.Метод кусочно-линейной аппроксимации (рис. 2.5).

3.Метод приближенных вычислений по известным частотным и фазовым характеристикам.

При этом если выброс S ≤3–4 %, то

tуст = ty12 +ty22 +...

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-24-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 2 Расчет функциональной схемы широкополосного и импульсного усилителей

Время установления tyi целесообразно выбирать одинаковым для различных каскадов:

tз =tз1 +tз2 +tз3 +...

Выброс определится выражением

δ = S12 + S22 +..., ∆ = ∑∆i .

Заданиедляпрактическихрасчетов

1.Рассчитать функциональную схему широкополосного (импульсного) усилителя.

2.Составить функциональную схему.

Порядоквыполненияпрактическогозадания

Расчет функциональной схемы широкополосного (импульсного) усилителя

Исходные данные для расчета широкополосного усилителя:

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) [1, с. 128–136]. 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)

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-25-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 2 Расчет функциональной схемы широкополосного и импульсного усилителей

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.

На основе вышесказанного приходим к выводу, что усилитель с указанными в исходных данных параметрами можно выполнить как на отдельных каскадах с ОЭ, так на ИС серии К265УВ.

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 / Nэ −1

1+π 2 τ fт

ос

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) оказываются равными

Mвi =

Mв

=

1,2

=1,095γ;

′к2;=

γк =1+(γ′к −1) K′ =1+(2−1) 0,8=1,8;

KiР=

=

= 41,

K

1700

откуда

5 106

1700

6

Птр =

= 256

10

Гц.

1,8 1,22 / 2 −1

При N =3

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-26-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 2 Расчет функциональной схемы широкополосного и импульсного усилителей

′	=γ	′
Mвi =1,063; Ki =γ11,9;2,15;к		1,92,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.

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.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-27-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическоезанятие№3 Расчет выходных каскадов широкополосного

и импульсного усилителей

Краткиетеоретическиесведения

Цепи питания электронных схем должны удовлетворять двум основным требованиям:

1. Обеспечивать рассчитанный режим работы транзистора по постоянному току, выраженный координатами точек входной (Iб0 ; Uб0 ) и выходной

(Iк0 ; Uк0 )цепей [1, с. 75–83].

2.Обеспечивать минимум отклонения от этого режима из-за разброса параметров транзистора, изменения температуры окружающей среды и изменения питающего напряжения.

Задание рабочей точки транзистора с помощью цепей смещения может

быть:

фиксированным (по току базы Iб = const; по напряжению база – эмит-

тер Uб′э = const );

плавающим, когда эти величины изменяются во времени.

Частным случаем плавающего смещения является автоматическое смещение. В этом случае при изменении Iк изменяется Iб или Uб′э , стремясь вернуть Iк в первоначальное состояние. При построении цепей автоматического смещения используются цепи обратной связи.

1. Цепь смещения с фиксацией Iб (рис. 3.1).

2. В данной схеме

Iб = Ек −Uб′э .

Rб

+Ек

+Ек

IR1,2

Rк

Rб1

Rб

Rк

Iб

Rб2

Рис. 3.1. Способ стабилизации

Рис. 3.2. Способ стабилизации

рабочей точки транзистора

рабочей точки транзистора

фиксацией тока базы

фиксацией напряжения

база – эмиттер

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-28-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Если применить Е	>U ′ ;	R	> r ,	то I	б		Ек	– постоянная величина
к	б э	б	вх				Rб
и не зависит от параметров транзистора.
Однако Iк =βIб +(β+1)Iк0 , где Iк0				– обратный ток коллектора (тепло-
вой ток коллекторного перехода). Ток Iк0				мал, однако при изменении темпе-

ратуры он может значительно увеличиваться. К тому же параметр β также сильно зависит от температуры. Поэтому стабилизация тока Iб не приводит к стабилизации Iк в интервале температур, и данная схема используется редко.

3. Цепь смещения с фиксацией Uб′э (рис. 3.2).

Смещение на базу подается с делителя Rб1 : Rб2 . Напряжение, снимаемое с резистора Rб2 , Uб′э .

Ек = Rб1R+б2Rб2 = Еб0 .

Rб = Rб1+Rб2 .

Rб1 Rб2

Тогда

UЕб′э = Iб0 R− б б , если Iб RЕб б0 , то UЕб′э б0 .

				+Ек
						+Ек
	Rб1	I
			Rк
		R1,2

						Rк
					Rб
							Uкэ
		Rб2
	Рис. 3.3. Способ с эмиттерной			Рис. 3.4. Цепь с коллекторной
				стабилизацией режима работы
	стабилизацией рабочей точки
						транзистора
			транзистора
					по постоянному току

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-29-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Если R →0	, то на базу подается фиксированное напряжение UЕ′ =	об	.
б	б э

Следующие два варианта цепей смещения относятся к цепям автосме-

щения или к цепям со стабилизацией режима работы транзистора по постоянному току.

4. Цепь фиксации рабочей точки транзистора с эмиттерной стабилизацией (рис. 3.3).

Резистор Rэо – резистор обратной связи. Связь – последовательная по току. В данной схеме

UЕ′ = I	б	R−	Е I	б	R−	.
б э			э0 э0			к э0

Изменение Iк0 , обусловленное температурой транзистора, вызывает

обратно пропорциональное изменение Uб′э , что, в свою очередь, приводит к

запиранию или открыванию транзистора и,

как следствие этого, к стабилизации тока

коллектора.

5. Цепь с коллекторной стабилизацией

режима работы транзистора по постоянному

току (рис. 3.4).

Rб

Rэ

Rк

В данной схеме

I

б0

=

Uкэ −Uб′э

Uкэ

,

R

R

Еб

Еэ

Ек

б

б

Uкэ = Екэ − Iк0 Rк ,

Тогда

Ек − Iк0 Rк

Рис. 3.5. Обобщенная

Iб0 =

.

(3.1)

эквивалентная схема питания

Rб

транзистора по постоянному току

Из (3.1) следует, что изменение Iк0

вызывает обратно пропорциональ-

ное изменение тока Iб0 ,

что приводит к соответствующему изменению Iк0 .

В данной схеме Rб – элемент ООС, параллельной по напряжению.

Схема, приведенная на рис. 3.5, обладает несколько худшей стабилизирующей способностью по сравнению с предыдущей (см.рис. 3.4).

Любую схему питания транзистора можно свести к обобщенной эквивалентной схеме по постоянному току (см. рис. 3.5).

Заданиедляпрактическихрасчетов

1.Рассчитать выходной каскад широкополосного (импульсного) уси-

лителя.

2.Рассчитать термостабильность режима.

3.Определить частотные свойства каскада.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-30-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Порядоквыполненияпрактическогозадания

1. Рассчитать выходной каскад широкополосного (импульсного) усилителя

Максимальное сопротивление нагрузки 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 [1, с. 75–83]. 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 =			2	В0,5 = 0,7076		;
Iка =		Uа		=	0,707			=1,41 10А−3	;
					602
			Rн

постоянная составляющая тока коллектора должна быть не менее

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

Определим типовое значение тока ИС К265УВ5:

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

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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-31-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Минимально допустимое напряжение источника питания Eк при допустимой нестабильности коллекторного тока (10 %)

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 +ВRэ) = 4,6 .

Определение параметров транзисторов. По известным из теоретиче-

ского материала соотношениям определим параметры транзистора в рабочем режиме:

β =

βmax βmin

=

40 160

=80;

r

= ξ

τ

ОС

=1,5Ом

500

10−12

=160

;

4,7 10−12

б'б

С

к

rб'к

3

6

;

= 2 rк = 2 300 10Ом= 0,6 10

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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-32-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

	CбС'к = 0,5 к 3	Uи	= 0,5Ф4,7 10−12 3		2		=1,78 10−12 .
					4,6
		Uкэ

2. Рассчитать термостабильность 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

Tmax0 −20

=А5 10

−7

50−20

∆Iк0+

=

2

7

−1

2

7 −1 = −4,63 10−6 .

2

2

Rвх = rб'б + rб'э =160 +523 =Ом683

.

Теперь можно определить приращение коллекторного тока:

	∆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

+

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
 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям		-33-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Поэтому при расчете нестабильности усиления достаточно учесть непосредственное влияние температуры на коэффициент передачи тока базы.

3. Определить частотные свойства каскада

Определив предварительно сопротивление эквивалентного генератора

как

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

где Rкпр – коллекторное сопротивление предыдущего каскада, Rбсв – сопро-

тивление базового делителя рассчитываемого каскада, найдем площадь усиления каскада:

П =		Rн
	R	+ r
	г	б'б

			fт
	1+π2	f	т	R	C
				н	б'к

							rб'э			2 −0,5
			2π fт Rн	Cн 1+
	1+						Rг + rб'б				=
		β (1 2π+		f		R	C)
					т
						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					1,78
				502					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 и сопротивление обратной связи оказываются равными:

R = β Rн = 80 502			=3375Ом ,
вхтр	Ki	11,9

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-34-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 3 Расчет выходных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

R	=	Rвхтр −rб'б	−rб'э	=	3375 −180 −523	=33,2Ом .
э		β+1			80

Нестабильность усиления найдем как

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.

Практическоезанятие№4 Расчет промежуточных каскадов

широкополосного и импульсного усилителей

Краткиетеоретическиесведения

Реостатный каскад относится к каскадам предварительного усиления. Основное назначение каскадов предварительного усиления – повысить уровень входного сигнала. Поэтому основное требование к таким каскадам – максимальный

коэффициент усиления Ku , Ki [1,

с. 89–100].

Принципиальная схема резистивного каскада представлена на

рис. 4.1, где Rк – сопротивление

нагрузки в цепи коллектора каскада на VT2, которое совместно с

Rбсл = Rб1сл // Rб2сл образует сопротив-

+Е

Rф

Сф

Rк

R

Rб2

Rк

R

пр

б2сл

Rккслсл

Ср

Rб1

сл

Rб1

Сэ0

Rэ0

Рис. 4.1. Схема принципиальная

электрическая реостатного усилителя трехкаскадного усилителя

ление источника сигнала для VT3;

Сp – разделительный конденсатор, разделяет переменную и постоянную со-

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-35-

Рис. 4.2. Эквивалентная схема резистивного

каскада усилителя для первого метода расчета

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 4 Расчет промежуточных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

ставляющие коллекторного тока; Rб , Cэ , Rэ – элементы цепи питания каскада по постоянному току; Сф, Rф – элементы фильтра в цепи питания.

Назначение фильтра:

устраняет паразитную связь между каскадами через цепи питания (развязывание);

сглаживает пульсации питаю-щего напряжения; корректирует характеристики в области НЧ (больших времен).

Rф – элемент стабилизации режима по постоянному току в цепи коллектора;

Сф устраняет параметрическую ООС по току.

Принцип деления реостатного усилителя на каскады

Наибольшее применение нашли два метода расчета реостатного каскада. Эквивалентная схема каскада для первого метода расчета представлена на

рис. 4.2, где

Ср Rб = Rб1 // Rб2 .

							По первому методу сигнал от
		Rбсл		Rвхсл
Rсв						Свхсл	идеального генератора напряжения
							подается непосредственно на базу

Е			транзистора. Нагрузка транзистора
		Rэ	включает Rксвое	, Rбсл , Rвхсл .

Недостаток данного метода в том, что для оценки свойств рассматриваемого каскада необходи-

мо знать входное сопротивление следующего за ним каскада.

Для второго метода расчета эквивалентная схемапредставлена нарис. 4.3.

Ср

Rбсв

R

I

R

Rвых

г

кпр

Rэ

Rксв

сл

Рис. 4.3. Эквивалентная схема реостатного каскада усилителя

для второго метода расчета

Здесь транзистор предыдущего каскада заменятся эквивалентным генератором тока и в нагрузку каскада не включается Rвх следующего транзисто-

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-36-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 4 Расчет промежуточных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

ра. Недостаток этого метода – трудно учесть при расчетах емкость нагрузки и емкость монтажа. При расчетах транзистор заменяется его эквивалентной схемой.

Заданиедляпрактическихрасчетов

Рассчитать промежуточный каскад широкополосного (импульсного) усилителя.

Порядоквыполненияпрактическогозадания

Расчет промежуточного каскада широкополосного (импульсного) усилителя

Режим транзистора, его параметры те же, что и в выходном каскаде (см. практическое занятие № 4, тема 14.3, п. 1), поэтому их можно здесь не рассчитывать.

Сопротивление генератора в данном каскаде, как и в выходном

[1, с. 89–100],

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

откуда площадь усиления

	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

тогда 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

Rн′ =				1				=				1				=513Ом .
		1	+	1	+	1				1	+	1	+	1
		R		R		R				670		6200		3375
		кпр		бсв		вхтр
 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям																	-37-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 4 Расчет промежуточных каскадов широкополосного и импульсного усилителей

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:

R = β Rн′		= 80 513 =3450Ом ;
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 +

+34

80 +1

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.

Практическоезанятие№5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Краткиетеоретическиесведения

Реостатный каскад, усилительный элемент которого включен по схеме ОК, называется эмиттерным повторителем (ЭП). ЭП можно рассматривать как обычный каскад с ОЭ, охваченный 100 % ООС. Связь в каскаде последовательная по напряжению. Используется ЭП обычно в следующих случаях

[1, с. 109–113]:

1. Во входных каскадах при необходимости обеспечить входное сопротивление 5–10 кОм. При Rвх >5–10 кОм необходимо нейтрализовать влия-

ние сопротивлений базового делителя. При уровнях Rвх > 100 кОм использу-

ют сложные повторители с динамической нагрузкой или истоковые повторители.

2.В выходных каскадах усилителей мощности.

3.В качестве каскада согласования высокоомного источника и низкоомной нагрузки.

Схема электрическая принципиальная простейшего ЭП приведена на рис. 5.1.

Если через нагрузку повторителя допускается протекание постоянной составляющей тока, то Rнд может быть включено непосредственно в цепи

эмиттера вместо Rэ.

Входное сопротивление ЭП выше, а величина входной емкости и выходного сопротивления ниже, чем у каскада с ОЭ.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-38-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

К особенности

ЭП можно отнести то, что Uвых ≈Uвх

и фаза выходного

сигнала совпадает с фазой входного, т. е. сигнал на выходе повторяет сигнал

на входе.

Rг

Ек

(+)

(–)

Е

Rн

Rб1

Ср1

(–)

(+)

Ср2

(–)

(+)

Rб2

Rнд

Снд

Rэ

Рис. 5.2. Представление каскада

Рис. 5.1. Схема электрическая

принципиальная усилительного

с ОК в виде каскада с ОЭ

каскада с ОК

со 100 % ООС

Частотные свойства ЭП также значительно лучше, чем у каскада с ОЭ. Так, при глубокой ООС: Rист →0, Rнагр→∞ − верхняя граничная частота каскада стремится к верхней граничной частоте транзистора fТ . Представим ЭП

ввиде каскада с ОЭ, схваченным обратной связью.

Вобщем виде с учетом ОС для ЭП можно записать:

K	u ОС	=		Ku	; K		= K	;
			1β+ K
						u ОС	i

Zвх = Zвх (1+ Kβ); Zвых =1Z+выхKβ.

1. Определим коэффициент усиления каскада без учета обратной связи:

Ku =(β+1)rб′бR+нrб′э .

Учитывая, что при глубокой 100 %-ной обратной связи β =1, находим выражение для определения глубины обратной связи:

1β+ K1		(β	+1)R r ′			+ r ′	+ R	(β+1)
	= +			н =	б б	б э	н	,
		r ′				r ′	+ r ′
				+ r ′
		б б		б э		б б	б э

и для коэффициента усиления:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-39-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Ku ОС = rб′б +(rбβ′э++1()βR+н 1)Rн , т. е. Ku ОС <1.

2. Входное сопротивление без обратной связи: Rвх = rб′б + rб′э. С учетом обратной связи

Zвх ОС = Zвх (1β+ K )= rб′б + rб′э +βRн (1 .+ )

В большинстве случаев можно считать, что

Rвх ОС (β+1)Rн,

где Rн = Rэ || Rвхсл ; Rэ || Rнд,

или в комплексной форме записи:

Zвх ОС =(β+1)Zн.

3. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется как внутреннее сопротивление эквивалентного генератора:

		Zвых =		Rr + rб′б + rб′э	.
				(β+1)
Последние выражения для Zвх ОС и Zвых ОС						позволяют заметить, что Zвх
определяется R , а	Z	– R , т.	е. повторитель можно рассматривать как
н	вых	r

трансформатор сопротивлений.

Поскольку верхняя граничная частота повторителя определяется внешними цепями, то для оценки частотных свойств используется эквивалентная схема рис. 5.3.

Для области НЧ

τн =Ср (Rнд + Rвых || Rэ );

для области ВЧ

τв =Снд (Rвых || Rэ || Rнд ).

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-40-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Анализ каскада повторителя показывает, что входное сопротивление определяется не только сопротивлением нагрузки, но и сопротивлением Rб = Rб1 || Rб2 . Для повышения Rвх в 2–3 раза используют следующие меры:

1.	Уменьшают ток коллектора, при этом возрастают сопротивления Rэ
(входит в выражение для Rн ) и Rб.
2.	Применяют гальваническую связь ЭП со следующим каскадом,
в этом случае исключается из схемы Rбсл следующего каскада. В результате

увеличивается входное сопротивление Rвх сл .

Для повышения уровня Rвх

до десятков кОм используют сложные по-

вторители (рис. 5.4). В этой схеме транзистор

шунтируется

не Rб1 || Rб2 ,

а сопротивлением Rб3.

Ср1

Ср

Rвых

Rб1

Rб3

Е

Снд

Rэ

Сбл

Rнд

Ср1

Rб2

Снд

Rнд

Rэ

Рис. 5.3. Эквивалентная схема

усилительного каскада с ОК Рис. 5.4. Схема каскада с ОК и компенсацией влияния

базового делителя

Ек

R1

VT3

Сбл3

VT1

R2

Ср

Rб

Сбл1

VT4

Ср

Rб2

Сбл2

Снд

Rнд

VT2

Rб3

Рис. 5.5. Схема эмиттерного повторителя

с высоким входным сопротивлением

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-41-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Сигнал обратной связи подается на базу через последовательно соеди-

ненные Rб3

и Сбл , что снижает влияние действия

Rб1 || Rб2 и увеличивает

входное сопротивление.

Еще одна возможная схема сложного повто-

Еп

рителя

представлена

на

Ср

рис. 5.5. В данной схеме на VT 2 реализован гене-

ратор стабильного тока, что эквивалентно увели-

Rнд

Rз

Rи

чению сопротивления R

до уровня r ′

,

вклю-

Снд

э

б кVT 2

чение на выходе дополнительного ЭП на VT 4 уве-

Рис. 5.6. Истоковый повтори-

личивает

Rвх сл , динамическая нагрузка

на

VT3

тель (каскад с ОИ)

нейтрализует влияние rб′кVT1, что улучшает частот-

ные свойства каскада на VT1 и также способствует увеличению Rвх . Данная схема позволяет получить Rвх 100 кОм, а в облас-

ти низких частот Rвх единицы кОм. Следует отметить склонность ЭП к са-

мовозбуждению из-за условия баланса фаз и амплитуд, особенно в области ВЧ.

Еще большие значения Rвх позволяет получить истоковый повторитель

(ИП). Простейшая схема ИП имеет вид, представленный на рис. 5.6. С учетом

Sэ =1+SRэ Ri

определим Ku :

K	u ОС	=		SэZн	= 0,7 −0,9,
			1+ SэZн

тогда

Свх ОС =Сзс +Сзи (1− Ku );

Rвых = S1 .

Следует отметить, что Rвых ИП > Rвых ЭП ; Ku ИП < Ku ЭП.

Входное сопротивление каскада определяется сопротивлением l цепи затвора R3 . Для расширения динамического диапазона следует Rc = 0;

Uи = Е2п .

Для повышения входного сопротивления используют те же приемы, что и в каскадах ЭП.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-42-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Заданиедляпрактическихрасчетов

1.Рассчитать входной каскад усилительного устройства.

2.Рассчитать каскад с высоким входным сопротивлением.

Порядоквыполненияпрактическогозадания

1. Расчет входного каскада усилительного устройства

Прежде всего рассчитаем сопротивление генератора для входного кас-

када [1, с. 109–113]:

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

6

1,78 10

)

−12

605

Kmax =

П

i

=

267 106

=

37,7 .

fвi

7,22 106

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

Kвх =

Rб

=

6200

= 0,984 ,

6200 +100

Rб + Rг

K1

=

Kр

=

1700

=12,2

,

K3

вхK2

K

11,9 11,9

0,984

что при полном сопротивлении нагрузки каскада

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-43-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

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

дает

Rвхтр = βKRн = 8012,2514 =3370Ом ,

R

=

Rвхтр −rб'б −rб'э − Rг

=

3370 −160 −523 −98

=32Ом .

э

β+1

80+1

Нестабильность усиления

R + r

+ rб'э

+ R

98 +160 +

523

+32

∆β

г б'б

β+1

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

2. Расчет каскада с высоким входным сопротивлением

Требуется рассчитать каскад усилителя с высоким входным сопротивлением.

Исходные данные для расчета каскада:

Rвх ≥ 200кОм; Rг = 500Ом; Rндоп =1кОм;					Cндоп = 20пФ;	Uвх =10мВ;
t	у	=5нс;δ	<1%;мс;T =2δ5%;2%;∆С<;	4020= С.	T = °	T = − °
			и	к	max	min

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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-44-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

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 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

+

S =

S

min

S

max

IС

=

0,0052 0,0105

0,005

= 7,38

10−3 А

;

0,006

1,5

I

′ α

1

В

1

+

+

0,005

IС

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
и		Iс		5	10−3

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

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-45-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Интегральная схема К265УВ1 включается в типовом режиме по току:

β =

βmax βmin

=

40 160

=80;

r

= ξ

τ

ОС

=1,5Ом

500 10−12

=160

;

4,7 10−12

б'б

С

к

rб'к

= 2 rк = 2 300

3

6

;

10Ом= 0,6 10

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

= 2,58 10С−.8

τб'э =

=

2π fт

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 усилительных и временных свойств. Полное сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-46-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

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

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 .

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-47-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Площадь усиления эмиттерного повторителя

П

эп

= f

вэп

=

fт

Rвыхип + rб'б + rб'э + Rнэп (β+1)

=

β

R

+ r

+ r

+ R

выхип

б'б

б'э

нэп

=

499 106

135 +160 +523 +300 (80 +1)

=140мГц;

80

135 +160 +523 +300

откуда для времени установления эмиттерного повторителя получим:

t	уэп	=	2,2	=	2,2		= 2,5нc.
					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)

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-48-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие №5 Расчет входных каскадов усилительных устройств

Для истокового повторителя:

δS + = −0,02 (Tmax0 − 200 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.

Практическоезанятие№6 Расчет элементов, влияющих

на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

Краткиетеоретическиесведения

Целью коррекции является расширение диапазона рабочих частот как в области ВЧ, так и в области НЧ в ус илителях гармонических сигналов либо уменьшение искажений в областях МВ и БВ в усилителях импульсных сигналов.

В области ВЧ (МВ) применяется простая параллельная индуктивная коррекция. Более сложные варианты индуктивной коррекции применяются редко из-за сложности настройки и трудности при реализации УУ в микроисполнении [1, с. 121–127].

Оптимальная коррекция

Для каждого усилительного элемента можно определить максимальную площадь усиления

Пmax в= K0 f .

Используя специальные виды каскадов (ОЭ – ОБ, ОЭ – КП), можно увеличить площадь усиления по сравнению с реостатным каскадом до 10 раз. Если увеличения окажется недостаточно, то в схемы каскадов с хорошими частотными свойствами вводят специальные элементы или цепи. Такие цепи называют корректирующими. Введение в схему корректирующих цепей позволяет расширить полосу пропускания в области НЧ (НЧ-коррекция) или

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-49-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

в области ВЧ (ВЧ-коррекция). При рассмотрении площади усиления можно определить элементы, которые обеспечивают оптимальное (часто это максимальное) значение площади усиления. Очевидно, в случае введения корректирующих цепей или элементов можно определить значения элементов, обеспечивающих оптимальную АЧХ или ФЧХ.

Брауде предложил под оптимальной АЧХ считать такую характеристику, которая при наибольшей fв не имеет подъемов, т. е. является максималь-

но плоской.

Простая параллельная коррекция

Простую параллельную коррекцию применяют в схемах на полевых транзисторах, а также в выходных каскадах на биполярных транзисторах, ра-

ботающих на высокоомную нагрузку. В противном случае малое Rвх шунти-

рует L контура (рис. 6.1).

На ВЧ в схеме с такой коррекцией образуется параллельный контур (рис. 6.2). За счет этого в области резонанса контура увеличивается сопротивление нагрузки.

Lк

R3

С

VT1

Ср

Cp2р

Cp1

С

R

Cнд

нд

R

С

Cp3р

R1

R2

Рис. 6.1. Схема каскада

с параллельной коррекцией

Y

Рис. 6.3. АЧХ усилителя

при различных значениях коэффициента коррекции

Эмиттерная коррекция

R

L Cнд

Рис. 6.2. Эквивалентная схема

цепи нагрузки при параллельной коррекции

Выигрыш в площади усиления при использовании коррекции.

γк = ППк =1,72 при отсчете по уров-

ню 0,707 и Lкор = kCнRн2 .

Для ФЧХ по методу Брауде

ϕ =1+Ω12−(1k−+k3+k2kΩ2Ω2 )2 и kопт = 0,322.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-50-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

Эмиттерная коррекция (ЭК) – основной вид коррекции в транзисторных усилителях (рис. 6.4, рис. 6.5).

ЭК позволяет:

1.Стабилизировать коэффициент усиления за счет ООС по току (Rэ ).

2.Повысить входное сопротивление (добавляется Rэ (β+1), что

уменьшает габариты разделительного конденсатора на входе блокировочных конденсаторов в эмиттере и улучшает согласование с источником сигнала.

3. Получить выигрыш в площади усиления (соизмерим с выигрышем при параллельной коррекции).

VT1

VT

VT1

R

~

Скор

R'~

С

Rэ0

Cкор

С

Rд

бл1

С

Cбл2

б

а

Рис. 6.4. Принципиальные схемы ЭК

Простейшая цепь коррекции отличается от цепи эмиттерного автосмещения только величинами Rэ и Скор . Емкость конденсатора берут такой, что-

бы его влияние сказывалось только в области частот, где необходимо осуществить коррекцию АЧХ. Влияние емкости Скор показано на рис. 6.5.

Анализ влияния эмиттерной коррекции на частотные характеристики коэффициента передачи можно проводить двумя способами. При анализе эмиттерной коррекции удобно рассматривать каскад с ОЭ с частотнозависимой ООС:

K(ω)j

= K ( ω)j

K(

ω),j

β = K

( jω),

К

э

Скор = ∞

вх

н

Kβ = K( jω) Kэ

( jω),

К > 4,14

Скор = 0

где

K

вх

(ω)j

=

Kвх0(ω)j

;

K

н

(ω)j =

Kн0(ω)j

;

К0

0

f

1ωτ+ j

в

1ωτ+ j

н

Kэ (ω)j

=

K0э(ω)j

.

Рис. 6.5. АЧХ усилителя

в области НЧ при различных

1ωτ+ j

э

значениях Скор

НЧ-коррекция

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-51-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

Известно, что развязывающий фильтр по питанию в цепи коллектора (рис. 6.6) может выполнять роль элемента НЧ-коррекции.

С понижением частоты сопротивление Cф увеличивается, следовательно, уменьшается степень шунтирования сопротивления Rф сопротивлением конденсатора Cф . Это приводит к росту суммарного сопротивления нагрузки каскада по переменному току Rн и, следовательно, к росту коэффициента усиления. Так, на средних частотах Rн = Rк , а на частотах f →0

Rн →(Rк + Rф) .

Характеристики АЧХ при НЧ-коррекции представлены на рис. 6.7. Усиление на НЧ падает из-за наличия разделительных и блокировоч-

ных конденсаторов. При этом можно выбрать Cф таким образом, чтобы скомпенсировать влияние на коэффициент усиления Cр и Cбл .

Rф

Сф

|Y|

Сфопт

Сф <

Rк

Ср

1

Сфопт

VT1

Сф = ∞

Rн

0

	Рис. 6.6. Цепь	Рис. 6.7. АЧХ в области НЧ
	коллектора
		при различных
	с фильтром Rф, Сф
		значениях Сф

Для построения широкополосных усилителей используют специальные типы каскадов (ОЭ– ОБ, ОЭ– КП) с коррекцией, которые позволяют на порядок увеличить площадь усиления по сравнению с простым реостатным каскадом.

Специальные типы каскадов с коррекцией позволяют увеличить полосу пропускания в области НЧ или ВЧ. В соответствии с этим коррек цию подразделяют на НЧ и ВЧ, на простую и сложную. В основном используется простая параллельная коррекция.

При простой параллельной коррекции в выходную цепь усилительного каскада включают индуктивность. Индуктивность совместно с емкостью нагрузки образует параллельный колебательный контур, что приводит к росту сопротивления нагрузки и подъему АЧХ в области верхних частот. Простая параллельная коррекция индуктивностью используется в ламповых каскадах и каскадах на полевых транзисторах.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-52-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

Основной вид коррекции в усилительных каскадах на транзисторах – коррекция эмиттерной противосвязью. Выигрыш в площади усиления примерно такой же, как и в случае простой параллельной коррекции.

Заданиедляпрактическихрасчетов

1.Рассчитать элементы высокочастотной коррекции.

2.Рассчитать элементы низкочастотной коррекции.

Порядоквыполненияпрактическогозадания

1. Расчет элементов высокочастотной коррекции

Значения эквивалентных постоянных времени каскадов [1, с. 121–127]:

				τ	эi	=		Ki			;
								2πП
										i
τ			=	с;12,2					= 7,27 10−9
		э1		2π 267 106
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

	τ0 =	(Rгτ+Сrб'бβ) ( б'э + ) Rн б'к		=
		Rг +rб'б +rб'э + Rэ (β+1)
=	(605 +160) (2,58 10−8		+80 502 1,78 10−12 )		=1,87	−8	.
	605 +160 +523		+33,2 (80 +1)			10с

Значения корректирующих емкостей:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-53-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

	τ0эi					τ i		2
Сэi = Ki			1						−1
					+					;
	Rэi
						τ0i

7,27 10−9

Сэ1 = 0,85

(

2 −1)=80

.

пФ32

1,83 10−8

2 −1)=195 .

Сэ2 = 0,85

34пФ (

Сэ3 = 0,85

1,83

10−8

1,91 10−8

= 204

.

пФ

1+

−8 −1

32

1,87 10

2. Расчет элементов низкочастотной коррекции

Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах выбраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области низких частот:

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

1

670 6200

Rэнδэ= R

+

б r б'э+ r +

= 33,2 +

Ом160, +523 +

= 49

б'

R

+ R

80+1

670+6200

β+1

кпр

бсв

найдем значения разделительной на выходе и эмиттерной блокировочной емкостей:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-54-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

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

	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:

1

τ

р

= τ

нi

1+

1

+с

;1

= 0,0494 1+1+

= 0,121

αвх2

0,52

α2э

τвх = τр с=;0,121

τэ = α τр = 0,5 0,121с; = 0,061

эквивалентные сопротивления:

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-55-

1. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Практическое занятие № 6 Расчет элементов, влияющих на формирование АЧХ и ФЧХ каскадов усилителя

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 .

На этом расчет элементов частотной коррекции можно считать законченным. Но надо помнить, что далее необходимо рассчитать индивидуальные частотные характеристики каскадов и частотные характеристики усилителя в целом.

 Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания к практ. занятиям

-56-