Skhemotekhnika_139030
.pdfКурсовой проект №1 вариант 030
Проектное задание представляет собой технические условия, по которым надлежит спроектировать многокаскадный усилитель на транзисторах.
1. Данные для проектирования:
Параметры транзистора предварительного каскада заданы в таблице 1, параметры транзисторов последующих каскадов заданы в таблице 2, параметры источника сигнала заданы в таблице 3.
|
|
|
Таблица 1 |
|
№ |
Параметр |
Описание параметра |
|
КП307А |
п/п |
|
|||
|
|
|
|
|
1. |
Iс нач |
Начальный ток стока |
|
6мА |
2. |
Smax |
Крутизна характеристики полевого транзистора максимальная |
|
9мА/В |
3. |
Uотс |
Напряжение отсечки |
|
-3В |
4. |
Uзи |
Напряжение затвор-исток |
|
-1В |
5. |
Сзи |
Входная емкость полевого транзистора |
|
5пФ |
6. |
Cзс |
Проходная емкость полевого транзистора |
|
1,5пФ |
|
|
|
Таблица 2 |
|
№ |
Параметр |
Описание параметра |
|
КТ325В |
п/п |
|
|||
|
|
|
|
|
1. |
Iк max |
Максимально допустимый постоянный ток коллектора |
|
30мА |
2. |
Uкэ max |
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор- |
|
15В |
эмиттер при сопротивлении в цепи база-эмиттер |
|
|||
|
|
|
|
|
3. |
Pк max |
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность |
|
225мВт |
коллектора |
|
|||
|
|
|
|
|
4. |
h21э |
Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора |
|
160…400 |
в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером |
|
|||
|
|
|
|
|
5. |
fгр |
Граничная частота коэффициента передачи тока |
|
1000МГц |
6. |
Ск |
Емкость коллекторного перехода |
|
2,5пФ |
7. |
τк |
Постоянная времени цепи коллектора |
|
125пс |
|
|
|
Таблица 3 |
|
№ |
Параметр |
Описание параметра |
|
ФДК-227 |
п/п |
|
|||
|
|
|
|
|
1. |
Uраб |
Рабочее напряжение |
|
10В |
2. |
Iтем |
Темновой ток |
|
0,1мкА |
3. |
I1 |
Фототок |
|
1мкА |
-сопротивление внешней нагрузки R2Н=1кОм;
-напряжение источника питания Е0=9В;
-рабочий диапазон частот fн√2=10кГц, fв√2=1МГц;
-конденсаторы С1-С6=1мкФ;
-ток источника сигнала I1=1мкА;
-емкость внешней нагрузки С7=5пФ.
2. Описание принципиальной схемы многокаскадного усилителя.
Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 1. Источником сигнала является ток фотодиода V1. Если свет на фотодиод не падает, диод V1 закрыт и его внутреннее сопротивление велико. Вследствие этого источником сигнала является генератор тока. Элементы С1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е0). В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор, так как
он обладает меньшим уровнем собственных шумов. Входная цепь устройства образована входной суммарной емкостью, состоящей из проходной емкости Сд фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См, а также входным сопротивлением каскада V2. Хотя входное сопротивление транзистора V2 rзи велико, входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе (параллельным соединением резисторов R3 и R4). Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза fв√2. Биполярный транзистор V3, включенный по схеме общий коллектор (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлением. Транзистор V4 включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Внешней нагрузкой предварительного усилителя является входное сопротивление и входная ёмкость основного усилителя. Для учета их влияния подключена цепочка R12 и С7.
R2
С1 |
|
|
|
|
+Е0 |
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
R5 |
R7 |
|
R10 |
V1 |
|
|
|
|
С6 |
|
|
С4 |
|
|
|
|
|
|
|
V3 |
Выход |
|
С2 |
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
V4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R6 |
С3 |
|
R11 С5 |
|
|
|
|
|
|
R1 |
R4 |
|
R8 |
R9 |
|
Рисунок 1 – Принципиальная схема усилителя
3. Расчет элементов схемы по постоянному току. 3.1. Расчет цепей питания фотодиода V1.
Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольтамперная характеристика приведены на рисунке 2.
+Е0
|
R2 |
Uк |
V1 |
|
|
Uа |
|
|
R1 |
|
Фотодиодный |
|
Фотовольтаический |
||||
|
режим |
|
|
режим |
|
|
|
Ризл |
|
|
|
|
|
|
Iф, мкА |
600 мкВт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
А |
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
Uсм, В |
-10 |
Uак |
-5 |
0 |
0,5 |
1,0 |
|
Рисунок 2 – Принципиальная схема цепей питания фотодиода и его ВАХ
2
Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода.
Выберем напряжение анод-катод фотодиода Uак =8В, |Uак|<E0<Uраб. Тогда на резисторах (R1+R2) должно быть падение напряжения, равное E0-Uак =1В. Задав напряжение на аноде:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uа |
0,1 Е0 |
|
|
|
|
|
|
(1.1) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
определяем по закону Кирхгофа напряжение на катоде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uк |
Uа |
Uак |
|
|
|
|
|
|
(1.2) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Теперь, зная фототок I1, вычислим сопротивление резисторов R1 и R2 по |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
Uа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.3) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
Е0 Uк |
|
|
|
|
|
|
|
(1.4) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Uа |
0,1 9 0,9В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Uк 0,9 8 8,9В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
R1 |
0,9 |
|
|
0,9 106 Ом 910кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
1 10 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
R2 |
|
9 8,9 |
0,1106 Ом 100кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
1106 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Сопротивление фотодиода постоянному току в точке А (рисунок 2) определим по |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RД |
|
|
|
Uак |
|
|
|
|
|
|
(1.5) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R |
|
|
|
|
8 |
|
|
8 106 Ом 8МОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
10 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираем из номинального ряда (таблица 4). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
|||
Класс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шкала номинальных значений сопротивлений и емкостей |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
точности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5% |
|
10 |
11 |
12 |
13 |
15 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
27 |
30 |
33 |
36 |
39 |
43 |
47 |
51 |
56 |
62 |
68 |
75 |
82 |
91 |
|||||||||||||||
10% |
|
10 |
|
|
12 |
|
|
15 |
|
|
|
18 |
|
|
|
22 |
|
27 |
|
33 |
|
39 |
|
47 |
|
56 |
|
68 |
|
82 |
|
|||||||||
3.2. Расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе. Принципиальная схема предварительного каскада представлена на рисунке 3
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Е0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IС, мА |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
IД2 |
|
|
|
IС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
IС нач |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
R3 |
|
|
|
R5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
UС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
||
|
|
U3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
UИ |
|
|
|
|
|
|
|
А |
IС |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
R4 |
|
|
|
R6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IД2 |
|
|
IИ=IC |
|
Uотс |
|
|
|
|
|
|
Uзи |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
|
Uзи |
|||||||||
Рисунок 3 – Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 и типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом.
Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 сначала необходимо рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: тока стока начального Ic нач, крутизны максимальной Smax и напряжения отсечки Uотс.
Выберем напряжение затвор-исток Uзи= -1В, Uзи ≤ Uотс/2. Тогда ток стока и крутизну вычислим по формулам:
|
|
|
|
|
|
|
Iс нач |
|
|
|
|
|
U |
зи |
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
|
Ic |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uотс |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
зи |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
S Smax |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Uотс |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
2 |
2,67 10 3 |
А 2,67 мА |
|||||||||||||
Ic 6 10 3 1 |
-3 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S 9 1 |
|
|
|
6мА / В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выберем напряжение на истоке Uи Тогда напряжение на стоке равно:
Uc Uи Uси
Uc 0, 2 9 92 6,3В
Напряжение на затворе:
Uз Uи Uзи
Uз 0, 2 9 (-1) 0,8В
(1.6)
(1.7)
= 0,2E0, а напряжение сток-исток Uси = E0/2.
(1.8)
(1.9)
Вычислим сопротивления резисторов. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4). Так как частота верхнего среза входной цепи fвх√2 должна быть больше fв√2, а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью:
C CД Cвх CМ |
(1.10) |
где Сд – проходная емкость диода;
Свх – входная емкость транзистора V2, определяется по формуле:
Cвх Cзи (S R5 1) Cзс |
(1.11) |
См– емкость монтажа.
4
Рассчитаем сопротивление R4, исходя из заданной верхней частоты fв√2 :
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
1 |
|
|
(1.12) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 fв C |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
|
Е0 |
|
Uз |
|
(1.13) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I Д 2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R6 |
Uи |
|
|
|
|
|
(1.14) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iс |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R5 |
|
Е0 |
|
Uс |
|
(1.15) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ic |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IД2 |
|
U з |
|
|
|
|
|
(1.16) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R4 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
R5 |
9 6,3 |
|
1011Ом 1кОм |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
2,67 10 3 |
|
|||||||||||||||||
R6 |
1,8 |
|
|
|
674Ом 680Ом |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
2,67 10 3 |
|
|
||||||||||||||||
C |
5 10 12 (6 10 3 1000 1) 1,5 10 12 |
1,55 10 11Ф 15,5пФ |
||||||||||||||||
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
10268Ом 10кОм |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
2 1 106 |
15,5 10 12 |
|||||||||||||||||
I |
|
|
0,8 |
|
0,8 10 4 А 0, 08мА |
|
||||||||||||
Д2 |
|
|
|
|||||||||||||||
10000 |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
|
9 0,8 |
102500Ом 100кОм |
|
||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
0,8 10 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3.3.Расчет каскадов по постоянному току на биполярных транзисторах V3 и V4. Принципиальная схема каскадов V3 и V4 на биполярных транзисторах
представлена на рисунке 4.
+Е0
|
|
|
|
IД3+IБ3 |
|
|
|
|
|
|
IК4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
R7 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R10 |
|||
UБ,3 |
|
|
IБ3 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
V3 |
|
|
UК,4 |
||||
|
|
|
UБ,4 |
|
|
IБ4 |
|
|
V4 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
UЭ,3 |
|
|
||||||
|
|
|
|
IД3 |
|
|
UЭ,4 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R9 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R11 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R8 |
|
IЭ3 |
|
|
IЭ4 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 – Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току
Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4.
5
Выберем ток покоя транзистора V4 Iк4 = 15мА ≤ Iк max/2. Так как переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше, чем переменный ток коллектора V4, выбираем
постоянный коллекторный ток Iк3 = 13мА ≤ Iк4. Напряжение коллектор-эмиттер V4 Uкэ,4=E0/2=4,5В и напряжение на эмиттере V4 Uэ4=0,1E0=0,9В, можно определить напряжение Uб4 по формуле:
|
Uб4 Uэ3 Uэ4 Uбэ |
(1.17) |
где Uбэ=0,7 В для кремниевых транзисторов. |
|
|
Напряжение на базе V3 определим по формуле: |
|
|
|
Uб3 Uэ3 Uбэ |
(1.18) |
Напряжение на коллекторе V4: |
|
|
|
Uк4 Uэ4 Uкэ,4 |
(1.19) |
Uб4 Uэ3 0,9 0, 7 1, 6В |
|
|
Uб3 |
1, 6 0, 7 2, 3В |
|
Uк4 |
0,9 4,5 5, 4В |
|
Вычислим сопротивления резисторов и токов в схеме. Сопротивления резисторов выбираем по номинальному ряду (таблица 4).
R9 Uэ3
Iэ3
R10 Е0 Uк 4
Iк 4
R11 Uэ4
Iэ4
Iэ3 Iк3 Iб3
Iэ4 Iк 4 Iб4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
Iк3 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h21min |
h21max |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
I |
к 4 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б4 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h21min |
h21max |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
R9 |
|
|
|
1,6 |
|
|
|
|
|
122,6Ом |
120Ом |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
13,05 10 3 |
|
|||||||||||||||||||||||||
R10 |
|
9 5,4 |
240Ом 240Ом |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
15 10 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
R11 |
0,9 |
|
|
|
|
|
59,8Ом |
62Ом |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
15,06 10 3 |
|
|||||||||||||||||||||||||
I |
э3 |
1310 3 |
5,14 10 5 |
13,05 10 3 |
А 13,05мА |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
э4 |
15 10 3 5,9310 5 |
15,06 10 3 |
А 15,06мА |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
|
|
|
|
13 10 |
3 |
5,14 10 5 |
А 51,4мкА |
||||||||||||||||||
б3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
160 400 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
I |
|
|
|
15 10 |
3 |
5,93 10 5 А 59,3мкА |
||||||||||||||||||||
б4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
160 400 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Ток делителя выберем: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
I |
Д 3 |
10 I |
б3 |
10 5,14 10 5 |
5,14 10 4 А 514мкА |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда:
(1.20)
(1.21)
(1.22)
(1.23)
(1.24)
(1.25)
(1.26)
6
|
|
R7 |
Е0 Uб3 |
|
(1.27) |
|||
|
|
I Д 3 Iб3 |
||||||
|
|
R8 |
Uб3 |
|
|
|
|
(1.28) |
|
|
I Д 3 |
|
|
|
|||
R7 |
9 2,3 |
|
|
|
11850Ом 12кОм |
|
||
|
|
|
|
|||||
5,14 10 5 |
5,14 10 4 |
|
|
|||||
R8 |
2,3 |
4474Ом |
4,7кОм |
|
||||
|
|
|||||||
5,14 10 4 |
|
|||||||
3.4. Проверка расчета на компьютере.
Правильность расчетов сопротивлений удобно проверить с помощью компьютера. С этой целью для схемы (рисунок 4) составляем эквивалентную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ. В программе Fastmean набираем эквивалентную схему (рисунок 5). Эта программа сама нумерует узлы и элементы схемы, чаще всего в порядке их набора. При расчете используем сопротивления резисторов, выбранные ранее по номинальному ряду.
Сопротивления R6 и R7 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4 по постоянному току.
R6 H |
|
|
U б3 |
|
|
0,7 |
|
13619Ом 13,6кОм |
||
11,3 |
|
|
5,14 10 5 |
|||||||
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
б3 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R7 H |
|
|
U б4 |
|
|
0,7 |
|
11804Ом 11,8кОм |
||
11,4 |
|
|
5,93 10 5 |
|
||||||
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
б4 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 5 – Эквивалентная схема усилительного каскада по постоянному току в программе Fastmean.
7
Рисунок 6 – Результаты расчета на ПК Сравним результаты расчетов и заполним таблицу 5.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5 |
|
№п/п |
|
Транзистор V3 |
|
|
Транзистор V4 |
||||
Токи и |
Uб3 |
Uэ3 |
IД3 |
Iэ3 |
Uэ4 |
|
Uк4 |
|
Iк4 |
напряжения |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Единицы |
В |
В |
мкА |
мА |
В |
|
В |
|
мА |
измерения |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет |
2,3 |
1,6 |
514 |
13,05 |
0,9 |
|
5,4 |
|
15 |
предварительный |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет |
2,35 |
1,62 |
500 |
13,5 |
0,929 |
|
5,42 |
|
14,9 |
компьютерный |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Результаты совпадают с большой точностью (менее 4%). Можно считать, что расчет всех элементов схемы по постоянному току сделан правильно.
4. Расчет усилителя на переменном токе.
4.1. Расчет коэффициента усиления по току Ki(f) в режиме малого сигнала.
Расчет проведем при помощи программы Fastmean. Для этого составим полную эквивалентную схему усилителя на переменном токе (для всех диапазонов частот). На первом этапе выводы источника питания Е0 на эквивалентной схеме можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить, так как его сопротивление переменному току равно нулю. После этого верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом и эквивалентную схему удобно изобразить в виде, показанном на рисунке 7. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом.
8
|
|
|
|
|
|
|
|
С6 |
|
|
|
|
|
С4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V3 |
|
Выход |
|
|
С2 |
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V4 |
|
V1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
R1 |
R3 |
R4 |
R6 |
R5 R7 R8 |
R9 |
|
R10 |
|
|
|
|
|
|
R11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С1 |
|
|
|
С3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 7 – Предварительная схема усилителя на переменном токе
На втором этапе элементы схемы V1, V2, V3 и V4 заменяются их эквивалентными моделями на переменном токе. Транзисторы заменяются активными четырехполюсниками в виде ИТУН и ИТУТ (рисунок 8). Минусы перед показателями передаточных функций отражают поворот фазы сигнала. В схеме ИТУН сопротивление rзи велико и учитывать его нет необходимости. В схеме ИТУТ необходимо учитывать внутренние емкости: емкости переходов база-эмиттер Сб’э и база-коллектор Ск.
Сб'э |
|
h |
21 |
(2.1) |
|
2 f |
Т rб'э |
||||
|
|
|
Существенную роль играют сопротивления переходов база-эмиттер rб’э сопротивления базового слоя (объёмное сопротивление базы) rб’б, определим их формулам:
rб'б |
|
к |
|
|
|
|
(2.2) |
Ск |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
r |
(1 h |
|
) |
25(мВ) |
(2.3) |
||
|
|
||||||
б'э |
|
|
|
21 |
|
Iк (мА) |
|
и
по
Входное сопротивление биполярного транзистора на переменном токе
определяется формулой: |
|
h11 rб'б rб'э |
(2.4) |
Рисунок 8 – Эквивалентные модели полевого и биполярного транзисторов для переменного тока.
Сопротивление фотодиода на переменном токе rд оказывается намного выше, чем на постоянном Rд, поскольку также определяется касательной к характеристике в точке покоя А, но характеристика в фотодиодном режиме пологая (рисунок 2). Практически всегда можно считать, что сопротивление на переменном токе rд бесконечно велико и на эквивалентной схеме не показывать.
9
Рисунок 9 – Полная эквивалентная схема по переменному току
Сопротивления резисторов в схеме имеют следующие номинальные значения: Таблица 6
R1 |
R2 |
R3 |
R4 |
R5 |
R6 |
R7 |
R8 |
R9 |
R10 |
R11 |
кОм |
кОм |
кОм |
кОм |
кОм |
Ом |
кОм |
кОм |
Ом |
Ом |
Ом |
910 |
100 |
100 |
10 |
1 |
680 |
12 |
4,7 |
120 |
240 |
62 |
Элементы, R12-R16 не являются резисторами, как показано на рисунке 9, они отражают эквивалентные сопротивления: внешней нагрузки (R12), собственные сопротивления базового слоя rб'б (R13, R15) и сопротивления перехода база-эмиттер rб'э
(R14,R16). Рассчитаем их: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
R13 R15 r |
|
125 10 12 |
50Ом |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
б'б |
|
|
|
|
2,5 10 12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
25(мВ) |
|
488,43Ом |
||||||||||||||||
R14 r |
|
|
(1 |
160 400 |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
б'э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13(мА) |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
) |
25(мВ) |
423,3Ом |
|
||||||||||||||||||
R16 r |
|
|
(1 |
160 400 |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
б'э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15(мА) |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Рассчитаем емкости в схеме: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
С10 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
160 400 |
|
|
|
|
|
8,24 |
10 11Ф 82,4пФ |
|||||||||||
б'э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2 1000 106 488,43 |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
С8 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
160 400 |
|
|
9,51 10 11Ф |
95,1пФ |
|||||||||||||||
б'э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
2 1000 106 |
423,3 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Значения дополнительных емкостей приведены в таблице 7:
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7 |
С7 |
С8 |
С9 |
С10 |
С11 |
С12 |
С13 |
С14 |
пФ |
пФ |
пФ |
пФ |
пФ |
пФ |
пФ |
пФ |
5 |
95,1 |
2,5 |
82,4 |
2,5 |
5 |
1,5 |
1 |
4.2. Построение амплитудно-частотной характеристики
Используя программу Fastmean, получаем АЧХ коэффициента передачи тока Ki(f)=I(R12)/I1. Зависимость модуля функции передачи от частоты принято строить в децибелах по оси Y и в логарифмическом масштабе по оси частот. На рисунке 10 представлена АЧХ коэффициента усиления тока.
10