Схемотехника (курсовая)

Выбираем R4 = 2.7 кОм.

Тогда ток делителя:

Д2 = 4З = 27001 = 2.5 10−4 = 0.37мА

Сопротивление резистора:

3 = ( 0 − З) = 24.3 кОм

Д2

Всоответствии с номинальным рядом выбираем: R3 = 24 кОм.

3.1.3Расчет по постоянному току каскадов на биполярных

транзисторах V3, V4

Биполярный транзистор КТ342Б имеет следующие параметры:

-транзистор биполярный кремниевый;

-UБЭ = 0.7 В;

-коэффициент усиления по току минимальный h21min = 200;

-коэффициент усиления по току максимальный h21max = 500;

-частота единичного усиления fТ = 300 МГц;

-максимальный постоянный ток коллектора Iк max = 50 мА;

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max = 25 В;

-постоянная времени цепи обратной связи τк = 300 пс;

-ёмкость коллекторного перехода Cк = 8 пФ;

-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе Pк = 250 мВт.

Рисунок 5. Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току

Для расчёта сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10, R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4 (рис. 5).

11

Ток покоя транзистора V4 должен быть К4 ≤ 6 мА. Выбираем К4 = 6 мА. Учитывая, что переменный коллекторный ток транзистора V3 меньше, чем переменный ток коллектора V4, можно выбрать постоянный коллекторный ток К3 ≤ К4. Выбираем К3 = 5 мА.

Напряжение коллектора-эмиттера V4:

0 10кэ,4 = 2 = 2 = 5 В

Напряжение на эмиттере V4:

Э4 = 0.1 0 = 0.1 ∙ 10 = 1 В

Определяем напряжение:

Б4 = Э3 = Э4 + БЭ = 1 + 0.7 = 1.7 В

Напряжение на базе V3:

Б3 = Э3 + БЭ = 1.7 + 0.7 = 2.4 В

Напряжение на коллекторе V4:

К4 = Э4 + КЭ,4 = 1 + 5 = 6 В

Для вычисления токов базы Б3

и Б4 и дальнейших коэффициентов

передачи по току h21,3

и h21,4

определим с учётом их крайних значений

h21 = √h21min ∙ h21max = √200 ∙ 500 = 316.228

5 10−3

=

К3

=

= 0.01581 мА

Б3

21

316.23

6 10−3

=

К4

=

= 0.01897 мА

Б4

21

316.23

Тогда

Э3 = К3 + Б3 = 5.016 мА

Э4 = К4 + Б4 = 6.019 мА

При больших h21

принимают равными Э3 ≈ К3, Э4 ≈ К4.

Теперь вычислим сопротивление R9, R10 и R11:

1.7

R9 =

Э3

=

= 338.9 Ом

5.0158 10−3

Э3

12

R10 =	( 0 − К4)				=	(10 − 6)		= 666.67 Ом
		К4				6
						1
R11 =		Э4	=				= 166.14 Ом
				6.019 10−3
		Э4

Для вычисления сопротивлений R7 и R8 нужно определить ток делителяД3. Обычно его выбирают Д3 ≥ 10 Б3. Следовательно,

Д3 ≥ 10 ∙ 0.0158 = 0.158 мА

Тогда:

7 =	( 0 − Б3)	=			(10 − 2.5)			=	7.5		= 43.7 кОм
			(0.158 + 0.0158 )						0.1738
	( Д3 + Б3)
	R8 =			Б3	=	2.4	= 15.18 кОм
					0.158
				Д3

В соответствии с номинальным рядом получаем:

R7 = 43 кОм , R8 = 15 кОм , R9 = 330 Ом , R10 = 680 Ом , R11 = 160 Ом.

3.1.4 Расчёт по постоянному току в схеме на ОУ

Этот расчёт сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны они должны обеспечить «среднюю

точку» напряжения питания 0 на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны

2

их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого:

12 = 13 = 5 ∙ 10 = 5 ∙ 680 = 3400 Ом.

По шкале номинальных значений получаем: R12= R13= 3.3 кОм.

3.1.5 Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютера

Правильность расчетов сопротивлений можно проверить с помощью компьютера. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 5) необходимо преобразовать в эквивалентную схему по

13

постоянному току,	заменяя	биполярные	транзисторы	активными
четырехполюсниками	типа	ИТУТ (рис.6,	б), где 11 −	входное
сопротивление биполярного транзистора на постоянном токе.

Рисунок 6. Определение входного сопротивления (а) и эквивалентная схема биполярного транзистора (б) по постоянному току

Далее составляем эквивалентную схему усилителя на биполярных транзисторах (рис.7) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R12 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер

транзисторов V3 и V4 H11,3 и H11,4 по постоянному току (рис. 6). Их величины равны:

БЭ6 = 11,3 = Б3 = 44.3 кОм.

БЭ12 = 11,4 = Б4 = 36.9 кОм.

Рисунок 7. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току

14

С помощью команды «Анализ по постоянному току» в схеме рис. 7 вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах. В табл. 6 вносим все результаты без учёта знака.

								Таблица 6
Параметр			V3				V4
Токи и напряжения	Б3, В	Э3, В		Д2, мА	Э3, мА	Э4, В	К4, В		К4, мА
Расчёт предварительный	2.4	1.7		0.1442	5.016	1	6		6
Компьютерный	2.406	1.689		0.1604	5.118	0.978	5.856		6.113

4. Расчет по сигналу

Этот расчет также проведем при помощи программы Fastmean. Чтобы определить свойства усилителя по сигналу, необходимо составить эквивалентную схему усилителя для переменного тока.

Учитывая, что сопротивление источника питания 0 переменному току равно нулю, на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторов R2, R3, R5, R7, R10 (рис.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом. Коллектор транзистора V3 также соединяется с общим проводом. Далее нужно элементы схемы V1, V2, V3, V4 и AD1 заменить их эквивалентными моделями на переменном токе. Источником сигнала является фототок Im1 диода V1. Сопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольтамперной характеристике в точке А. Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному току Д = ∆ /∆ оказывается значительно больше, чем сопротивление постоянному току Д , и Д достигает 80…100 МОм. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока. Чрезвычайно большое сопротивление Д учитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается учесть лишь ёмкость фотодиода Д (рис.8, а). На рис.8,б изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

15

Рисунок 8. Модель фотодиода на переменном токе (а) и эквивалентная схема входной цепи (б)

На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН - источник тока, управляемый напряжением (рис.9,а). Это значит, что выходной ток (ток стока ic) управляется входным напряжением (затвор-исток UЗИ ), т.е.

= − ∙ ЗИ = −9 10−3 ∙ (−1) = 9 мА

В данной модели СЗИ − емкость затвор-исток транзистора, пФ, СЗС − проходная емкость, емкость перехода затвор-сток, пФ. Величина этих ёмкостей дается в справочниках по транзисторам. S – крутизна в точке покоя, мА/В. Сопротивление перехода затвор-исток ЗИ очень велико.

Рисунок 9. Эквивалентная модель транзисторов по сигналу: а) полевого – V2 (ИТУН);

б) биполярного – V3 (ИТУТ)

Биполярные транзисторы V3 и V4 заменяем каждый активным

четырехполюсником типа ИТУТ (источник тока, управляемый током,						рис.
9, б).
В этой модели б’б − объёмное				сопротивление базового слоя, Ом.
Находим его из выражения	=	к	. С	к	− ёмкость коллекторного перехода,
б’б		Ск

пФ, приводится в справочниках.

кб’б = Ск = 37.5 Ом = 16 = 18

Сопротивление перехода база-эмиттера это б’э, Ом, вычисляется так:

	= (1 +		) ∙	25 10−3	,
		21
б’э				к

16

где 21 − коэффициент усиления по току транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

б’э,3 = (1 + 21) ∙	25 10−3
		= 1586 Ом = 17
	к
б’э,4 = (1 + 21) ∙	25 10−3
		= 1322 Ом = 19
	к

Ёмкость перехода база-эмиттер б’э, пФ, вычисляется по выражению:

21

б’э = 2 Т б’э ,

где Т – частота единичного усиления из справочника.

21

б’э3 = 2 б’э,3 = 105.8 пФ

21

б’э4 = 2 б’э,4 = 126.9 пФ

Рисунок 10. Схема для определения частотных характеристик ОУ без ОС

АЧХ (без ОС)

17

ФЧХ (без ОС)

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

МОм

МОм

кОм

кОм

Ом

Ом

кОм

кОм

Ом

Ом

Ом

1

2

36

3.9

820

560

43

15

330

680

160

R12

R13

R14

R15

R16

R17

R18

R19

R20

R21

R22

кОм

кОм

кОм

кОм

Ом

кОм

Ом

кОм

кОм

кОм

кОм

3.3

3.3

5.1

1.8

37.5

1.59

37.5

1.32

1

1

3

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

С9

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

пФ

5

5

5

5

5

5

5

5

1

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

C17

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

пФ

нФ

пФ

5

1.5

105.8

8

126.9

8

0.236

0.398

Соединив модели активных элементов согласно принципиальной схеме (рис.1), получаем эквивалентную схему усилителя по сигналу для всех диапазонов частот (рис. 10). Номера внешних резисторов R1-R15 и конденсаторов C1-C8 этой схеме соответствуют номерам резисторов и конденсаторов принципиальной схемы (рис. 1).

18

Рисунок. 11. Полная эквивалентная схема усилителя

19

Остаются неизвестными значения резисторов R14 и R15, поскольку не определён коэффициент усиления каскада на ОУ = 21/ 13. Напряжение21 = 2 , задано в табл. 3. Напряжение 13 определяем, активировав клавишу « переходный процесс», установив предварительно в источнике сигнала ток m1 = 1 мкА и среднюю частоту заданного диапазона f = 100 кГц.

Искомый коэффициент усиления будет:

К = 1.41 ∙	2	= 1.41 ∙	2.5	= 1.34
	13	2.63

Отсюда:

15 1.7 10314 = К − 1 = 1.34 − 1 = 4.996 кОм,

где 15 = 12/2 = 1.7 кОм.

В соответствии с номинальным рядом получаем:

R14 = 1.8 кОм, R15 = 5.1 кОм

Теперь можно определить частотные свойства всего усилителя с помощью Fastmean. Придав элементам схемы рис. 10 соответствующие значения можно определить зависимость сопротивления передачи от частоты( ) = ВЫХ/ 1. Для этого в диалоговом окне набираем (21)/ 1. В связи с тем, что исследуемая функция не безразмерная, представлять её в децибелах, как коэффициент усиления, нельзя. Шкалы по X и Y устанавливаем логарифмическими.

20