Схемотехника (курсовая) Алексеев А.Г
..pdfгде СД − проходная ёмкость диода, равная 1 пФ, СВХ − входная ёмкость транзистора V2, СМ − ёмкость монтажа, равная 1 пФ.
СВХ определяется по формуле:
СВХ = СЗИ + ( ∙ 5 + 1) ∙ ЗС = 1.217 10−11 = 20 пФ
В соответствии с номинальным рядом получаем: СВХ = 20 пФ Отсюда получаем:
С = СД + СВХ + СМ = 1 + 12 + 1 = 22 пФ
1
То можно заключить, что необходимо взять R4 ≤ .
(2πfв√2∙C)
Следовательно:
1 |
|
|
1 |
|
|
= 3.617 103 |
|
|
R4 ≤ |
|
|
= |
|
|
|
= 3617 Ом |
|
|
|
6 |
|
−12 |
||||
|
(2πfв√2 |
∙ C) |
2 3.14 2 10 |
14 10 |
|
|
|
Выбираем R4 = 3.6 кОм.
Тогда ток делителя:
|
|
|
= |
З |
|
|
= |
1.4 |
= 3.87 10−4 = 0.39 мА |
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
Д2 |
|
4 |
|
3600 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Сопротивление резистора: |
|
||||||||||
3 = |
( 0 − З) |
= |
|
(12 − 1.4) |
= 2.74 104 = 27.4 кОм |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
0.39 10−3 |
||||
|
|
Д2 |
|
|
|
|
|
Всоответствии с номинальным рядом получаем: R3 = 27 кОм.
3.1.3.Расчет по постоянному току каскадов на биполярных
транзисторах V3, V4.
Биполярный транзистор КТ375А имеет следующие параметры:
-транзистор биполярный кремниевый;
-UБЭ = 0.7 В;
-коэффициент усиления по току минимальный h21min = 300;
-коэффициент усиления по току максимальный h21max = 60;
-частота единичного усиления fТ = 250 МГц;
-максимальный постоянный ток коллектора Iк max = 10 мА;
- |
максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max = 30 В; |
- |
постоянная времени цепи обратной связи τк = 300 пс; |
|
11 |
-ёмкость коллекторного перехода Cк = 8 пФ;
-допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе Pк = 250 мВт.
Рис. 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).
Ток покоя |
транзистора V4 должен быть К4 |
≤ 6 мА. Выбираем К = |
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 12кэ,4 = 2 = 2 = 6 В
Напряжение на эмиттере V4:
Э4 = 0.1 0 = 0.1 ∙ 12 = 1.2 В
Определяем напряжение:
Б4 = Э3 = Э4 + БЭ = 1.2 + 0.7 = 1.9 В
Напряжение на базе V3:
Б3 = Э3 + БЭ = 1.9 + 0.7 = 2.6 В
Напряжение на коллекторе V4:
К4 = Э4 + КЭ,4 = 1.2 + 6 = 7.2 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 = √300 ∙ 60 = 134.164
12
Б3 = К3 = 5 10−3 = 0.037 мА21 134.164
Б4 = К4 = 6 10−3 = 0.045 мА21 134.164
Тогда:
Э3 = К3 + Б3 = 5 + 0.037 = 5.037 мА
Э4 = К4 + Б4 = 6 + 0.045 = 6.045 мА
При больших h21 принимают равными Э3 ≈ К3, Э4 ≈ К4. Теперь вычислим сопротивление R9, R10 и R11:
|
|
|
|
|
|
|
1.9 |
|
|
|
|
||||
R9 = |
|
|
Э3 |
= |
|
|
|
= 377.189 Ом |
|||||||
|
|
|
5.037 10−3 |
||||||||||||
|
|
Э3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
( |
− |
) |
|
(12 − 7.2) |
|
||||||||
R10 = |
|
|
0 |
|
|
К4 |
|
= |
|
|
|
= 800 Ом |
|||
|
|
|
|
|
|
|
6 10−3 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
К4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.2 |
|
|
|
|
||
R11 = |
Э4 |
= |
|
= 198.52 Ом |
|||||||||||
|
6.045 10−3 |
||||||||||||||
|
|
|
Э4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для вычисления сопротивлений R7 и R8 нужно определить ток делителя Д3. Обычно его выбирают Д3 ≥ 10 Б3. Следовательно,
Д3 ≥ 10 ∙ 0.037 = 0.37 мА
Тогда:
7 = ( 0 − Б3) = 22.93 кОм ( Д3 + Б3)
R8 = Б3 = 6.977 кОмД3
В соответствии с номинальным рядом получаем:
R7 = 22 кОм , R8 = 6.8 кОм , R9 = 390 Ом , R10 = 820 Ом , R11 = 200 Ом.
13
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 0/2 на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого:
12 = 13 = 5 ∙ 10 = 5 ∙ 820 = 4 кОм
По шкале номинальных значений получаем: R12 = R13 = 3.9 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 |
|||||
постоянному |
току, |
заменяя |
биполярные |
транзисторы |
активными |
четырехполюсниками |
типа |
ИТУТ (рис.6, |
б), где 11 − |
входное |
|
сопротивление биполярного транзистора на постоянном токе. |
|
Рис. 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:
6 = = |
БЭ |
= |
|
|
0.7 |
|
= 18.78 кОм. |
|
|
|
0.037 10−3 |
||||||
11,3 |
|
|
||||||
|
Б3 |
|
|
|
|
|||
12 = |
= |
БЭ |
|
= |
0.7 В |
= 15.65 кОм. |
||
|
|
|
||||||
11,4 |
|
Б4 |
|
0.045 мА |
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
14 |
|
|
Рис. 7. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току.
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 |
2.6 |
1.9 |
|
0.3511 |
5.037 |
1.2 |
7.2 |
6 |
Компьютерный |
2.64 |
1.942 |
|
0.3883 |
4.98 |
1.23 |
6.994 |
6.15 |
15
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 m1 диода V1. Сопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольт-амперной 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.
Рис. 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.
16
Рис. 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. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
= |
к |
= |
300 10−12 |
= 60 Ом = 16 = 18 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
б’б |
|
Ск |
|
|
5 10−12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Сопротивление перехода база-эмиттера это б’э, Ом, вычисляется так: |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= (1 + |
|
|
) ∙ |
25 10−3 |
, |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
б’э |
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где 21 − коэффициент усиления по току транзистора, включённого по |
|||||||||||||||||||||||
схеме с общим эмиттером (ОЭ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
б’э,3 = (1 |
+ 21) ∙ |
25 10−3 |
= (1 + 134.164) |
∙ |
25 10−3 |
|
= 675.82 Ом = 17 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
5 10−3 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б’э,4 = (1 |
+ 21) ∙ |
25 10−3 |
= (1 + 134.164) |
∙ |
25 10−3 |
|
= 563.2 кОм = 19 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
6 10−3 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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.
б’э3 = |
|
21 |
|
= |
134.164 |
|
|
= 126.4 пФ |
|
2 |
2 ∙ 3.14 ∙ 250 106 ∙ 675.82 |
||||||||
|
|
б’э,3 |
|
|
|
|
|
|
|
б’э4 = |
|
21 |
= |
|
316.228 |
|
= 151.7 пФ |
||
|
2 |
|
2 ∙ 3.14 ∙ 250 106 ∙ 563.2 |
||||||
|
|
б’э,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
|
|
Рис. 10. Схема для определения частотных характеристик ОУ без ОС.
R1 |
R2 |
|
R3 |
|
R4 |
|
R5 |
|
|
R6 |
|
R7 |
|
|
|
R8 |
|
|
R9 |
|
R10 |
R11 |
|||||||||
МОм |
МОм |
|
кОм |
|
кОм |
|
кОм |
|
|
Ом |
|
кОм |
|
|
|
кОм |
|
|
Ом |
|
Ом |
Ом |
|||||||||
1.2 |
1.8 |
|
27 |
|
3.6 |
|
1 |
|
|
|
680 |
|
22 |
|
|
|
6.8 |
|
|
390 |
|
820 |
200 |
||||||||
R12 |
R13 |
|
R14 |
|
R15 |
|
R16 |
|
|
R17 |
|
R18 |
|
|
|
R19 |
|
R20 |
|
R21 |
R22 |
||||||||||
кОм |
кОм |
|
кОм |
|
кОм |
|
Ом |
|
|
Ом |
|
Ом |
|
|
|
Ом |
|
кОм |
|
кОм |
кОм |
||||||||||
3.9 |
3.9 |
|
4.3 |
|
2 |
|
62 |
|
675.8 |
|
62 |
|
|
563.3 |
|
|
1 |
|
1 |
3 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
C1 |
|
C2 |
|
C3 |
|
C4 |
|
|
C5 |
|
C6 |
|
|
|
C7 |
|
|
C8 |
|
С9 |
|
|||||||||
|
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
|
пФ |
|
||||||||||||||
|
3 |
|
3 |
|
3 |
|
3 |
|
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
3 |
|
|
3 |
|
1 |
|
||||||||
|
|
|
C10 |
|
C11 |
|
C12 |
|
C13 |
|
C14 |
|
C15 |
|
C16 |
|
|
C17 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
пФ |
|
пФ |
|
пФ |
|
пФ |
|
пФ |
|
|
|
пФ |
|
нФ |
|
|
пФ |
|
|
|
||||||||
|
|
|
5 |
|
1.5 |
|
126.4 |
|
5 |
|
151.7 |
|
|
5 |
|
0.236 |
|
0.398 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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).
Рис. 11. Полная эквивалентная схема усилителя.
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.
19
Искомый коэффициент усиления будет:
К = 1.41 ∙ |
2 |
|
= 1.41 ∙ |
2.3 |
= 1.184 |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
13 |
2.74 |
|||||
|
|
|||||||
Отсюда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
2 103 |
|||||
14 = |
|
= |
|
= 10.89 кОм, |
||||
К − 1 |
1.184 − 1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
где 15 = 12/2 = 2 кОм.
В соответствии с номинальным рядом получаем:
R14 = 10 кОм, R15 = 2.4 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