![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Содержание
- •1 Биполярные транзисторы
- •1.1 Влияние дестабилизирующих факторов на свойства каскада
- •1.2 Анализ схем простейших усилительных каскадов
- •1.2.1 Каскад со смещением рт от источника тока
- •1.2.2 Каскад со смещением рт от источника напряжения
- •1.2.3 Определение нестабильности положения рт
- •1.3 Типовые схемы резистивных усилительных каскадов
- •1.3.1 Каскад с последовательной оос по току
- •1.3.2 Каскад с параллельной оос по напряжению
- •1.3.3 Сравнение основных типовых каскадов
- •2 Полевые транзисторы
- •2.1 Каскад с общим истоком
- •2.2 Каскад с общим стоком
- •3 Примеры расчета каскадов
- •3.1 Пример расчета усилителя напряжения с буферным каскадом на входе
- •3.1.1 Выбор схемы усилителя
- •3.1.2 Выбор типа транзистора
- •3.1.3 Расчет выходного каскада усилителя
- •3.1.4 Расчет входного каскада усилителя (эмиттерного повторителя)
- •3.2 Упрощенный расчет усилительного каскада
- •4 Активные фильтры
- •4.1 Общие сведения о фильтрах
- •4.2 Передаточная функция фильтра
- •4.3 Виды аппроксимации частотных характеристик
- •4.4 Каскадное проектирование активных фильтров
- •4.5 Выбор элементов активных фильтров
- •4.6 Особенности схем активных фильтров
- •5 Расчёт активных rc-фильтров нижних частот
- •5.1 Фильтр Баттерворта
- •5.2 Фильтр Чебышева
- •5.3 Выбор минимального порядка фильтра
- •5.4 Расчёт фнч второго порядка с мос
- •5.5 Расчёт фнч второго порядка на инун
- •5.6 Расчёт фнч первого порядка
- •6 Расчёт активных rc-фильтров верхних частот
- •6.1 Передаточная функция фвч
- •6.2 Расчёт фвч второго порядка с мос
- •6.3 Расчёт фвч второго порядка на инун
- •6.4 Расчёт фвч первого порядка
- •7 Расчёт полосовых активных rc-фильтров
- •7.1 Передаточная функция пф
- •7.2 Расчёт пф второго порядка с мос
- •7.3 Расчёт пф второго порядка на инун
- •8 Пример расчета активного rc-фильтра
- •8.1 Порядок расчета активных rc-фильтров нч или вч
- •8.2 Порядок расчета активных полосовых rc-фильтров
- •8.3 Пример расчета активного rc-фильтра вч
3.2 Упрощенный расчет усилительного каскада
В настоящее время для построения усилителей в основном применяют интегральные микросхемы. Кроме того, современные транзисторы обладают достаточно высокой стабильностью параметров и значительным коэффициентом усиления β. Поэтому в тех случаях, когда требования к усилителю невысоки, можно использовать упрощенный расчет.
Используем для расчета исходные данные из предыдущего примера.
Исходные данные для расчета:
1. Амплитуда входного сигнала eвх m = 20 мВ.
2. Внутреннее сопротивление источника входного сигнала Rд = 2 кОм.
3. Амплитуда выходного напряжения uвых m = 1 В.
4. Диапазон частот усиливаемого сигнала fн…fв = 300 Гц…10 кГц.
5. Коэффициенты допустимых частотных искажений Мн = Мв = 1,41.
6. Допустимый коэффициент температурной нестабильности Si ≤5.
7. Сопротивление нагрузки Rн = 1 кОм.
8. Емкость нагрузки Сн = 104 пФ.
Порядок расчета:
Расчет коэффициента усиления каскада.
Выбор транзистора.
Выбор рабочей точки.
Расчет сопротивления резистора R6.
Расчет сопротивления резистора R7.
Расчет делителя напряжения R4, R5.
Расчет коэффициента усиления каскада
Коэффициент усиления усилителя рассчитывается также как и в предыдущем примере и, с учетом использования для согласования эмиттерного повторителя, равен:
.
.
Для компенсации разброса параметров транзисторов, коэффициент усиления усилителя выберем с запасом на 25%:
К = 1,25 · К0 =
.
Выбор транзистора
Выбор транзистора производят из условий, аналогичных предыдущему примеру.
Выберем транзистор КТ3102А с параметрами:
- коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ h21Э = = 100…250;
- максимальный постоянный ток коллектора Iк max = 100 мА;
- максимальное напряжение на коллекторе Uк-э max = 50 В;
- верхняя граничная частота для схемы с общей базой fгр Б = fα = 100 МГц;
- емкость коллекторного перехода Ск ≤ 6 пФ.
- наибольшая рассеиваемая мощность Pк max = 250 мВт.
Выбор рабочей точки и расчет тока коллектора в рабочей точке Iк0
Рабочая точка выбирается таким образом, чтобы обеспечить наибольший коэффициент усиления при максимальной экономичности и при минимальных нелинейных искажениях.
Для этого необходимо выполнить следующие условия:
- ток в рабочей точке Iк0 должен быть больше переменной составляющей коллекторного тока iк т, т. е.
Iк0 > (1,1…1,5) iк т;
- переменная составляющая коллекторного тока iк т должна быть в 2…3 раза больше тока нагрузки (для уменьшения шунтирующего действия нагрузки), т. е.
iн т = uвых m / Rн = 1 В / 1 кОм = 1 мА;
выбираем iк т = 3 ∙ iн т = 3 мА; тогда Iк0 = 1,5 ∙ iк т = 1,5 ∙ 3 мА = 4,5 мА.
- входной сигнал должен полностью располагаться на линейном участке входной динамической характеристики.
По выходным рабочим характеристикам транзистора (рис. 3.6) находим минимальное напряжение Uк-э min, которое может определить нижнюю границу линейных свойств транзистора Uк-э min = 1 В.
Рис. 3.6. Выходные характеристики транзистора КТ3102А
Теперь необходимо выбрать напряжение питания транзисторных каскадов. Для данной схемы подойдет Еп = 12 В.
Положение рабочей точки транзистора нужно выбрать таким, чтобы транзистор мог обеспечить на выходе амплитуду 1 В. Следовательно, минимальное напряжение Uк-э0 должно быть больше или равно сумме Uк-э min и uвых m.
.
.
Можно увеличить это значение, но необходимо помнить, что существует и верхняя граница напряжения Uк-э0. Она определяется напряжением питания транзисторной схемы. Поэтому максимальное напряжение Uк-э0, которое можно использовать, будет равно разности между напряжением питания и амплитудой выходного сигнала и составит 11 В. Следовательно, можно задать любое напряжение Uк-э0, находящееся в пределах 2 < Uк-э0 < 11 В. Задаем Uк-э0 = 6 В.
Так как данный расчет является упрощенным, изображенные на рис. 3.6 выходные синусоидальные напряжение и ток показаны схематично без расчета точной амплитуды.
Расчет сопротивления резистора R6
Иногда, учитывая
незначительное падение напряжения на
R7, выбирают
,
тогда при выбранном Iк
находят
кОм (1,3 кОм по ряду
Е24).
Расчет сопротивления резистора R7
Зная коэффициент усиления каскада по напряжению
(20 Ом по ряду
E24).
Потенциал базы
,
где Uб-э = 0,7…0,8 В
для кремниевых транзисторов, работающих
на малых токах, и Uб-э = 0,8…0,9 В
для кремниевых транзисторов, работающих
на больших токах.
Расчет сопротивлений резисторов R4 и R5
Расчет схемы на приведенном рисунке: пусть = 100, Iк0 = 4,5 мА, Uк = Еп / 2, Еп = 12 В, тогда: Iб0 = Iк0 / = 4,5 / 100 = 0,045 мА. Ток эмиттера равен Iэ0 = Iб0 + Iк0 = 4,5 + 0,045 = 4,545 мА.
Примем значение
тока через резистор делителя напряжения
R5 равным
= 10 · Iб0 = 10 · 0,045 = 0,45 мА.
Тогда сопротивление резистора R5
можно найти по формуле
кОм
(1,8 кОм по ряду E24).
Ток через резистор
R4 будет равен
= Iб0 +
= 0,495 мА,
а сопротивление резистора
кОм
(22 кОм по ряду Е24).
Остальные элементы схемы определяются так же, как описано ранее. В итоге по результатам расчета имеем:
R1 = 20 кОм, R2 = 30 кОм, R3 = 1,3 кОм, R4 = 22 кОм, R5 = 1,8 кОм, R6 = 1,3 кОм, R7 = 20 Ом, C1 = 0,22 мкФ, C2 = 1,8 мкФ, C3 = 1 мкФ, C4 = 270 мкФ.
Проверим работу усилителя в программе Electronics Workbench 5.0. Так как в библиотеке программы отсутствуют транзисторы КТ3102А и их зарубежные аналоги, то для моделирования используем идеальный транзистор с измененным вручную коэффициентом усиления тока базы . Схема двухкаскадного транзисторного усилителя представлена на рисунке 3.7.
Рис. 3.7. Схема усилителя в программе Electronics Workbench 5.0
АЧХ усилителя в широком диапазоне частот показана на рисунке 3.8. Маркер установлен на среднем значении частоты, соответствующему максимальному коэффициенту усиления. Как видно из рисунка, он равен 61,4, что приблизительно равно выбранному в ходе расчета значению K = 62,5. Выходное напряжение несколько меньше указанного в задании, что объясняется упрощенным вариантом расчета, в частности пренебрежением падением напряжения на выходном сопротивлении датчика Rд = 2 кОм.
Рис. 3.8. АЧХ усилителя в широком диапазоне частот
На рисунках 3.9 и 3.10 показана АЧХ усилителя с маркерами на верхней и нижней рабочей частоте.
Рис. 3.9. АЧХ усилителя с маркером для проверки коэффициента усиления
на нижней рабочей частоте
Рис. 3.10. АЧХ усилителя с маркером для проверки коэффициента усиления
на верхней рабочей частоте
На нижней рабочей частоте коэффициент передачи равен 47,5, на верхней рабочей частоте – 58,3. Проверим, удовлетворяют ли полученные значения коэффициента усиления заданным значениям коэффициента допустимых частотных искажений.
.
.
Оба значения удовлетворяют исходным данным задания с запасом.
Выбор элементов схемы осуществляется так же, как это было сделано ранее.