3. Разработка интегральной микросхемы

3.1. Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых произвожу расчёт требуемого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений пассивных элементов.

Для первого каскада более подходит ПТ марки 2П201А р – типа [1], его выходные вольт – амперные характеристики ВАХ приведены на рисунке 3.1.

По условию задано напряжение питания - 15 В, поэтому через точку по оси напряжений 15 В и U_ЗИ = 0 В провожу нагрузочную прямую. Рабочая точка или точка покоя имеет координаты I_С.РТ = 0,85 мА и U_СИ.РТ = 5 В при U_ЗИ = 0 В.

Выбор рабочей точки при U_ЗИ = 0 В гарантирует упрощение принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в использовании сопротивления в цепи тока R_u, и конденсатора большей емкости С_u, устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.

Линия нагрузки однозначно определяет выбор сопротивления нагрузки R_C:

. (1)

Далее рассчитываем значение коэффициента усиления по напряжению первого каскада К_U1. Рабочая точка выбрана в пологой области выходных ВАХ ПТ (как указано в методичке прямая I), поэтому коэффициент усиления по напряжению первого каскада рассчитывается по приближённой формуле:

, (2)

где S - крутизна ПТ в рабочей точке (находится по семейству стоковых характеристик).

Крутизна рассчитывается для рабочей точки (рисунок 3.1) по формуле:

, (3)

Рисунок 3.1 - Семейство ВАХ транзистора 2П201А

Произведём перерасчёт К_U1 по формуле с использованием Ri.

Внутреннее сопротивление ПТ рассчитываем с использованием выходных ВАХ рисунка 3.1: .

Если рабочая точка выбрана неудачно (в крутой области выходных характеристик), а также при малом входном сопротивлении второго каскада упрощенной формулой пользоваться нельзя, т.к. фактически усиление напряжения первым каскадом будет равно:

k_U1=s(r_c //r_I //r_ВХ) , (формула 5)

где выражение в скобках представляет собой параллельное соединение

сопротивления в цепи стока R_C, внутреннего (выходного) сопротивления полевого транзистора R_I и входного сопротивления транзистора следующего каскада r_bx.

.

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя I_к.о., который должен в 23 раза превышать ток нагрузки:

, отсюда, (4)

Тогда в каскаде с несимметричным выходом на БТ:

(5)

Выбираю биполярный транзистор структуры p-n-p, пользуясь приложением 4 [1], марки 2Т3704-1. На рисунке 3.2 приведены входные и выходные ВАХ 2Т3704-1.

а) б)

Рисунок 3.2 - Семейство входных (а) и выходных (б) ВАХ БТ 2Т3704-1.

Для выходного контура, используя ЗНК, составляю уравнение:

(6)

На выходных характеристиках БТ строю нагрузочную прямую и определяю положение рабочей точки (А). Координаты точки РТ I_К.рт = 4,71 мА, U_КЭ.рт = 9 В, I_Б.рт = 40 мкА, U_БЭ.рт = 0,78 В.

Рассчитываю коэффициент усиления каскада на VT2 для этого необходимо определить коэффициент усиления по току h_21Э, входное сопротивление h_11Э, R_ЭП.

Значение параметра h_21Э определяется с использованием семейства выходных характеристик в районе точки покоя РТ.

(7)

Значение параметра h_11Э определяют по входной характеристике БТ.

(8)

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с общим коллектором определяется по формуле (11) [1]:

(9)

где сопротивление эмиттерного повторителя составляет:

(10)

Входное сопротивление эмиттерного повторителя определяется по формуле:

.

Второй каскад усиления выполнен по схеме включения с общим коллектором ОК и обеспечивает коэффициент усиления К_U2 0,913. Поэтому общий коэффициент по напряжению определяется и не удовлетворяет исходным данным:

. (11)

Полученное значение К_U = 5,584 немного больше требуемое К_U.ТРЕБ. = 5, поэтому избыток коэффициента усиления изменим выбором необходимого коэффициента передачи входного устройства, рассчитав нужное значение сопротивления источника сигнала:

,

Где К_ВХ- требуемый коэффициент усиления рассчитываю по формуле:

.

В результате сопротивление источника равно: Rг = 0,958 МОм. По шкале номинальных значений ряда Е24 Rг = 1,0 МОм.

Рассчитываю ёмкости конденсаторов по формулам (8,9,10) [1]. Коэффициент частотных искажений в области нижних частот разделяют отдельно на 1-ый и 2-ой каскады, соответственно:

М_Н1= 0,2 дБ (1,023);

М_Н2 = 1,8 дБ (1,230).

Ёмкость первого разделительного конденсатора:

(12)

Ёмкость второго разделительного конденсатора:

. (13)

Ёмкость корректирующего конденсатора:

(14)