Расчёт амплитудно-частотной характеристики

Сравнительный анализ усилительных устройств приводят используя понятие относительного усиления Y, представляющего собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот К_ср: (15)

Для оценки частотных искажений используют обратное отношение, обозначаемое через М и называемым коэффициентом частотных искажений:

. (16)

Относительное усиление и коэффициент частотных искажений выражают как в относительных, так и в логарифмических единицах.

Расчёт АЧХ в области нижних частот проводят по формуле:

. (17)

Рекомендуемые значения частот: 0,1f_н; 0,2f_н; 0,5f_н; 0,7f_н; f_н ; l,5f_H ; 2f.

Частотная характеристика усилителя в области верхних частот зависит от выбора ёмкости конденсатора Ск. Расчёт АЧХ в области верхних частот проводят по формуле: . (18)

Рекомендуемые значения частот: 0,5fв; fв; 2fв; 5fв; 10fв.

Результаты расчётов свожу в таблицу 3.1, 3,2. Затем по результатам расчёта строю АЧХ, используя логарифмический масштаб оси частот (рисунок 3.3).

Таблица 3.1

f	0,1fн	0,2fн	0,5fн	0,7fн	fн	1,5fн	2,0fн
f , Гц	5	10	25	35	50	75	100
Lg f	0,7	1	1,4	1,5	1,7	1,9	2
YН1	0,424	0,683	0,919	0,956	0,978	0,990	0,994
YН2	0,138	0,269	0,572	0,698	0,813	0,902	0,941
YН	0,059	0,184	0,526	0,667	0,794	0,893	0,935

Таблица 3.2

F	0,5fв	fв	2,0fв	5,0fв	10,0fв
F, кГц	5	10	20	50	100
Lg f	3,7	4	4,3	4,7	5
Yв	0,934	0,794	0,547	0,253	0,129

После расчётов произвожу проверку соответствия расчётных и заданных значений М_н и М_в: . (19)

При переходе от относительных единиц к дециБелам имеем: Мн = 2,0 дБ; Мв = 2,0 дБ. Расчётные величины равны заданным, отсюда следует что расчёт номиналов элементов верный.

Привожу результаты расчёта элементов схемы:

R_С = 11,538 кОм; R_З = R_ВХ = 8,2 МОм; Rэ = 300 Ом; R_Г = 1,0 МОм;

Cр₁ = 1,605 нФ; Cр₃ = 4,711 мкФ; Cк = 1,056 нФ.

Рисунок 3.3 - Относительная АЧХ усилителя

3.2. Разработка топологии

На первом этапе заданную электрическую схему необходимо преобразовать таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон и были исключены все пересечения пленочных проводников (рисунок 3.4).

Вторым этапом является расчет размеров пассивных элементов гибридной ИМС.

Расчёт пленочных резисторов начинается с выбора материала резистивной пленки и проводящей плёнки для выводов. Для этого воспользуюсь таблицей 1 [1]. Выбираю из таблицы 1 способ нанесения плёнки – термическое напыления, а материал изготовления – РС-3001 с удельным сопротивлением Нахожу коэффициенты формы всех резисторов по формуле (16) [1]: (20)

; ;

.

Для сопротивления затвора Кз>>50, что недопустимо, поэтому данный резистор лучше спроектировать навесным. Из приложения 6 выбираю тип резистора R_З Р1- 12 – 8,2 МОм – 5% размеры которого составляют

l_З = 3,1 мм, b_З =1,55 мм.

Для резистора R_Э К_ф < 10; поэтому устанавливается форма прямоугольная, состоящая из одной полоски, у которого ширина больше длины( рис.П5а [1]). Для резистора R_С К_ф> 10 выбираем форму «меандр».

Выбираю ширину B = 1,7 мм > b_min = 200 мкм при масочном методе. Вычисляю длину резисторов по формуле (17)[1]:

. (21)

Рассчитываю площадь резисторов по формуле (15) [1]: S = • b. (22)

Каждый резистор должен выдержать мощность формула (14) [1]:

, (23)

где Р₀ - удельная мощность рассеяния (значения Ро = 20 мВт/мм² для материала РС-3001 приведены в таблице 1 [1]).

Произвожу расчёты мощностей, рассеиваемых на резисторах принципиальной схемы (рисунок 2.1) по формуле: (24)

Для всех резисторов справедливо неравенство Р_MAX>P_R, поэтому по максимальной мощности рассеивания они пригодны для проектирования.

Определяю суммарную площадь, занимаемую всеми резисторами:

(25)

Рассчитываем размеры конденсаторов. Выбираем из таблицы 2 [1] материал изготовления диэлектрика – моноокись кремния с удельной ёмкостью С₀ = 100пФ/мм²= 10000пФ/см².

После выбора материала вычисляю площадь конденсаторов:

, (26)

где C_i - емкость рассчитываемого конденсатора; А и В - длина и ширина площадки, занимаемой перекрывающимися частями нижней и верхней обкладок конденсатора (если конденсатор имеет прямоугольную форму). Конфигурация пленочного конденсатора изображена на Рис. П.6 [1].

Ввиду большой занимаемой площади конденсатором Ср₃ целесообразнее его сделать навесным. Тогда пользуясь приложением 6 [1] выбираю тип полярного конденсатора К53 – 16 – 4,7 мкФ - ± 10% - U = 6,3 В; размеры которого составляют L = 3,4 мм, В = 1,9 мм.

Рассчитываю площадь, занимаемую всеми конденсаторами:

(27)

Рассчитываю площадь, занимаемую транзисторами:

Затем определяю площадь, занимаемую всеми элементами схемы. Общая площадь, занимаемая всеми элементами схемы:

S =S_Т+S_R+Sc=0,0136+0,06716+0,3307=0,41146≈0,42см². (28)

где S_Т – площадь, занимаемая транзисторами; S_R - площадь, занимаемая резисторами; S_C – площадь, занимаемая конденсаторами.

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и

расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь в 3-4 раза. S = 4 ^.0,42 = 1,68 см².

Затем выбираю стандартную подложку, учитывая рекомендуемые размеры плат приведенные в таблице 4 [1], размеры которой составляют

16 мм х 10 мм (S_П = 1,6 см²). Выбираю масштаб 10:1.

Топологический чертёж гибридной ИМС представлен на рисунке 3.5.

Для удобства свожу рассчитанные и увеличенные значения размеров элементов в сводим в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

Элементы	Рассчитанные размеры, А х В, мм	Размеры в масштабе, А х В, мм
VT1	1,0 х 1,0	10,0 х 10,0
VT2	0,6 х 0,6	6,0 х 6,0
Rс	3,48 х 0,3	34,8 х 3
Rэ	0,51 х 1,7	5,1 х 17
Rз	3,1 х 1,55	31,0 х 15,5
Cср1	Scр1 = 16,05 мм2	12,7 х 12,7
Cср3	3,4 х 1,9	34,0 х 19,0
Cк	Scк = 10,56 мм2	10,3 х 10,3

Рисунок 3.3 Преобразованная принципиальная схема

Рисунок 3.4 Топология гибридной ИМС двухкаскадного усилителя