1. Разработка структурной схемы

Современные усилители являются, как правило, многокаскадными устройствами.

На схеме обозначено: ИС - источник сигнала; Вх. цепь - входная цепь усилительного устройства (УУ), не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, 1 КАСКАД, 2 КАСКАД - два усилительных каскада УУ (1 каскад - усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению и большое входное сопротивление, 2 каскад - усилитель мощности, усиливаемый мощность сигнала и уменьшающий выходное сопротивление схемы), Вых. цепь - выходная цепь УУ не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, Нагрузка - нагрузка УУ.

Рис. 2. Структурная схема усилителя

2. Разработка принципиальной схемы

Предложенная сема работает следующим образом:

Переменный сигнал поступает на вход схемы с генератора ЭДС равной U_Г и внутренним сопротивлением R_Г. Разделительный конденсатор С_Р1 служит для разделения переменной и постоянной составляющих сигнала так что на затвор входного транзистора попадает только его переменная составляющая. Через резистор R_З задаётся постоянная составляющая напряжения затвора (в нашем случае Uз0 = 0) и режим работы транзистора VT1 по постоянному току. Полевой транзистор VT1 с управляющим p-n переходом (n - канальный транзистор) работает в качестве усилителя напряжения с большим входным сопротивлением. Питающее напряжение на сток транзистора подаётся через резистор R_С (от источника питания U_П), на котором и выделяется усиленный сигнал. Резистор R_С совместно конденсатором С_К задают постоянную времени τ= R_С*С_К, определяющую верхнюю рабочую частоту усилителя. Далее сигнал поступает на биполярный транзистор VT2 (n-p-n типа), который усиливает сигнал по мощности и уменьшает выходное сопротивление усилителя.

Второй каскад усилителя можно рассматривать как фазоинверсный.

В схеме нагрузка выходной цепи разделена на две части (в цепи коллектора и цепи эмиттера). Через каждый нагрузочный резистор течет один и тот же ток переменного сигнала. Амплитуды напряжения переменного сигнала на этих нагрузочных резисторах одинаковы U_вых1 = U_вых2, а так-же в каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора, эмиттера и нагрузки (R_К = R_Э = R_Н). Следует отметить, что токи в нагрузочных резисторах R_К и R_Э текут в противоположных направлениях относительно "земли", поэтому напряжения переменного сигнала относительно "земли" будут обратными по фазе.

Приведенная схема с разделенной нагрузкой имеет то преимущество, что в ней получаются хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах. Такая схема не дает усиления напряжения сигнала и имеет вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению с обычным резисторным каскадом, так как развиваемое усилительным элементом напряжение сигнала здесь делится пополам.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой рассчитывают так же, как и обычный резисторный каскад.

Рис. 2. Схема двухканального усилителя

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

Выбор VT2.

Определяем ток нагрузки по формуле:

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя, который должен в 2…5 раз превышать ток нагрузки: тогда пусть

С помощью справочника выберем транзистор. Выпишем основные данные для этого транзистора:

КТ331А: I_К = 20 мА; U_КЭ = 15 В;

Выбираем R_К= R_Э= R_Н (т.к. схема с разделенной нагрузкой).

R_К= R_Э= R_Н= 2000 Ом.

Определим коэффициент усиления каскада на VT2 по формуле:

К_U2= К_ЭП + К_ОЭ

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:

Для дальнейших расчётов определим по семействам входных и выходных ВАХ h-параметры транзистора VT2 КТ331А: h_21Э, h_11Э.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик транзистора КТ331А

Рис. 4. Семейство входных характеристик транзистора КТ331А

Находим h-параметры в рабочей точке определённой в пункте 1. Параметр h_11Э (входное сопротивление транзистора) определяется по формуле:

U_БЭ и I_Б определяются на входных ВАХ (рис.4).

По выходным характеристикам находим параметр h_{21Э -} коэффициент усиления транзистора в схеме с ОЭ по току (рис.3).

Получив необходимые данные для дальнейших расчётов, рассчитаем коэффициенты усиления.

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

Общий коэффициент усиления на транзисторе VT2:

К_u2= 0,995 + 0,957 = 1,952

Рассчитаем входное сопротивление каскада на VT2:

При R_С << 73 кОм коэффициент усиления: