3. Построение проектируемой схемы по сигналу и анализ её характеристик

Соединив модели активных элементов согласно принципиальной схеме, получаем эквивалентную схему усилителя по сигналу для всех диапазонов частот (рис.16). Номера внешних резисторов R1-R15 и конденсаторов C1-C8 этой схеме соответствуют номерам резисторов и конденсаторов принципиальной схемы. На начальном этапе моделирования схемы предпочтительнее установить значения ёмкостей раздельных конденсаторов C2, C4, C6, C8 и конденсаторов C1 и C7 величиной 1 мкФ, ёмкости блокировочных конденсаторов C3 и C5, равными 2,2 мкФ.

К этому моменту остаётся неизвестным значение резистора R14, поскольку не определён коэффициент усиления каскада на ОУ K_F = U₂₁/U₁₃. Напряжение U₂₁ = U_2Н, задано для каждого варианта в табл.3. Напряжение U₁₃ следует определить, активировав клавишу «переходный процесс», установив предварительно в источнике сигнала ток I_m1 =1мкА и среднюю частоту заданного диапазона:

Рисунок 15 – Переходный процесс

В этом случае компьютер покажет амплитуду сигнала U_13m.Тогда искомый коэффициент усиления будет:

Отсюда R14:

Сопротивление резистора R14 подбирается с классом точности 5%: R14_ном = 360 ± 5% Ом.

Рисунок 16 – Полная эквивалентная схема усилителя

Теперь можно определить частотные свойства всего усилителя с помощью Fastmean. Придав элементам схемы рис.16 соответствующие значения можно определить зависимость сопротивления передачи от частоты R(f)=U_вых/I₁. Для этого в диалоговом окне набираем U(20)/I1. В связи с тем, что исследуемая функция не безразмерная, представлять её в децибелах, как коэффициент усиления, нельзя. Шкалу по X устанавливаем логарифмическую.

Рисунок 17 – Значение функции сопротивления передачи на средней частоте f₀

Рисунок 18 – Значение частоты верхнего среза

Рисунок 19 – Значение частоты нижнего среза

Вид функции сопротивления передачи показан на рис.17-19. Вызвав линейку на экран, вычисляем частоты верхнего и нижнего среза , при которых по определению коэффициент передачи становится равен 0,707∙R0, где R0 = 4,17 МОм – сопротивление передачи на средней частоте. Если ≤ , а ≥ , то спроектированный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания.

Проверяем:

(2,0 кГц)

Получаем, что спроектированный усилитель не удовлетворяет требованиям технического задания.

Если расчёт показал, что , то необходимо увеличить ёмкости блокировочных (прежде всего конденсаторов C3 и C5) и разделительных конденсаторов. Зададим в Fastmean параметр величины ёмкости конденсатора C3 при построение частотных характеристик (рис.20) и рассмотрим его влияние на частотные характеристики в зависимости от ёмкости (рис. 21).

Рисунок 20 – Параметр величины ёмкости C3

Рисунок 21 – Частотные характеристики

По графику видно, что при значении C3 = 5 мкФ ширина полосы пропускания увеличилась. Следовательно, присвоим конденсатору C3 ёмкость 5 мкФ на эквивалентной схеме.

Аналогичным образом зададим в Fastmean параметр величины ёмкости конденсатора C5 при построение частотных характеристик и рассмотрим его влияние на частотные характеристики в зависимости от ёмкости (рис. 22).

Рисунок 22 – Частотные характеристики

По графику видно, что при значении C5 = 5 мкФ ширина полосы пропускания значительно увеличилась. Следовательно, присвоим конденсатору C5 ёмкость 5 мкФ на эквивалентной схеме. На данном этапе был получен максимально приближенное значение частоты нижнего среза . Изменение ёмкостей разделительных конденсаторов не дало никаких изменений частотных характеристик.

Так как , то необходимо произвести ВЧ коррекцию, для того чтобы увеличить полосу пропускания в области высоких частот. Для этого необходимо усилить транзистор V4 введение ООС. Принципиальная схема каскада V4 при высокочастотной эмиттерной коррекции изображена на рис.23.

Рисунок 23 – Частотные характеристики

R`11 определяется как 0,1∙R11, то есть:

Тогда R``11 выбирается из того, что R11 = R`11+ R``11, следовательно:

Для резисторов R`11 и R``11 следует принять класс точности 5%, как элементам температурной (эмиттерной) стабилизации: R`11_ном = 68 ± 5% Ом, R``11_ном = 620 ± 5% Ом.

C_кор выбирается из диапазона от 10 пФ до 3000 пФ из условия необходимости обеспечения требуемой ширины полосы пропускания в соответствии с ТЗ. (рис.24).

Рисунок 24 – Частотные характеристики

Из графиков частотных характеристик можно сделать заключение, что при ёмкости C_кор ≤ 200 пФ является наиболее оптимальным. Примем C_кор =150 пФ.

Теперь необходимо пересчитать сопротивление резистора R14. Для этого необходимо получить новое значение U_13m. Для этого используем переходный процесс в программе Fastmean (рис. 25).

Рисунок 25 – Переходный процесс

Тогда искомый коэффициент усиления будет:

Отсюда R14:

Сопротивление резистора R14 подбирается с классом точности 5%: R14_ном = 68 ± 5% Ом.

Рисунок 26 – Полная эквивалентная схема усилителя с ВЧ коррекцией

Теперь можно определить частотные свойства всего усилителя с помощью Fastmean. Придав элементам схемы рис.26 соответствующие значения можно определить зависимость сопротивления передачи от частоты R(f)=U_вых/I₁. Для этого в диалоговом окне набираем U(20)/I1. В связи с тем, что исследуемая функция не безразмерная, представлять её в децибелах, как коэффициент усиления, нельзя. Шкалу по X устанавливаем логарифмическую.

Рисунок 27 – Значение функции сопротивления передачи на средней частоте f₀

Вызвав линейку на экран, вычисляем частоты верхнего и нижнего среза , при которых по определению коэффициент передачи становится равен 0,707∙R0, где R0 = 4,12 МОм – сопротивление передачи на средней частоте. Тогда, 0,707∙R0 = 2,91 МОм.

Рисунок 28 – Значение частоты верхнего среза

Рисунок 29 – Значение частоты нижнего среза

Вид функции сопротивления передачи показан на рис.27 - 29. Если ≤ , а ≥ , то спроектированный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания.

Проверяем:

(2,0 кГц)

Получаем, что спроектированный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания.

После определения полосы пропускания спроектированного усилителя, определим величину выходного напряжения на средней частоте: , где R0 – сопротивление передачи на средней частоте, = В – выходное напряжение в соответствии с заданием варианта (таблица 3). .

Так как значение , удовлетворяет требованиям технического задания, то можно сделать вывод, что проверка полученного результата прошла успешно.