Так как , то полученное значение считаем удовлетворительным выбор структурной схемы

Можно оценить требующееся число каскадов предварительного усиления, которые должны обеспечить коэффициент усиления по напряжению:

.

Коэффициент усиления, требуемый от одного каскада

.

Таким образом, предварительный усилитель будет содержать 2 каскада, построенные по схеме с общим эмиттером.

Расчет предоконечного каскада.

Параметры нагрузки (входные параметры выходного каскада и напряжение питания), необходимые для расчета уже известны.

Выбираем тип транзистора с учетом заданного частотного диапазона работы каскада, а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистора должен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в режиме работы класса А:

, (5.1)

где амплитуда тока в нагрузке .

Ориентировочно можно выбрать низкочастотный транзистор, имеющий параметры:

,

.

По справочнику [3] выбираем транзистор КТ503А (рис. 4), имеющий следующие параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером 40 – 120.

2. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером не менее 5 МГц;

3. Постоянное напряжение коллектор – эмиттер 40 В;

4. Постоянный ток коллектора 0,5 А;

5. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода при температуре Т=233298 К – 0,35 Вт.

Выберем исходный режим транзистора каскада, для которого

, (5.2)

, (5.3)

. (5.4)

где – напряжение коллектор – эмиттер, соответствующее режиму покоя.

,

, .

Сопротивление резисторов R7,R8 рассчитываем по падению напряжений на них:

; ;

; .

Примем R7к=330 Ом иR8э=150 Ом. По [5] выбираем металлодиэлектрические резисторы С2-33 с номинальной мощностью 2 и 1 Вт соответственно. Для проверки резисторов по допустимой мощности рассеяния предположим, что все напряжение, создаваемое источником питания, падает на этих резисторах. Рассеиваемую мощность определим по формуле:

;

(Вт).

Параметры делителя R7,R8 определяют, задавшись током делителя:

Сопротивление резистора R6 делителя находим из выражения:

,

где для кремниевых транзисторов,

.

Сопротивление резистора R5 делителя находим следующим образом

;

.

Выбираем по [5] резисторы С2-33 R5=5,6 кОм, номинальная мощность 0,125 Вт иR6=1 кОм, номинальная мощность 0,125 Вт. Выполним проверку для резистораR5 по формулам, подобным:

;

;

.

Для определения коэффициента усиления каскада по току определим эквивалентное сопротивление цепи коллектора по переменному току:

,

.

Определяем коэффициент усиления по току:

,

.

Тогда амплитуда входного тока

,

.

Входное сопротивление каскада ОЭ определяется с учетом сопротивлений делителя, параметров транзистора и сопротивления цепи эмиттера:

,

где – усредненное значение крутизны сквозной характеристики;

–тепловой потенциал.

Тогда входное сопротивление

.

Коэффициент усиления по напряжению

,

где в данном случае – входное сопротивление выходного каскада, определенное выше

.

Амплитуда входного напряжения:

,

.

Емкость конденсатора С3 определяем по формуле:

.

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-24 с емкостью С3=10мкФ, с номинальным напряжением 63В.

Конденсатор С5 рассчитывается по следующей формуле:

;

Таким образом, по справочнику [6] выбираем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-24 с емкостью С5=56мкФ, с номинальным напряжением 63В.

РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА.

Входной каскад будем построен на операционном усилителе 741 (советский аналог - К140УД7). Это операционный усилитель состоящий из трех каскадов:

1. Дифференциальный усилитель - предназначен для усиления сигнала, имеет низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление и обычно дифференциальный выход.

2. Усилитель напряжения - обеспечивает высокое усиление сигнала по напряжению, имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику с одним полюсом, и обычно имеет один выход.

3. Выходной усилитель - обеспечивает высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

Основные технические характеристики ОУ 741 (таблица 2):

Таблица 2

Напряжение питания	4-55(В)
Минимальный коэффициент усиления	1
Максимальный коэффициент усиления	90(дБ)
Потребляемый ток	4(мА)
Максимальный выходной ток	30(мА)
Выходное сопротивление	1000(Ом)

Рисунок 6 – Принципиальная схема ОУ 741

Напряжения источников сигналов, подаваемых на входы, проходят через две "диодных" цепочки, образованных переходами база-эмиттер транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4, к месту соединения баз транзисторов Q3, Q4. Если входные напряжения немного изменятся (напряжение на одном входе увеличится, а на другом уменьшится), то напряжение на базах транзисторов Q3, Q4 почти не изменится, так же общий ток баз останется без изменений. Произойдёт только перераспределение токов между базами транзисторов Q3, Q4, общий ток покоя останется тем же самым, токи коллекторов перераспределятся в тех же пропорциях, что и базовые токи.

Токовое зеркало произведёт инвертирование коллекторного тока, сигнал вернётся обратно на базу транзистора Q4. В точке соединения транзисторов Q4 и Q6 токи транзисторов Q3 и Q4 вычитаются. Эти токи противофазны в данном случае (в случае дифференциального сигнала). Следовательно, в результате вычитания токов токи сложатся (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI), и преобразование из двухфазного сигнала в однофазный произойдёт без потерь. В схеме с разомкнутой петлёй обратной связи напряжение, полученное в точке соединения транзисторов Q4 и Q6 определяется результатом вычитания токов и общим сопротивлением схемы (параллельно включённые сопротивления коллекторов транзисторов Q4 и Q6). Так как для сигнальных токов эти сопротивления являются высокими (транзисторы Q4 и Q6 ведут себя как генераторы токов), то при разомкнутой петле обратной связи коэффициент усиления этого каскада будет очень высоким.

Иначе говоря, можно представить транзистор Q6 как копию транзистора Q3, а комбинацию транзисторов Q4 и Q6 можно представить как регулируемый делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, управляемых напряжением. Для дифференциальных входных сигналов сопротивления этих резисторов будут сильно изменяться в противоположных направлениях, но общее сопротивление делителя напряжения останется неизменным (как у потенциометра с подвижным контактом). В результате ток не изменяется, но происходит сильное изменение напряжения в средней точке. Так как сопротивления изменяются в равной степени, но в противоположных направлениях, то результирующее изменение напряжения будет в два раза больше одиночных изменений напряжений.

Базовые токи на входах не нулевые, и поэтому эффективное входное сопротивление 741 операционного усилителя равно примерно 2 мОм. Выводы "установка нуля" могут быть использованы для подключения внешних резисторов параллельно внутренним резисторам сопротивлением 1 кОм (здесь обычно подключают потенциометр) для балансировки токов транзисторов Q5, Q6, таким образом косвенно регулируют сигнал на выходе при подаче на входы нулевых сигналов.

На последующих двух каскадах получили коэффициент усиления равный:

- коэффициент усиления предоконечного каскада;

- коэффициент усиления выходного каскада;

Чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления по напряжению , нужно получить коэффициент усиления на этом каскаде равный:

Коэффициент усиления для каскада на ОУ задается при помощи резисторов R₁ и R₂:

Рисунок 7 – Схема включения ОУ 741

Примем значение резистора R₂=50 кОм, т.к. резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход. Для ОУ общего назначения значения резисторов обычно выбираются от 2 до 50 кОм.

Тогда

Выбираем по [5] резистор МЛТ R₁=3 кОм, номинальной мощностью 0,25 Вт.

Определяем емкости входного конденсатора:

,

Принимая согласно ряду номинальных значений С₁=8 мкФ выбираем оксидно-электролитические конденсатор к10-17А. Учитывая, что номинальное напряжение конденсатора должно быть выбрано из соотношения , принимаем его равным 63 В.

Коэффициент усиления для каскада равен:

Коэффициент усиления по мощности:

- для операционного усилителя: