2.4. Проверка расчета по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах v3 и v4 с помощью компьютера.

Для проверки расчетов по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3 иV4 можно использовать компьютер (программуFASTMEAN). Составим эквивалентную схему:

Рис.6. Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току.

Сопротивления R6 иR1 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторовV3 иV4H_11,3иH_11,4. Они вычисляются по таким формулам:

R₆ = H_11,3 = = 16 кОм;

R₁₂ = H_11,4 = = 12 кОм

Вследствие несовпадения направления постоянного коллекторного тока в реальном транзисторе и в компьютерной модели коэффициенту передачи тока h₂₁необходимо присвоить знак минус.

С помощью программы Fastmeanпо схеме рис.6. вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах. Для этого необходимо выполнить последовательность действий, указанную на рис.7. синим цветом.

Рис.7. Последовательность действий при анализе работы схемы на постоянном токе.

Вычислим токи в резисторах и напряжения в узлах.

Рис.8. Результаты расчётов на ПК.

Сравним результаты расчета на ПК и предварительного расчета.

	V3					V4
Токи и напряжения	UБ3	UЭ3	IД3	IЭ3	UЭ4		UК4	IК4
Ед. измерения	В	В	мА	мА	В		В	мА
Расчет предварительный	2.6	1.9	0.5	6.045	1.2		7.2	8
Расчет компьютерный	2.485	1.823	0.4873	5.526	1.145		7.303	7.576

Несложно убедится, что результаты расчетов на ПК совпадают с заданной точностью (разница не превышает 10%). Можно считать, что расчет всех элементов по постоянному току сделан правильно.

3. Расчет усилителя на переменном токе.

3.1. Составление эквивалентной схемы

Этот расчет также проведем при помощи программы FASTMEAN. Для этого составим полную эквивалентную схему усилителя на переменном токе (для всех диапазонов частот). Рекомендуется получать эквивалентную схему из принципиальной (рис.1) путем двух последовательных преобразований. Первое преобразование основано на том, что сопротивление источника питания Е₀переменному току равно нулю. Из этого следует, что на эквивалентной схеме его выводы можно замкнуть накоротко, а сам источник удалить. После этой операции верхние выводы резисторовR₂,R₃,R₅,R₇,R₁₀(рис.1) оказываются на переменном токе соединенными с общим проводом и эквивалентную схему удобно изобразить в виде, показанном на рис.9. Соединения указанных резисторов с общим проводом отмечены красным цветом. Коллектор транзистораV3 также соединяется с общим проводом. Чтобы не усложнять вид схемы рис.9., символ общего провода присоединен к коллектору и тоже отмечен розовым цветом.

Рис.9. Предварительная эквивалентная схема усилителя рис.1. на переменном токе.

В процессе второго преобразования элементы схемы V1,V2,V3 иV4 заменяются их эквивалентными моделями на переменном токе.

Источником сигнала является фототок I₁ диодаV1. Согласно рис.2. (справа) сопротивление фотодиода на переменном токе определяется касательной к вольт-амперной характеристике в точке покоя А. Эта точка при отрицательном смещении находится на пологом участке характеристики. Вследствие того, что приращение напряжения измеряется в вольтах, а приращение тока в долях микроампера, сопротивление фотодиода переменному токуr_Д= оказывается значительно больше, чем сопротивление постоянному токуR_Д, иr_Ддостигает 80..100 Мом. Это дает право рассматривать источник сигнала как генератор тока. Чрезвычайно большое сопротивлениеr_Дучитывать в эквивалентной схеме необходимости нет, остается лишь емкость фотодиода С_Д(рис.10.(слева)). На рис.10. (справа) изображена эквивалентная схема фотодиода по переменному току с учетом его цепей питания.

Рис.10. Модель фотодиода на переменном токе (слева) и эквивалентная схема входной цепи (справа).

Транзисторы заменяются активными четырехполюсниками в виде ИТУН и ИТУТ (рис.11.). Минусы перед показателями передаточных функций отражают поворот фазы сигнала.

Рис.11. Эквивалентные модели полевого V2 – ИТУН (слева) и биполярного V3 и V4 – ИТУТ (справа) транзисторов по сигналу.

Рис.11. (слева): На эквивалентной схеме полевой транзистор заменяем активным четырехполюсником типа ИТУН – источник тока, управляемый напряжением. Это значит, что выходной ток (ток стока i_c) управляется входным напряжением (затвор-истокu_зи), то естьi_c= -S*u_зи. В данной модели С_зи– емкость затвор-исток транзистора (пФ), С_зс– проходная емкость, емкость перехода затвор-исток (пФ). Величина этих емкостей дается в справочниках по транзисторам.S₂– крутизна в точке покоя (). Сопротивление перехода затвор-истокr_зиочень велико.

На рис.11. (справа): Биполярные транзисторы V3 иV4 заменяем активными четырехполюсниками типа ИТУТ – источник тока, управляемый током. Здесь выходной токi_Куправляется током базыi_Б, то естьi_К= -h₂₁*i_Б.

В этой модели r_б’б– объемное сопротивление базового слоя (Ом). Находим его из выраженияr_б’б== 60 Ом.– емкость коллекторного перехода (пФ), приводится в справочниках.r_б’э– сопротивление перехода база-эмиттер (Ом). Оно вычисляется

r_б’э= (1+h₂₁)* , гдеh₂₁– коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). С_б’э– емкость перехода база-эмиттер (пФ). Она вычисляется по выражению С_б’э= , где– частота единичного усиления из справочника.

Рассчитаем для транзисторов V3 иV4r_б’эи С_б’э:

r_б’э,3= (1+h₂₁)*= 135*= 562.5 Ом;

r_б’э,4= (1+h₂₁)*= 135*= 421.9 Ом;

С_б’э3==

С_б’э4=== 0.2 нФ.

Соединим модели активных элементов согласно принципиальной схеме (Рис.1.) и получим эквивалентную схему предусилителя по сигналу для всех диапазонов частот (Рис.12.).

Рис.12. Эквивалентная схема предусилителя по сигналу.

Сопротивления резисторов в схеме имеют следующие номинальные значения.

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R’11

R”11

R11 (R’11+R”11)

МОм

МОм

кОм

кОм

кОм

Ом

кОм

кОм

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

1.2

5.1

104.5

3.6

1

960

18

5.1

330

620

30

120

150

R₁₁состоит изR’₁₁иR”₁₁, потому что введена отрицательная обратная связь на транзистореV4.

Элементы, R₁₂–R₁₆не являются резисторами, как показано на рис.12., они отражают эквивалентные сопротивления : внешней нагрузки (R₁₂), собственные сопротивления базового слояr_б'б (R₁₃,R₁₄) и сопротивления перехода база-эмиттерr_б'э(R₁₅,R₁₆).

R12	R13	R14	R15	R16
кОм	Ом	Ом	Ом	Ом
1.0	60	562.5	60	421.9

В схеме рис.12. появились емкость фотодиода (С₁₄), ёмкость внешней нагрузки (С₇) и емкости переходов в транзисторах (С₈ — С₁₃). КонденсаторыC₁ -C₆выберем равными

1 мкФ.

Значения дополнительных ёмкостей сведены в таблицу.

C7	C8	C9	C10	C11	C12	C13	С14
пФ	нФ	пФ	нФ	пФ	пФ	пФ	пФ
5	0.2	5	0.15	5	5	1.5	1.5