4.Расчет и выбор элементов схемы усилителя

4.1.Выбор транзистора

В результате проведенного анализа исходных данных и выполненного эскизного проекта структурной схемы проектируемого усилителя было установлено , что он может быть реализован на основе пяти усилительных каскадов, каждый из которых выполнен по типовой схеме с использованием однотипных биполярных высокочастотных транзисторов, включенных по схеме сообщим эмиттером и работающих в усилительном режиме класса «А».

Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:

- граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ для широкополосного усилителя ,

- предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер для широкополосного усилителя,

- предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе)           для для широкополосного усилителя.

Тип проводимости транзистора может быть любой. Обычно при U_вых =(1...5)В и R_н=(50...150)Ом при f_в = 20·10⁶ Гц для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ транзисторы малой мощности типа КТ399А (иностранные аналоги BFW30, 2N2857) с данными характеристиками (см. Таблица 2):

Таблица 2

Тип транзистора	Технология изготовления, структура	Н21э	При Uкэ, В	при Iк, мА	Iкб0, мкА	Iкмах, мА	Ркмах,мВт	fт МГц	Ск, пФ	Uкэмах, В	, пс
КТ399А	эп. план. n-p-n	≥40	1	5	0,5	20	150	1800	1,03	15	4

4.2.Расчет необходимого количества каскадов

Сопротивление растекания базы  (3.2) при технологическом параметре :

[Ом].  [Ом].

Высокочастотный параметр:

Максимальную площадь усиления дифференциального каскада оценим по (1.5):

,

 - функция, учитывающая уменьшение  с ростом числа каскадов, возьмем

.

Определим ориентировочное число каскадов усилителя по (1.6), при  - для случая с высокочастотной коррекцией:

.

Согласно выражению (1.2) верхняя граничная частота каждого каскада:

Согласно выражению (1.3) нижняя граничная частота каждого каскада:

Коэффициент усиления каждого каскада (1.4) и требуемая площадь усиления (1.1):

4.3.Расчет оконечного усилительного каскада

Исходные данные:

1. Коэффициент усиления К₀ = 3,758 ;

2. Верхняя и нижняя граничные частоты f_в = 52·10⁶ Гц, и f_н = 29 Гц

3. Уровень линейных искажений на частотах f_в  и f_н -  М_в1 и М_н1 равны

М_в1= М_в / (n+1)=2,0/ (5+1)=0,33 dБ =1,038

М_н1= М_н / n=2,5/ 5=0,5 dБ =1,778

4. Сопротивление потребителя R_н = 75 Ом.

Еще раз проверяем выбранный транзистор на пригодность, реализовать требуемый коэффициент усиления и полосу пропускания при заданных частотных искажениях, по неравенству (2.1):

По выражению (3.1) определим дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода , причем :

[Ом].

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода  (3.3):

[Ом].

Емкость эмиттерного перехода  (3.4):

Собственная постоянная времени транзистора  (3.5)

:

Определяют параметры транзистора , , , , ,  и  на средней частоте усиления, хотя правильнее будет рассчитать на верхней частоте f =20·10⁶ Гц

4.4.Расчет Y-параметров

Входное сопротивление в схеме ОБ на низкой частоте (3.6):

[Ом],

граничная частота по крутизне (3.7):

и ,

А теперь и сами Y-параметры (3.8) – (3.15):

[См],

[См],

[^А/_В];

Причем , тогда

[См],

Оценим нагрузочную коллекторную проводимость  для обеспечения заданного усиления и полосы пропускания (2.2) – (2.4):

Входная проводимость (2.5) и емкость (2.6) усилительного каскада.

[Ф].

3,056·10^-10 19,417 1,03·10^-12·3,758

4.5.Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию

Определяем эквивалентную емкость , пусть монтажная емкость равна [пФ]:

[Ф].

Рассчитаем необходимое значение глубины ООС (4.5):

.

2·3,14·52·10⁶·3,056·10^-10 0,185 _ 2·3,14·52·10⁶ 0,271·10^-113,758 0,55

Находим необходимое значение коллекторного сопротивления (4.6):

[Ом].

3,758·0,55·75 0,185·75-3,758·0,55 14

Рассчитаем элементы цепи коррекции (4.7) – (4.8):

Разделительную емкость  (2.7) определим по заданным искажениям  на нижней граничной частоте:

Пусть разделительная емкость будет равна  [Ф]

4.6.Низкочастотная коррекция цепочкой

В соответствии (5.2) определяем постоянную времени  каскада без коррекции:

Находим необходимые для осуществления коррекции значения  и  (5.5) – (5.6), при  несколько меньшей заданного, пусть [с^-1] :

4.7.Стабилизация режима работы усилительного каскада

Исходные данные:

- средняя температура ⁰С;

- коэффициент ;

- верхняя граница заданного температурного диапазона   нижняя граница заданного температурного диапазона  

- коэффициент температурного сдвига входных характеристик ^В/_град. .

Определим следующие величины  (6.1) и  (6.2):

Рассчитаем минимальное значение напряжения питания  (6.3):

Сопротивление по постоянному току в цепи коллекторного тока за вычетом

Теперь, уточним значение источника питания .

Напряжение источника питания не должно превышать U  данного транзистора и должно соответствовать рекомендованному ряду: (5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)B. Пусть [В].

А также уточним значение  (6.4):

Определим величину  (6.5):

Ток базового делителя  (6.6):

Оценим  как [А].

Для выполнения условия , пусть [А].

Рассчитаем сопротивления  (6.7) и  (6.8), взяв :

Проверим выполнение условие :

[Ом],

соответственно .

Оценим абсолютную нестабильность тока коллектора (6.9):

[А],

Коэффициент нестабильности тока коллектора  получаем таким:

что не более оговоренного 0,1=10%.

Определим сопротивление , описанное в разделе высокочастотной коррекции:

Оценим емкость  (2.8):

Оценим необходимость в эмиттерном повторителе между оконечным каскадом и нагрузкой, выражением  (2.2), при верхней частоте: f_в = 20·10⁶ Гц

Нетрудно заметить, что неравенство верно, а, следовательно, согласовывающий каскад можно не ставить

4.8.Расчет предоконечных усилительных каскадов

Исходные данные те же, что и для оконечного каскада, кроме:

и 

Y-параметры остаются тоже те же, так как транзистор берем тот же КТ399А.

Оценим нагрузочную коллекторную проводимость  для обеспечения заданного усиления и полосы пропускания (2.2) – (2.4):

Входная проводимость  и емкость  усилительного каскада остаются такие же, как и для оконечного каскада.

4.9.Рассчитаем высокочастотную эмиттерную коррекцию

Определяем эквивалентную емкость , пусть монтажная емкость равна [пФ]:

Рассчитаем необходимое значение глубины ООС (4.5):

Находим необходимое значение коллекторного сопротивления (4.6):

Рассчитаем элементы цепи коррекции (4.7) – (4.8):

Рассчитаем элементы цепи коррекции (4.7) – (4.8):

Разделительную емкость  (2.7) определим по заданным искажениям  на нижней граничной частоте:

Пусть разделительная емкость будет равна  .

4.10.Низкочастотная коррекция цепочкой

В соответствии (5.2) определяем постоянную времени  каскада без коррекции:

Находим необходимые для осуществления коррекции значения  и  (5.5) – (5.6), при  несколько меньшей заданного, пусть :

4.11.Стабилизация режима работы усилительного каскада

Исходные данные те же, что и для оконечного каскада.

Рассчитаем минимальное значение напряжения питания  (6.3):

Сопротивление по постоянному току в цепи коллекторного тока за вычетом

Теперь, уточним значение источника питания . Пусть [В].

А также уточним значение  (6.4):

[В].

Определим величину  (6.5):

[Ом].

Ток базового делителя  (6.6):

[А].

Оценим  как [А].

Для выполнения условия , пусть [А].

Рассчитаем сопротивления  (6.7) и  (6.8), взяв :

[Ом];

[Ом].

Проверим выполнение условие :

[Ом],

[Ом],

соответственно .

Оценим абсолютную нестабильность тока коллектора (6.9):

[А],

Коэффициент нестабильности тока коллектора  получаем таким:

,

что не более оговоренного 0,1.

Определим сопротивление , описанное в разделе высокочастотной коррекции:

[Ом].

Оценим емкость  (2.8):

[Ф].

Оценим необходимость в эмиттерном повторителе между оконечным каскадом и нагрузкой, выражением  (2.2), при верхней частоте

fв = 20·10⁶ Гц:

.

Нетрудно заметить, что неравенство верно, а, следовательно, согласовывающий каскад можно не ставить.

Эксплуатационные данные

- Источник питания на 9 В;

- Верхняя граница температурного диапазона; Т_max =40⁰С ;

- Нижняя граница температурного диапазона Т_min =5⁰С;

- Входной сигнал не более 3 мВ.

- Остальные характеристики соответствуют ТЗ.

Принципиальная схема усилителя.

тить, что неравенство верно, а, следовательно, согласовывающий каскад можно не ставить.

Эксплуатационные данные

- Источник питания на 9 В;

- Верхняя граница температурного диапазона; Т_max =40⁰С ;

- Нижняя граница температурного диапазона Т_min =5⁰С;

- Входной сигнал не более 3 мВ.

- Остальные характеристики соответствуют ТЗ.

Рис.16.Принципиальная схема усилителя

Перечень элементов

Поз. Обозначение	Наименование	Кол.
	Конденсаторы
	ТУ
C1, C5, C9,	К10-17Б-Н50-0,56мкФ ±5%	5
C13, C17
C2, C6,	К50-29-25В-10мкФ-В ±5%	4
C10, C14
C3, C7,	К10-17Б-Н47-100пФ-В ±5%	4
C11, C15
C4, C8,	К50-29-16В-47мкФ-В ±5%	4
C12, C16
C18	К50-29-16В-0,1мкФ-В ±5%	1
C19	К10-17Б-Н1500-220пФ ±5%	1
C20	К50-29-16В-47мкФ-В ±5%	1
C21	К10-17Б-Н50-0,1мкФ ±5%	1
	Резисторы
	ТУ
R1, R7,	С2-23-0,062-750 Ом ±5%	4
R13, R19
R2, R8,	С2-23-0,062-13 кОм ±5%	4
R14, R20
R3, R9,	С2-33-0,125-1,2 Ом ±5%	4
R15, R21
R4, R10,	С2-33-0,125-51 Ом ±5%	4
R16, R22
R5, R11,	С2-33-0,125-8,2 Ом ±5%	4
R17, R23
R6, R12,	С2-23-0,062-1,5 кОм ±5%	4
R18, R24
R25	С2-23-0,062-560 Ом ±5%	1
R26	С2-23-0,062-1,3 кОм ±5%	1
R27	С5-14В-0,125-0,05 Ом ±1%	1
R28	С2-33-0,125-24 Ом ±5%	1
R29	С2-33-0,125-2,5 Ом ±5%	1
R30	С2-23-0,062-1,5 кОм ±5%	1
	Транзисторы
VT1 ¸ VT5	КТ339А	5

5. Уточнение результирующих характеристик усилителя путем компьютерного моделирования

Уточнение результирующих характеристик спроектированного усилителя выполнено путем компьютерного моделирования с помощью схемотехнического пакета Tina TI. При этом определялась амплитудно- часточная характеристика усилителя в полосе частот от 10Гц до 30 МГц. Для построения амплитудно-частотной характеристики использовался измеритель диаграмм Bode Ploter. Результаты моделирования представлены на рис.17 и рис.18.

Из данных рисунков следует, что в заданной полосе пропускания ( fн =75Гц и fв= 20 МГц) коэффициент усиления по напряжению достаточно постоянен и равен К_u=56дБ при требуемом значении К_u=54дБ. На частотах близких к граничным коэффициент частотных искажений не превышает 3 дБ.

Таким образом, результаты моделирования в пределах его погрешности подтверждают правильность расчетов.

Рис.17 Проверка частотных искажений усилителя на нижней граничной частоте

Рис.18 Проверка частотных искажений усилителя на верхней граничной частоте

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы обоснована структурная схема усилителя, разработана принципиальная схема усилителя, проведен расчет и выбор элементов схемы.

Эксплуатационные данные:

- Источник питания на 9 В;

- Верхняя граница температурного диапазона; Т_max =40⁰С ;

- Нижняя граница температурного диапазона Т_min =5⁰С;

- Входной сигнал не более 3 мВ.

- Остальные характеристики соответствуют заданию.

Отличительной особенностью спроектированного усилителя является то, что все его каскады выполнены по типовой схеме с использованием однотипных биполярных высокочастотных транзисторов.

Результаты проведенного компьютерного моделирования подтверждают правильность расчетов.

ЛИТЕРАТУРА

1 Проектирование усилительных устройств / Под редакцией Н. В. Терпугова. – М.: Высшая школа, 1982.

2. Мамонкин И. Г. Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1989.

3 Полупроводниковые приборы: Транзисторы./В.Л.Аронов и др.; под общ. ред. Н. Н. Горюнова.-М.: Энергоатомиздат, 1985

4. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники - М.: Высш. Шк., 1988

5. Погодин Д.В. Исследование усилительного каскада с RC – связями (EWB).- Казань: КГТУ, 2003