Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАДАЧА № 1

Начертить принципиальную схему однотактного резисторного каскада предварительного усиления на БТ, включенном по схеме с ОЭ с эмиттерной стабилизацией точки покоя. Рассчитать параметры элементов схемы, режим работы каскада по постоянному току, коэффициент усиления в области средних частот, входные параметры каскада и амплитуду входного сигнала.

амплитуда сигнал усилитель схема

Исходные данные для варианта:

1. Марка транзистора: КТ361 А

2. Амплитуда сигнала на нагрузке: Umн = 1,3 В

3. Относительный коэффициент усиления на верхней рабочей частоте fв: Yв =0,9 раз

4. Относительный коэффициент усиления на нижней рабочей частоте fн: Yн = 0,7 раз

5. Емкость нагрузки: Сн = 25,0 пФ

6. Сопротивление нагрузки: Rн = 150 кОм

7. Верхняя рабочая частота: fв = 2,5 МГц

8. Нижняя рабочая частота: fн = 100 Гц

9. Внутреннее сопротивление источника сигнала: Rист = 50 Ом.

Параметры транзистора КТ361 А:

1. Коэффициент усиления по току: h_21ЭМИН = 20, h_21Эмах = 90;

2. Сопротивление базового слоя: r_ББ' = 50 Ом;

3. Напряжение на коллекторе: u_К.МАКС = 20 В;

4. Мощность, рассеиваемая на коллекторе: Р_К.МАКС = 150 мВт;

5. Частота единичного усиления: f_T = 250 МГц;

6. Ёмкость коллекторного перехода: C_К = 9 пФ;

7. Обратный ток коллекторного перехода: Iкбо =1мкА;

8. Структура транзистора: p-n-p.

Решение:

Принципиальная схема резисторного каскада предварительного усиления приведена на рисунке 1.

Рисунок 1

Рассчитываю общую нагружающую каскад ёмкость [1]:

С_0.ВЫХ = С_ВЫХ.VT + С_М + С_Н = Ск + См + Сн =

, (1)

где С_ВЫХ.VT - выходная емкость транзистора равная ёмкости коллекторного перехода С_К; С_М - емкость монтажа, которую можно взять примерно равной 5 пФ.

Определяю эквивалентное сопротивление выходной цепи каскада в области верхних частот с учётом заданного относительного коэффициента усиления Y_В на верхней частоте [2]:

. (2)

Затем из соотношения [1], в котором можно пренебречь влиянием большого выходного сопротивления R_ВЫХ.VT транзистора VT, нахожу R_К:

(3)

(4)

Выбираю по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е24: R_К = 820 Ом.

Определяю амплитуду тока в нагрузке I_mн и ток покоя транзистора i_К0:

, (5)

. (6)

Напряжение покоя U_КО должно быть в несколько раз больше амплитуды сигнала. По условию U_m.Н < 2 В. Поэтому удобно принять U_К0 = 5 В (при этом напряжении обычно измеряются параметры транзисторов).

Расчет элементов схемы эмиттерной стабилизации тока покоя начинается с определения величин токов базы i_Б0 и делителя i_Д.

Рассчитываю постоянный ток базы (ток смещения):

, (7)

где. (8)

Рассчитываю ток делителя смещения:

. (9)

Рассчитываю падение напряжения на резисторе R_Э:

. (10)

Тогда:. (11)

Выбираю по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е24: R_Э = 360 Ом.

Входное сопротивление транзистора VT:

(12)

где r_ББ' = 50 Ом - сопротивление базы (справочный параметр).

Потенциал базы U_Б0:

U_Б0 = U_БЭ0 + U_0Rэ = 0,5 + 1,5 = 2,0 В. (13)

где U_БЭ0 0,5 В - напряжение база - эмиттер для маломощных кремниевых транзисторов при токе покоя, измеряемого единицами миллиампер. Расчётная величина тока покоя устанавливается при настройке путём подбора сопротивлений резисторов базового делителя.

Напряжение источника питания:

Е_К = U_К0 + i_К0 ^. R_К + U_Э0 = 5,0 + 4,1 ^. 10^{-3 .} 820 + 1,5= 5,0 + 3,36 + 1,5 = 9,86 =10 В. (14)

Рассчитываю сопротивление резисторов делителя:

. (15)

Выбираю по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: R_Б = 13,0 кОм.

(16)

Выбираю по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: R = 3,9 кОм.

Коэффициент усиления каскада по напряжению определяю по формуле:

. (17)

Входное сопротивление и входная емкость каскада рассчитываются по формулам:

. (18)

(19)

где f_Т - граничная частота транзистора (справочный параметр);

r_Э = 0,026 / i_К0 = 0,026/4,1 ^. 10^-3 = 6,3 Ом - сопротивление эмиттера;

С_К - емкость коллектора (справочный параметр).

Амплитуда входного сигнала

U_m.ВХ:. (20)

Величина допустимых искажений в области нижних частот распределяется с учетом разрешённой к применению элементной базы и переходной цепью Y_Н.Ср.вх и цепью С_ЭR_Э - Y_Н.Сэ.В данном расчёте ограничений нет и можно принять:

; (21)

Тогда

(22)

где S _Э - крутизна характеристики тока эмиттера;

;

(23)

эквивалентное сопротивление источника, предшествующего транзистору VT.

Выбираю по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: С_Э = 200 нФ.

По окончанию расчёта привожу номинальные значения рассчитанных элементов схемы резисторного каскада:

R_Э = 360 Ом; R_К = 820 Ом; R_Б = 13,0 кОм; R = 3,9 кОм; С_Э = 200 нФ.

ЗАДАЧА №2

Начертить принципиальную схему инвертирующего усилителя на ОУ без указания цепей подачи питания и балансировки (установки нуля), цепей коррекции АЧХ. Рассчитать параметры элементов принципиальной схемы, кроме разделительного конденсатора на входе схемы, определить максимально допустимую амплитуду входного сигнала и граничную частоту (иначе, частоту среза или частоту полюса) АЧХ спроектированного усилителя, глубину обратной связи F*. Исходные данные для расчёта приведены в таблице 3.

Исходные данные для варианта:

1. Коэффициент усиления ОУ: К_ОУ = 1 ^. 10⁵ раз.

2. Максимальный выходной ток: I_{ВЫХ.МАКС} = 2,5 ^. 10^-3 А.

3. Максимальная амплитуда выходного сигнала: u⁺_ВЫХ = 10 В.

4. Частота единичного усиления: f₁ = 1 МГц.

5. Выходное сопротивление: R_ВЫХ.ОУ = 150 Ом.

6. Расчетный коэффициент усиления: К_ОУ.ОС = 1000 раз.

7. Сопротивление источника сигнала: R_ИСТ = 300 Ом.

ПРИМЕЧАНИЕ: 1) Сопротивление С_Р.ВХ пренебрежимо мало.

2) R_Н >> R_ВЫХ.ОУ.

Решение:

Принципиальная схема операционного усилителя приведена на рисунке 2. В центре ОУ помещен знак функционального назначения элемента - усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления. Инвертирующий вход обозначен кружком. В дополнительных полях помещены следующие метки: +Е₀, - Е₀ - подключение источника питания; FC - подключение цепей коррекции АЧХ; NC - подключение элементов балансировки усилителя. Цепи коррекции и балансировки индивидуальны для каждого усилителя не показаны.

1. Расчёт начинается с определения сопротивления защиты R_ЗАЩ. С помощью R_ЗАЩ предотвращают перегрузку ОУ.

, (1)

где u_{ВЫХ.МАКС} - максимальная амплитуда выходного сигнала;

I_{ВЫХ.МАКС} - максимальный постоянный выходной ток.

Выбираем по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: R_ЗАЩ = 4,3 кОм.

Рисунок 2 - Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ

2. Далее рассчитываем сопротивление резистора R_ОС. При этом следует учитывать два обстоятельства. Во-первых, сопротивление R_ОС не должно шунтировать нагрузку, а, во-вторых, сопротивление R_ОС желательно выбирать, возможно, меньшей величины, чтобы обеспечить минимальные фазовые искажения в цепи ОС.

Выбираем:

R_ОС = (20…40)R_ЗАЩ = 30 ^. 4300 = 129 кОм. (2)

Выбираем по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: R _ОС = 130 кОм.

3. Сквозной коэффициент усиления ОС обратной связью К*_ОУ.ОС и коэффициент усиления по напряжению с обратной связью К_ОУ.ОС, практически равные друг другу К*_ОУ.ОС = К_ОУ.ОС, рассчитываются по формулам:

;

,

где К*_ОУ и К_ОУ - соответственно сквозной коэффициент усиления и коэффициент усиления по напряжению ОУ без ОС, которые практически равны К*_ОУ.ОС К_ОУ.ОС; - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Согласно выражению для К_ОУ.ОС, рассчитываем :

. (3)

.

По найденному находим сопротивление R₁ по формуле:

. (4)

.

Выбираем по ГОСТ согласно шкале номинальных значение сопротивлений и конденсаторов с 5% точностью ряд Е 24: R ₁ = 180 Ом.

Для того, чтобы не десбалансировать усилитель за счет хотя и малых, но все же имеющих место входных токов, выбираю: R₂ = R_ОС = 130 кОм.

6. Входное и выходное сопротивления рассчитываются по формулам:

, (5)

.

.

7. Входная ёмкость самого ОУ (несколько пикофарад) пренебрежимо мала по сравнению с емкостью, вносимой за счет параллельной по входу ООС. Ёмкостная составляющая цепи ООС создается за счет проходной емкости С_ПР резистора R_ОС (на рисунке 2 обозначена пунктиром).

Тогда

С_{ВХ.ОУ.ОС} С_ПР К_ОУ.ОС = 1 ^. 10^{-12 .} 10³ = 1 нФ,

где С_ПР 1пФ. (6)

8. Максимальная амплитуда выходного сигнала u_m.ВХ зависит только от максимальной амплитуды выходного сигнала и коэффициента усиления:

. . (7)

9. Глубина обратной связи:

(8)

10. Определение граничной частоты, по другому, частоты среза или частоты полюса ОУ без ОС и с ОС f_ГР и _ГР.ОС.

У реальных ОУ АЧХ круто падает при увеличении частоты сигнала. Для проведения инженерных расчетов удобно пользоваться идеализированной АЧХ, приведенной на рис.3. На оси ординат в логарифмическом масштабе отмечается заданная величина коэффициента усиления без ОС К_ОУ, а на оси абсцисс - частота единичного усиления f₁ (это частота, на которой К_ОУ уменьшается до единицы).

По заданию К_ОУ = 10⁵, f₁ = 1МГц. Затем от отметки К_ОУ = 10⁵ на оси ординат проводится прямая, параллельная оси абсцисс до частоты и эта точка соединяется с отметкой f₁.

, (9)

Для нахождения граничной частоты f_ГР.ОС (иначе, частоты среза, частоты полюса) на оси ординат идеализированной АЧХ отмечается заданный коэффициент усиления с ОС К_ОУ.ОС , по заданию, К_ОУ.ОС = 10³ и проводится прямая, параллельная оси абсцисс до пересечения с АЧХ (пунктир на рисунке 3). Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс, который и определяет значение f_ГР.ОС = 8 ^. 10² Гц.

АЧХ спроектированного усилителя будет ограничиваться горизонтальной пунктирной линией и склоном АЧХ ОУ.



Рисунок 3 - АЧХ спроектированного усилителя

ВЫВОДЫ

В ходе выполнения контрольной работы №1 были освоены навыки по расчету элементов однотактного усилителя на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ в классе А, а также в контрольной работе №2 приобрели навык по расчету усилителя на ОУ в инвертирующем включении, определять граничную частоту среза АЧХ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Травин Г.А. Методические указания по изучению дисциплины «Основы схемотехники» и выполнения заданий по ней на контрольные и курсовые работы, Новосибирск, СибГУТИ, 2003 г.

2. Травин Г.А. Основы схемотехники устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Ч.1.Учебное пособие для вузов и факультетов связи. Новосибирск, СибГУТИ, 2001. - 196с.

3. Травин Г.А. Основы схемотехники устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения. Ч.2.Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. Новосибирск, СибГУТИ, 2002. - 354с.

Размещено на Allbest.ru