Расчет многокаскадного усилителя
Исходные данные для расчета.
Еп=10 В; Rи=150 Ом; Rк=470 Ом; Rн=510; Сн=15 пФ ;Tмин=-30град; Тmax=50град;
Требуемая нижняя частота : Fн=50 кГц.
Используемый тип транзистора: КТ325В (Si ; N-P-N ; ОЭ)
Нестабильность коллекторного тока -
Параметры транзистора:
Граничная частота - Fгр = 800Мгц.
Uкбо(проб)=15В.
Uэбо(проб)=4В.
Iк(мах)=60мА.
Обратный ток коллектора при Uкб=15В : Iкбо<0.5мкА (при Т=298К).
Статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ: h21=70…210.
Емкость коллекторного перехода: Ск<2.5пФ.(при Uкб=5В)
rкэ(нас.)=40 Ом.
Постоянная времени цепи обратной связи: ?к<125 нс.
Для планарного транзистора - технологический параметр = 6.3
Предварительный расчет.
Исходя из значений Еп и Rк, ориентировачно выберем рабочую точку с параметрами Uкэ=4В и Iкэ=1мА.
Типичное значение, для кремниевых транзисторов: Uбэ=0.65В.
Uкб=Uкэ-Uбэ = 3.35В
=2.857 пФ.
=275Ом - Объемное сопротивление базы.
Iб = Iкэ/h21 = 8.264e-6 - ток базы. Iэ = Iкэ - Iб = 9.9e-4 - ток эмиттера.
rэ = 26е-3/Iэ = 26.217 - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
Параметр ? = rэ/rб + 1/h21 = 0.103 (Нормированное относительно Fгр значение граничной частоты)
Для дальнейших расчетов по заданным искажениям в области нижних частот зададимся коэффициэнтами частотных искажений.
Пускай доля частотных искажений, вносимых на нижней частоте разделительным конденсатором Ср, окажеться в к=100 раз меньше чем конденсатором Сэ, тогда коэффициенты частотных искажений
равны: Мнр = 0.99, а Мнэ = 0.71( Определяются по графику)
= 2.281е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Оптимальное напряжение на эмиттере выбирается из условия :Uэ = Еп/3, это позволяет определить величину Rэ.
Rэ = =3.361е3 Ом;
=3.361В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 2.169е3 Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.
= 4.062е-9 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.
= 9.551е-10 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
= 7.889е-8 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя, обеспечивающей заданную температурную нестабильность коллекторного тока.
= 1.487е-6 А; - неуправляемый ток перехода коллектор-база.
=0.2 В; -сдвиг входных характеристик.
=3.813е-5 А. -ток делителя.
= 1.052e5 Ом
=1.291e5Ом
Номиналы элементов, приведенные к стандартному ряду.
Rф=2.2е3 Ом; Rэ=3.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1.3е5 Ом; Cр= 4е-9 Ф; Cф= 1е-9 Ф; Cэ=7е-8Ф;
Оценка результатов в программе «MICROCAB»
1. Оценка по постоянному току.
2.1А.Ч.Х. - каскада.
2.2 А.Ч.Х. - по уровню 07.
Реализуемые схемой - верхняя частота - Fв = 2.3Мгц и коэффициент усиления К = 22Дб = 12.6
ЭТАП №2
Задание: Обеспечить за счет выбора элементов либо модернизации схемы
увеличение К в два раза(при этом Fв - не должно уменьшаться) и проверить правильность расчетов на Э.В.М.
РАСЧЕТ.
Требования к полосе частот и коэффициенту усиления:
К = 44Дб = 158 Fн =50 Кгц Fв =2.3Мгц
Uкб=Uкэ-Uбэ = 4.35В
=2.619 пФ.
=300Ом - Объемное сопротивление базы.
Оценка площади усиления и количества каскадов
в усилителе.
=8.954 е7 Гц - Максимальная площадь усиления дифференциального каскада.
Ориентировачное количество каскадов определим по номограммам,
так как =39, то усилитель можно построить на двух некорректированных каскадах.
Требуемая верхняя граничная частота для случая, когда N = 2 ( с учетом, что фn = =0.64)
Fв(треб)=Fв/фn = 3.574е6 Гц
Требуемый коэффициент усиления одного каскада К(треб)== 12.57
Требуемая нижняя граничная частота Fн(треб)=FнХфn =3.218e4
Реализуемая в этом случае площадь усиления =4.5е7 Гц
Расчет первого (оконечного) каскада.
Определим параметр = 1.989
Оптимальное значение параметра =0.055
Этому значению параметра соответствует ток эмиттера равный:
Iэ = =2мА
Соответственно Iкэ = = 2мА и Iб = = 1.5е-5 А.
rэ = = 14.341 Ом - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
= 1.388е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.
= 1.75е3 Ом
= 3.562е-9 сек - постоянная времени транзистора.
= 0.008 - относительная частота.
Высокочастотные Y- параметры оконечного каскада.
= 0.061 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).
= 3е-14 Ф- Входная емкость транзистора.
= 5.02 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.
= 5.456 е-6 См - Проводимость обратной передачи.
= 5.027 е-4 См - Входная проводимость транзистора.
= 4.5е-11 Ф - Входная емкость транзистора.
Реализуемая в этом случае площадь усиления :
= 1.165е8 Гц
Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:
= 347.43 Ом
Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.
= 3.294е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Rэ = =1.68е3 Ом;
=3.077В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 704.5 Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.
= 1.088е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.
= 7.87е--9 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
= 2.181е-7 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя, обеспечивающей заданную температурную нестабильность коллекторного тока.
=4.351е-5 А. -ток делителя.
= 8.566е4 Ом
=1.07е5 Ом
Расчет второго (предоконечного) каскада.
Реализуемая площадь усиления и параметр для предоконечного каскада.
=9е7 Гц =0.04
Этому значению параметра соответствует ток эмиттера равный:
Iэ = =3мА
Соответственно Iкэ = = 3мА и Iб = = 2.2е-5 А.
rэ = = 9.8 Ом - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
= 2.03е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.
= 1.196е3 Ом
= 4.878е-9 сек - постоянная времени транзистора.
Высокочастотные Y- параметры предоконечного каскада.
= 0.083 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).
= 2.1е-14 Ф- Входная емкость транзистора.
= 6.8 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.
= 5.466 е-6 См - Проводимость обратной передачи.
= 1.909е3 См- Входная проводимость первого каскада.
Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:
= 164.191 Ом
Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.
= 1.362е-8е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Rэ = =1.247е3 Ом;
=3.33В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 459.2 Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.
= 3.58е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.
= 1.5е-8 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
= 2.98е-7 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя, обеспечивающей заданную температурную нестабильность коллекторного тока.
=3.771е-5 А. -ток делителя.
= 1е5 Ом
=1.06е5 Ом
Номиналы элементов, приведенные к стандартному ряду.
Номиналы элементов первого каскада.
Rф=700 Ом; Rэ=1.6е3Ом; Rб1=8.5е4Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 1е-8 Ф; Cф= 8е-9Ф; Cэ=2е-7Ф; Rк=350 ;
Номиналы элементов второго каскада.
Rф=450 Ом; Rэ=1.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 2.6е-9Ф; Cф= 1.5е-8 Ф; Cэ=3е-7Ф; Rк=160 ;
Оценка входной цепи.
Определим коэффициент передачи входной цепи в области средних частот
и ее верхнюю граничную частоту.
Зададимся ? = 0.2
= 1.124 - Коэффициент передачи входной цепи.
= 1.1е7 Гц
Верхняя граничная частота входной цепи значительно больше
верхней требуемой частоты каждого из каскадов.
При моделировании на ЭВМ учитывалось влияние входной цепи.
Оценка результатов в программе «MICROCAB»
1. Оценка по постоянному току.
2. А.Ч.Х. усилителя.
3. А.Ч.Х. - по уровню -07.
Реализуемые схемой - верхняя частота Fв = 2.3Мгц, нижняя частота Fн = 50кГц
и коэффициент усиления К = 44Дб = 158 - полностью соответствуют заданным
требованиям по полосе и усилению.
FIN.