Исследование усилителя напряжения низкой частоты с RC-связями

1.2. Анализ характеристик  и параметров транзистора, выбор  режима его работы и расчет  УНЧ с ОЭ по постоянному  току

Находим амплитуду переменной составляющей тока коллектора:

2,8 ,

где принято, что , а

Определяем постоянную составляющую тока коллектора, т.е. :

, где

 – коэффициент запаса  .

3,5

Задаются  значением постоянной составляющей напряжения , т.е. , которое должно удовлетворять следующим условиям:

6

Точка с координатами и называется рабочей точкой или точкой покоя. Она наносится на семейство выходных ВАХ выбранного транзистора, из которого определяют для нее – постоянный ток базы (ток покоя базы) транзистора. По входной ВАХ (взятой из справочника для конкретного транзистора) определяют входное сопротивление транзистора , сравнивают его с ранее принятым и используют в дальнейших расчетах.

670

Рассчитывается  мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

Сначала находят  при нормальной температуре, а затем ее уточняют для рабочей температуры УНЧ по формуле:

, где

 – максимально допустимая  рассеиваемая коллектором транзистора  мощность при нормальной температуре  .

 – максимально допустимая  температура коллекторного перехода (для германиевых транзисторов  , а для кремниевых транзисторов ).

21

22,62

Определяется  общее сопротивление коллекторной и эмиттерной цепей, т.е.:

Резистор  предназначен для осуществления температурной стабилизации режима работы транзистора (положения рабочей точки на ВАХ).

Определяем  и выбираем его стандартное значение:

, где

 – падение напряжения на  резисторе  .

1714

Мощность, рассеиваемая на резисторе  от тока покоя, равна:

21

Исходя из значения , выбирают тип резистора, а токи и в сумме составляют ток покоя эмиттера , т.е. .

0,1 + 3,5 = 3,6

857

Далее по входной ВАХ находят  напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме покоя (при ).

0,75

Требуемые значения токов  , и напряжений , обеспечивают с помощью общего источника питания УНЧ и резисторов. При использовании делителя напряжения (этот метод обеспечения режима покоя называется методом питания фиксированным напряжением) связь между напряжениями и токами транзистора в режиме покоя определяется следующими выражениями (см. рис. 1):

 

 

где – ток делителя, протекающий через резисторы и .

Принимая  и не допуская выполнения условия, при котором , находят значения резисторов и по формулам:

Определим:

0,615

6236

15615

Входное сопротивление усилителя  находится  по формуле:

582

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. Расчет схемы УНЧ по переменному  току 

Исходя из полученных результатов, уточняем коэффициент усиления каскада  по напряжению без отрицательной  обратной связи по уже знакомой формуле:

4,664

и требуемый коэффициент усиления:

4,67.

При этом должно выполняться условие:

Определяем емкость разделительных конденсаторов  и емкость блокировочного конденсатора . Они влияют на коэффициент усиления УНЧ в области низких частот, поэтому распределяя поровну частотные искажения между ними, т.е. – находим:

где .

где – входное сопротивление транзистора со стороны эмиттера, т.е. при включении его по схеме с общей базой (ОБ), причем – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, а - сопротивление области базы – следует взять из справочника по транзисторам, либо использовать вместо него близкое к нему по значению .

Определим:

5,4

1,78

7,22      17,77

176,79

Вычисляется потребляемая от источника  питания УНЧ мощность:

61,42

Находим коэффициент усиления УНЧ  по току:

60,73

и коэффициент  усиления по мощности:

283,24.

В результате проведенных расчетов найдены значения всех элементов  схемы УНЧ с ОЭ (рис. 1, а). Его  схема вводится в ПЭВМ (в соответствии с правилами программы PSpice) и производится моделирование данного УНЧ, в ходе которого должны быть получены амплитудная и амплитудно-частотная характеристики УНЧ (т.е. АХ и АЧХ) и проведена проверка режима температурной стабилизации каскада, т.е. правильность расчета _.

 

 

 

 

 

 

 

1.4. Расширение частотного  диапазона УНЧ (коррекция АЧХ)

Известно, что АЧХ любого УНЧ  имеют спады (участки с резким _{уменьшением значения} ) _{в областях низких и высоких частот. Они обусловлены влиянием и частотными свойствами транзистора,} соответственно. Для улучшения частотных свойств уже разработанного УНЧ, т.е. с конкретными значениями элементов схемы, применяются корректирующие цепи. Они содержат дополнительные частото-зависимые элементы, которые частично нейтрализуют влияние факторов, вызывающих неравномерность АЧХ. Коррекция АЧХ на НЧ и ВЧ осуществляется раздельно. При усилении импульсных сигналов они соответствуют коррекции фронта и вершины импульсов.

Низкочастотная коррекция АЧХ  может быть осуществлена введением  в коллекторную цепь фильтра  .

На рис.3 приведена принципиальная схема каскада с НЧ-корректирующей цепью.

Рис. 3.

Ее компоненты и могут быть найдены из условий:

которые являются условиями наилучшей коррекции.

5880

51,93

После этого определяется величина и отношение к , обеспечивающее наилучшую коррекцию АЧХ, т.е.:

где .

Подсчитаем:

0,29 3,14

0,972;

0,124.

По значению отношения  (20) находят нижнюю граничную частоту УНЧ с корректирующей цепью. Формула для этого имеет вид:

где .

318,47

71,59

Эффективность НЧ-коррекции оценивается относительным расширением условной полосы пропускания .

4,45

 

 

 

 

1.5. Проектирование УНЧ  с ОБ

Известно, что УНЧ с ОБ имеют более широкий частотный диапазон, но меньшие коэффициенты усиления по току и мощности . Кроме того, они обладают малым входным и большим выходным сопротивлениями, т.е. и , что затрудняет согласование каскадов. Но поскольку транзистор в схеме включения с ОБ имеет _{наибольшее напряжение} , _{более предпочтительные с точки зрения} линейности зависимости между выходным и входным токами, т.е. между , а также лучшую стабильность режима работы от изменений температуры, то целесообразно ознакомиться с этими особенностями более подробно.

Для этой цели требуется на основе части предыдущих расчетов спроектировать УНЧ, транзистор которого должен быть включен по схеме с ОБ. Нагрузка каскада и транзистора – должны остаться неизменными. Цепочка из и , используемая в схеме предыдущего УНЧ для термостабилизации режима транзистора, может быть выведена из схемы УНЧ с ОБ в силу вышеупомянутого замечания , но может быть и оставлена. Исходя из схемы такого УНЧ (см. рис. 1, б) видно, что дополнительно необходимо определить величину емкости конденсатора и параметры и .

Если  в цепи смещения , протекает ток , то потенциал базы будет равен:

Потенциал эмиттера должен быть близок к "0", если напряжение не содержит постоянной составляющей. Тогда напряжение будет приложено к эмиттерному переходу транзистора в прямом направлении и также как в схеме с УНЧ с ОЭ обеспечит протекание токов покоя и , примерно равных токам и в предыдущем случае.

Наличие конденсатора способствует сохранению режима покоя в течение всего периода эксплуатации. Чтобы обеспечить постоянство необходимо выбрать из условия:

0,36

Входное сопротивление УНЧ с ОБ определяется по формуле:

 где

 – коэффициент передачи тока эмиттера транзистора, примерно равен (0,9...0,995).

0,995 10,44

Выходное сопротивление УНЧ  с ОБ равно выходному сопротивлению предыдущего усилителя, т.е.

 где

 – сопротивление коллекторного  перехода транзистора, примерно  равное 1 МОм и более.

1714

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по напряжению находится по формуле:

4,63.

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по току равен:

0,97.

Коэффициент усиления УНЧ с ОБ по мощности находится умножением (25) и (26), т.е.:

4,49.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ НА ПЭВМ

2.1. Общая характеристика задания  на моделирование

Моделирование разработанных схем проводится для проверки их работоспособности   с   использованием   "компьютерного   макета". Моделирование позволяет  обойтись без трудоемкого этапа  изготовления опытного образца схемы. Для моделирования применяется  профессиональная система анализа  аналоговых схем PSpice, позволяющая в частности:

1) задать входные сигналы произвольной  формы и определить реакцию  схемы на эти сигналы, т.е.  найти формы напряжений и токов  в любом узле или между узлами  схемы, определить рассеиваемые  элементами мощности;

2) рассчитать  и вывести в графическом виде  частотные характеристики схемы;

3) задать произвольные рабочие  температуры окружающей среды  и оценить термостабильность схемы;

4) вывести результаты анализа  в графическом виде и получить  твердую копию (распечатать на  принтере).

Из режимов программы, указанных  в верхней части меню, рекомендуется  использовать режимы:

Files        - для редактирования и проверки входного файла;

Analysis   - для запуска программы расчета;

Probe       - для вывода результатов расчета;

Quit        - для выхода из системы.

 

 

2.2. Подготовка схемы и  входного файла.

 

Описание схемы начинается с  присвоения имен узлам электрической  схемы. Рекомендуется использовать цифровые имена 0, 1, ... , причем имя 0 присваивается  всегда узлу с нулевым потенциалом "земля".

После этого составляют файл описания схемы, которое позднее будет  дополнено директивами на моделирование. В первой строке файла указывают  заголовок, а во второй - комментарий  на русском языке. Строка комментария  начинается символом * и не воспринимается программой. Первые две строки могут  иметь вид: