Выбор и расчет усилителя (стр. 3 из 5)

Расчет каскада по постоянному току.

Расчет усилительного каскада производится раздельно по постоянному и переменному токам. Целью расчета по постоянному току является определение положения рабочей точки на характеристиках транзистора и ее температурную стабильность. Расчет по переменному току заключается в определении основных динамических параметров, коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности, “шитого и выходного сопротивлений каскада и динамической крутизны. Поскольку характеристики транзистора нелинейные, то единой методики расчета УК не существует. Каскады, работающие при большом уровне сигнала, рассчитывается графоаналитические методом с использованием ВАХ транзистора, а УК с малым уровнем сигнала - аналитическим методом, который основан на использовании эквивалентных схем транзистора. Условно сигнал считается малым, если его амплитуда не превышает 15..20% постоянного значения напряжения в рабочей точке.

Исходные данные:

R_н = 6533 Ом

U_mн = 19 В

Пусть коэффициент усиления каскада К=40

Выбираем транзистор:

Выбираем KT503Б(Sin-p-nв=80...240 I_Кmax=300мА Р_Kmax=0.5Вт). Из входной и выходной характеристик транзистора определяем следующие значения:

в = 140

Примем падение напряжения на сопротилении фильтра:

,

где

, Е_п = 40

Находим напряжение, подводимое к делителю:

Расчёт элементов, обеспечивающих рабочий режим транзистора:

Коэффициент температурной нестабильности S = 3

Сопротивление входной цепи транзистора:

Найдём R_б:

Определяем значение Rэ:

Находим значения R1 и R2:

Напряжение базы U_бп в состоянии покоя:

Определяем ток в цепи делителя базы:

Ток Iд должен в (2...5) раз превышать Iбп

Сопротивление Rф фильтра находим по формуле:

Для нахождения r_kприменим 2-й закон Кирхгофа к выходной цепи коллектора:

Поверочный расчёт коэффициента температурной нестабильности S:

Расчет номинальных значений ёмкостей:

Ёмкость Сф определяется из условия получения необходимой фильтрации питающего напряжения:

Расчёт значений ёмкостей С₁,С₂ и Сэ производятся по формулам:

где

Расчёт динамических параметров усилительного каскада. Эквивалентная схема замещения каскада.

Динамическими параметрами УК являются коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, крутизна усиления. Эти параметры рассматриваются на основе анализа эквивалентной схемы УК для переменных составляющих токов и напряжений. Полная эквивалентная схема замещения каскада содержит следующие элементы: Свх - емкость входной цепи УК, См - емкость монтажа, Сн - емкость нагрузки, Rб= R_l || R₂; транзистор замещен Т - образной схемой замещения (элементы r'б, rэ, r_k*, Ск* и вI6); зажимы "плюс" и "минус" источника питания Еп закорочены по переменной составляющей. Обычно емкость Сф выбирается такой, чтобы ее сопротивление на самой низкой рабочей частоте было близко к нулю и закорачивало резистор Rф. Поэтому цепочка Rф-Сф на схеме не приведена.

Для упрощения анализа и расчетных соотношений принято рассматривать работу усилительного каскада раздельно в области средних, низких и высоких частот.

Анализ УК в области средних частот

На средних частотах (в центральной области полосы пропускания усилителя) сопротивление емкостей C_l, C₂ и Сэ близко к нулю, а сопротивление паразитных емкостей Свх, См, а также емкостей Ск* и Си велико. Поэтому ветви схемы рис.3.2. с C_l, C₂ и Сэ могут быть закорочены, а ветви с Свх, См, Ск* и Си разомкнуты.

Входное сопротивление каскада равно параллельному соединению Rвxvt и Rб:

Выходное сопротивление каскада:

Коэффициент усиления напряжения каскада найдём из формулы:

где

Коэффициент усиления тока и мощности:

Крутизна усилительного каскада определится отношением:

Анализ УК в области низких частот:

В области низких частот следует учесть влияние на параметры каскада разделительных конденсаторов C_l и C₂ и ёмкости в цепи эмиттера Сэ. При правильном выборе Параметров цепочки Rф-Сф ее влияние на частотную характеристику в области НЧ мало и в данном случае не рассматривается. Эквивалентная схема усилителя в области НЧ получается из схемы (рис.3.2.) путем включения емкостей С1,С2 и Сэ и исключения емкости Ск*.

При переходе к более низким частотам возрастают сопротивления ёмкостей C_l, C₂ и Сэ, что приводит к уменьшению токов Iб и Iн и напряжения Uвых. Параметры каскада зависят от частоты. Проанализируем изменения лишь основного показателя коэффициента усиления. С целью упрощения расчетов влияние каждой из указанных выше емкостей рассмотрим отдельно.

Влияние емкости С₁.(положим С₂ = Сэ = ∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

где

- постоянная времени входной цепи

Влияние емкости С2.(положим С₁ = С_э = ∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

где

- постоянная времени выходной цепи

Влияние емкости Сэ.(положим С1=С2=∞)

Коэффициент усиления каскада в комплексном виде составит:

где

- постоянная времени эмиттерной цепи

Таким образом, рассмотрев влияние конденсаторов Cl, C2 и Сэ раздельно, установили, что каждый уменьшает коэффициент усиления каскада с понижением частоты, причем структура формул одинакова.

При совместном действии рассмотренных емкостей структура формулы коэффициента усиления также не изменится:

где

- эквивалентная постоянная времени каскада в области низких частот:

Эти соотношения позволяют записать выражение для модуля коэффициента усиления и его фазы, которые используются для построения АЧХ и ФЧХ усилителя в области низких частот:

К_н уменьшается при понижении частоты. .Это приводит к появлению частотных искажений. Для их количественной оценки используют коэффициент частотных искажений:

На нижней граничной частоте щ_н коэффициент Кн уменьшается в корень из двух раз по сравнению с К. На частоте щ_н Мн= 0.707, а щ_н ф_н= 1. Отсюда можно определить щ_н по заданному значению ф_н:

Анализ УК в области высоких частот:

Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот (ВЧ) определяется инерционностью транзистора. Эквивалентная схема усилителя для области ВЧ следует из рис. 3.2, если в последней учесть конденсатор Ск* ,а также частотно-зависимые параметры в(jщ) и r_k^*(jщ)