Проектирование широкополосного усилительного устройства

Расчет элементов схемы производился с помощью математического пакета Mathcad 2000 Professional.

В нашем случае, при выходном напряжении U_{вых эфф}=8 В и сопротивлении нагрузки R_н = 10⁶ Ом мощность рассеяния транзистора VT должна быть больше . Для данной схемы выбираем транзистор КТ325А (используется для усиления сигналов высокой частоты, F_т=800 МГц, Р_доп=225 мВт).

Электрические параметры КТ325А:

1. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ:

2. ;

3. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ: ;

4. Ёмкость коллекторного перехода при Uкб=5 В, не более: ;

Предельные эксплуатационные данные:

1. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер: ;

2. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: мВт;

3. Температура p-n перехода:.

4. Максимальная температура окружающей среды: .

Рис. 2. Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

широкополосный усилитель импульсный гармонический

- входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

- коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи);

- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока.

Вычисление параметров схемы Джиаколетто:

* = - барьерная емкость коллекторного перехода;

* = - выходное сопротивление транзистора;

* = - сопротивление коллекторного перехода;

* - сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току;

* = - сопротивление эмиттерного перехода базовому току;

* = - распределенное сопротивление базы;

_ОС - постоянная времени обратной связи транзистора;

ориентировочное значение r_Б можно определить по формуле:

r_Б Н_12Б / Н_22Б;

* = - диффузионная емкость эмиттерного перехода;

* = - собственная постоянная времени транзистора;

* - крутизна транзистора;

Фазовращательный каскад представляет собой усилительный каскад с схеме включения как с общим коллектором так и с общим эмиттером, он обеспечивает расщепление фазы с единичным коэффициентом усиления.

Фазовращательный каскад представляет собой два каскада в схеме включения с общим эмиттером и в схеме включения с общим коллектором:

Смысл данной схемы заключается что на выходе мы получаем два одинаковых сигнала, которые по фазе различаются на 180є.

Рис. 3. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления

Для схемы включения с общим эмиттером коэффициент усиления равен:

, R₀ = R_i ||R_к||R_н=

Для схемы включения с общим коллектором коэффициент усиления равен:

,

Найдем значение R₀: >

Подберем значения возьмем их равными

Произведем расчет граничных частот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений и емкостей, входящих в каскад:

* Граничная частота усилительного каскада в области нижних частот:

, используем номинал 4,7 нФ

* Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 8.2 мкФ

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области верхних частот:

постоянная времени усилительного каскада в области верхних частот;

=

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

=

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

,

I_Д= (10 - 20) I_Б0 = 1,95 мА,

, используем номинал 6,8 кОм

, используем номинал 330 Ом.

Усилитель напряжения представляет собой усилительный каскад с ООС по напряжению параллельного вида, он обеспечивает основное усиление входного сигнала по напряжению.

Расчет каскада ОЭ с ООС по напряжению параллельного вида:

Для нашего случая, чтобы удовлетворить ТЗ, выбираем Еп = 24 В.

Чтобы удовлетворить параметрам транзистора должно выполняться следующее условие: выбираем Rk=2,7 кОм;

Тогда ;

Рис. 3. Схема усилительного каскада с ООС по напряжению параллельного вида

Произведем расчет граничных частот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений и емкостей, входящих в каскад:

Граничная частота усилительного каскада в области нижних частот:

, используем номинал 4,7 нФ

Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 8,2 мкФ

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области верхних частот:

 постоянная времени усилительного каскада в области верхних частот;

=

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

=

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

* ,

I_Д= (10 - 20) I_Б0 = 1,95 мА,

, используем номинал 6,8 кОм

* , используем номинал 330 Ом.

Для согласования с нагрузкой на выход широкополосного усилителя необходимо поставить усилитель, который не должен вносить изменения в амплитуду сигнала, должен обладать высоким входным и низким выходным сопротивлением. Всем этим требованиям удовлетворяет усилительный каскад на биполярном транзисторе, включённом по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Рис. 4. Эмиттерный повторитель

Произведем расчет граничных частот усилительного каскада, а также определим номиналы сопротивлений и емкостей, входящих в каскад:

Граничная частота выходной цепи усилительного каскада в области нижних частот

, используем номинал 4,7 нФ

Граничная частота входной цепи каскада в области нижних частот:

, используем номинал 0,56 мкФ

Постоянная времени входной цепи в области верхних частот:

Постоянная времени выходной цепи в области верхних частот:

*

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

,

;

Произведем расчет сопротивлений резисторов R1 и R2:

?

используем номинал 5,6 кОм (все номинальные значения сопротивлений из ряда Е12).

используем номинал 12,0 кОм.

В усилителе заданием предусмотрена ступенчатая регулировка усиления Dp = 40 dB.

Рис. 5. Схема регулировки усиления

Задавшись величиной одного из резисторов делителя, можно определить величину другого, в соответствии с формулой:

Пусть R2 = 1 кОм,

, используем номинал 100.0 кОм.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен расчет электрической принципиальной схемы широкополосного усилительного устройства. После расчета элементов схемы было произведено моделирование устройства в программном пакете «Electronics Workbench V5.12».

На основании результатов моделирования (амплитудно-частотная характеристика устройства) можно сделать вывод, что данная электрическая схема полностью удовлетворяет требованиям ТЗ: Ku = 80, f_Н = 20 Гц, f_В = 4 МГц.

Список источников