Материалы сайта
Это интересно
Селективный усилитель
2 Расчетная часть
2.1 Расчет входного каскада
2.1.1 Выбор транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, VT5
При выборе транзисторов будем учитывать следующее:
- [pic];
- [pic];
- высокий коэффициент [pic];
- малый тепловой ток [pic].
Определим [pic] по формуле:
[pic]. (2.1)
Из стандартного ряда получим:
[pic].
Определим граничные частоты: [pic] и [pic] по формулам:
[pic], где [pic]. (2.2)
Тогда:
[pic].
[pic].
[pic].
Будем использовать в схеме вч-транзисторы КТ3102Г и КТ3107Л.
Параметры КТ3102Г (VT2, VT3, VT5):
- схема n-p-n;
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic].
Параметры КТ3107Л (VT1, VT4):
- схема p-n-p;
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic];
- [pic].
2.1.2 Определение рабочих точек для VT1, VT2, VT3, VT4, VT5
При определении рабочих точек необходимо учесть, что VT1 включен в
диодном режиме, и, т.к. дифференциальный усилительный каскад выполняется по
принципу сбалансированного моста (равенство соответствующих потенциалов:
[pic]; [pic]; [pic]), то [pic] не должно превышать [pic] VT1. Тогда:
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
По входной характеристике VT2 и VT5 определим:
[pic].
2.1.3 Определение исходных потенциалов VT2 и VT5
[pic];
[pic]; (2.3)
[pic].
2.1.4 Расчет сопротивлений базового делителя входного каскада
Базовый делитель напряжения образуют сопротивления [pic], [pic],
[pic]. Делитель обеспечивает стабильность рабочих точек VT2 и VT5. Здесь
[pic]. При этом необходимо учитывать, что [pic]. Для выполнения этого
условия токи [pic] выбираются на порядок больше тока [pic].
Тогда:
[pic];
[pic].
Тогда:
[pic]. (2.4)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этих сопротивлениях выделяется мощность:
[pic]. (2.5)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.6)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.7)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.1.5 Расчет генератора стабильного тока на VT3
Потенциалы эмиттеров VT2 и VT5 равны поленциалу коллектора VT3:
[pic].
Ток коллектора VT3 [pic] представляет собой сумму эмиттерных токов
VT2 и VT5:
[pic];
[pic];
[pic];
По входной характеристике определяем [pic]:
[pic].
Определяем потенциалы [pic], [pic]:
[pic];
[pic];
[pic];
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.8)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.9)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.1.6 Расчет параметров базового делителя VT3
Базовый делитель напряжения при VT3 состоит из сопротивлений [pic] и
[pic]. Как и прежде, для выполнения условия [pic], выбираем ток [pic] на
порядок больше тока[pic]:
[pic];
[pic];
[pic];
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.10)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.11)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]
Тогда:
[pic]. (2.12)
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.13)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.2 Расчет промежуточного каскада
2.2.1 Выбор транзистора VT6
Будем использовать тот же транзистор, что и во входном каскаде
(КТ3102Г).
2.2.2 Определение рабочей точки для VT6
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
По входной характеристике VT6:
[pic].
2.2.3 Определение исходных потенциалов VT6
[pic];
[pic]; (2.14)
[pic].
2.2.4 Расчет сопротивления [pic]
Сопротивление [pic] в эмиттерной цепи VT6 образует местную обратную
отрицательную связь по току.
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.15)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.16)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.2.5 Расчет сопротивления [pic]
Опротивление [pic] в коллекторной цепи VT6 служит для выделения
полезного сигнала.
[pic].
Тогда:
[pic]. (2.17)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.18)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.2.6 Расчет сопротивлений базового делителя VT6
Базовый делитель напряжения при VT6 образуют сопротивления [pic] и
[pic]. Делитель обеспечивает стабильность рабочей точки VT6. Как и прежде,
необходимо учитывать, что [pic]. Для выполнения этого условия ток [pic]
выбирается на порядок больше тока [pic].
Тогда:
[pic];
Тогда:
[pic]. (2.19)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.20)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.21)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.22)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.3 Расчет выходного каскада
2.3.1 Выбор транзистора VT7
Будем использовать тот же транзистор, что и во входном и
промежуточном каскадах (КТ3102Г).
2.3.2 Определение рабочей точки для VT7
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
По входной характеристике определяем:
[pic].
2.3.3 Определение исходных потенциалов VT7
[pic];
[pic]; (2.23)
[pic].
2.3.4 Расчет сопротивлений [pic] и [pic]
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.24)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.25)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.26)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.27)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.3.5 Расчет сопротивлений базового делителя VT7
Базовый делитель напряжения при VT7 образуют сопротивления [pic] и
[pic]. Делитель обеспечивает стабильность рабочей точки VT7. Как и прежде,
необходимо учитывать, что [pic]. Для выполнения этого условия ток [pic]
выбирается на порядок больше тока [pic].
Тогда:
[pic];
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.28)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.29)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
Определяем значение сопротивления [pic]:
[pic]. (2.30)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic]. (2.31)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.4 Расчет двойного Т-образного моста
2.4.1 Расчет сопротивлений [pic], [pic], [pic]
Для согласования цепи обратной связи с выходом усилителя необходимо
выполнение следующего условия: [pic]. Тогда:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
На этих сопротивлениях выделяется мощность:
[pic]
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.4.2 Расчет емкостей
[pic]. (2.32)
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.5 Расчет переходных и блокирующих конденсаторов
2.5.1 Расчет коэфициентов частотных искажений
Выбираем стандартный коэффициент частотных искажений:
[pic].
Распределим его между тремя переходными и тремя блокирующими
конденсаторами согласно условию:
[pic]. (2.33)
Тогда в общем случае:
[pic].
2.5.2 Расчет переходных конденсаторов
Определяем входное сопротивление одного плеча дифференциального
каскада без учета базового делителя:
[pic], где (2.34)
[pic] – объемное сопротивление базы, [pic].
[pic].
Сопротивлением базового делителя можно пренебречь, т.к:
[pic].
Тогда:
[pic], где (2.35)
[pic] – сопротивление генератора;
[pic] – нижняя граничная частота усилителя.
Тогда:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic], где (2.36)
[pic] – выходное сопротивление дифференциального каскада, определяемое
эквивалентным сопротивлением коллекторного перехода VT5.
[pic], где [pic] – сопротивление коллекторного перехода VT5.
[pic].
[pic] – входное сопротивление следующего каскада.
[pic], т.к. [pic];
[pic] – входное сопротивление VT6.
[pic];
[pic];
[pic].
[pic].
Тогда:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic], где (2.37)
[pic] – выходное сопротивление промежуточного каскада.
[pic], где [pic] – сопротивление коллекторного перехода VT7.
[pic];
[pic];
[pic].
[pic] – входное сопротивление выходного каскада.
[pic], т.к. [pic];
[pic] – входное сопротивление VT7.
[pic];
[pic];
[pic].
[pic].
Тогда:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic], где (2.38)
[pic] – выходное сопротивление выходного каскада.
[pic].
Тогда:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic]..
2.5.3 Расчет блокирующих конденсаторов
[pic]. (2.39)
Принимая во внимание, что: [pic], получаем:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
[pic]. (2.40)
Принимая во внимание, что: [pic], получаем:
[pic].
Из стандартного ряда получаем:
[pic].
2.6 Расчет коэффициента усиления
2.6.1 Расчет коэффициента усиления входного каскада
[pic], где (2.41)
[pic] – входное сопротивление промежуточного каскада на VT6, определенное в
режиме ХХ;
[pic].
Тогда:
[pic].
Т.к. в схеме применяется симметричный мост, то для получения [pic]
требуется коэффициент усиления ыходного каскада:
[pic], где
[pic] – собственная добротность симметричного моста.
2.6.2 Расчет коэффициента усиления промежуточного каскада
Имеется каскад по схеме ОЭ.
[pic] в режиме ХХ (2.42)
[pic].
Тогда:
[pic].
2.6.3 Расчет коэффициента усиления выходного каскада
Имеется каскад по схеме ОЭ. Его коэффициент усиления без учета ОС
через сопротивление [pic] в режиме ХХ определяется аналогично коэффициенту
усиления промежуточного каскада:
[pic]. (2.43)
2.6.4 Расчет общего коэффициента усиления
В нашем случае имеется трехкаскадный усилитель. Его коэффициент
усиления определяется как: [pic], где [pic], [pic], [pic] – коэффициенты
усиления первого, второго и третьего каскадов соответственно в режиме
холостого хода. Поэотму, считая [pic], получаем:
[pic]. (2.44)
Т.о., общий коэффициент усиления селективного усилителя без учета
местной ОС в каскаде на VT7:
[pic].
2.7 Расчет коэффициента гармоник
2.7.1 Метод расчета
Для расчета коэффициента гармоник транзисторных каскадов используют
сквозную динамическую характеристику переменного тока, так как она включает
в себя нелинейность как входной, так и выходной цепи транзистора при помощи
упрощенных методов гармонического анализа.
Наиболее распространенным методом является метод пяти ординат, при
использовании которого на сквозной динамической характеристике отмечают
пять точек, соответствующих:
- полной положительной амплитуде ЭДС сигнала [pic];
- половине положительной амплитуды ЭДС сигнала [pic];
- нулевой точке;
- половине отрицательной амплитуды ЭДС сигнала [pic];
- полной отрицательной амплитуде ЭДС сигнала [pic];
Значения выходного тока, соответствующие этим точкам, обозначаются
соответственно [pic], [pic], [pic], [pic], [pic].
Амплитуды первой, второй, третьей, четвертой гармоник выходного тока
[pic], [pic], [pic], [pic] и его среднее значение за период [pic] находятся
как:
[pic];
[pic];
[pic]; (2.45)
[pic];
[pic].
Правильность вычислений проверяется по уравнению:
[pic]. (2.46)
После этого найденные значения [pic], [pic], [pic], [pic] подсавляют
в формулу для расчета коэффициента гармоник:
[pic]. (2.47)
2.7.2 Расчет сквозной характеристики
Сквозная характеристика строится по формуле:
[pic], где (2.48)
[pic] – входное напряжение, определяемое по входной характеристике и
соответствующее определенным значениям тока базы [pic];
[pic] – выходное сопротивление промежуточного каскада на VT6.
Для построения сквозной характкристики определим несколько точек,
соответствующих току коллектора VT7. Определим соответствующие токи базы.
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]. [pic].
Для каждого тока базы по входной характеристике VT7 определяем
напряжение [pic] и для каждого [pic] определим [pic], зная что [pic].
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]. [pic].
Тогда:
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic].
Амплитуды гармоник:
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic].
Производим проверку:
[pic].
Рассчитываем коэффициент гармоник:
[pic].
Полученный коэффициент гармоник на порядок превышает заданный в
техническом задании. Обеспечить требуемую величину коэффициента можно
введением местной отрицательной ОС в выходной каскад. Данная ОС в схеме
реализуется сопротивлением [pic].
Коэффициент передачи четырехполюсника ОС:
[pic]. (2.49)
Для получения [pic] необходимо [pic] разделить на глубину обратной
связи:
[pic];
[pic];
[pic].
На этом сопротивлении выделяется мощность:
[pic].
Тогда с учетом ОС коэффициент усиления каскада на VT7:
[pic].
Тогда с учетом ОС общий коэффициент усиления:
[pic].
2.8 Расчет относительного изменения частоты в диапазоне изменения
температур
Квазирезонансная частота определяется как:
[pic], где [pic], [pic]. (2.50)
Тогда:
[pic].
Поделим обе часи уравнения на [pic]:
[pic].
Известно, что:
[pic];
[pic].
Тогда:
[pic].
Выражение [pic] представляет собой относительное изменение
квазирезонансной частоты в диапазоне изменения температур [pic].
ТКЕ для конденсатора [pic] в диапазоне изменения температур и для
данной емкости составляет [pic].
ТКС для сопротивления [pic] в диапазоне изменения температур и для
данного сопротивления составляет [pic].
Для обеспечения выполнения технического задания [pic]. При таком
диапазоне изменения температур [pic].
Заключение
Расчет параметров усилителя производился при идеальных условиях, а
именно:
- сопротивление генератора – БМ;
- сопротивление нагрузки – ББ.
В реальных условиях это не совсем так и эти сопротивления учитываются
при расчете.
Кроме того, рассчитанные значения сопротивлений и емкостей приводятся
к стандартным значениям, выпускаемым промышленностью, а это также ведет к
ухудшению свойств усилителя.
Однако при правильном выборе рабочих точек можно добиться того, чтобы
значения параметров максимально соответствовали стандартным и обеспечивали
свойства усилителя, указанные в техническом задании.
Список использованной литературы
1. Барсуков Ф.И. Генераторы и селективные усилители низкой частоты. – М.:
Энергия, 1964.
2. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – 2
изд., допол., М.: Энергия, 1972.
3. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – 2 изд., перераб., допол., –
М.: Радио и связь, 1983.
4. Горюнова Н.Н. Транзисторы: справочник. – 2 изд., перераб. – М.:
Энергоатомиздат,1986.
5. Гусев В.Г., Гусев Ю.М.. Электроника. – 2 изд., перераб., допол., – М.:
Высшая школа, 1991.
6. Славский Г.Н. Активные RC и RLC фильтры и избирательные усилители. –
М.: Связь, 1966.
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Рис 2.1 Определение гармонических составляющих выходного тока методом пяти
ординат по сквозной характеристике