Расчет широкополосного усилителя

Рассчитать широкополосный усилитель с параметрами:

 

 

Анализ исходных данных. Усилитель имеет умеренные коэффициенты усиления и верхнюю граничную частоту, что позволяет выполнить его на транзисторах среднего качества или гибридных интегральных схемах (ИС). Сопротивление и емкость нагрузки сравнимы по величине с типовыми значениями входных сопротивлений и емкости промежуточных каскадов. Это позволяет не выделять выходной каскад, полагая вносимые им искажения такими же, как и в промежуточных каскадах. Входное сопротивление усилителя не задано, сопротивление генератора мало, что позволяет выполнить входной каскад усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с высокочастотной коррекцией эмиттерной противосвязью. Искажения в этом каскаде также можно полагать равным искажениям в промежуточных каскадах. Умеренные требования по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной термостабилизации.

Суммируя сказанное, приходим к выводу, что усилитель с указанными в техническом задании параметрами можно выполнить на одиночных каскадах с ОЭ. По-видимому, для этой цели подойдут соответствующие ИС серий и .

Определение числа каскадов. Расчетный коэффициент усиления при и составит:

 

.

 

Расчет требуемого числа каскадов выполним по формуле:

 

 

;

 

причем, так как каскады предполагаются одинаковыми. Рассчитаем левую часть при разных . При коэффициент частотных искажений на каскад , коэффициент усиления , выигрыш по площади усиления для простой параллельной коррекции и коррекции эмиттерной противосвязью (для глубины коррекции ) в соответствии [2, рис.2.2, (4.1)] оказываются равными:

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

При

 

 

с учетом этого:

 

 

Остановимся на варианте трехкаскадного усилителя (N = 3), хотя площадь усиления вполне достижима для многих современных транзисторов и особенно усилительных секций, получение коэффициента усиления нереально при одновременном выполнении требований для стабильности коэффициента усиления.

Таким образом, каждый каскад должен удовлетворять следующим требованиям:

коэффициент усиления: ;

нестабильность усиления: ;

коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

коэффициент частотных искажений на низких частотах: ;

Оценим верхнюю граничную частоту по уровню 0,707:

 

.

 

В дальнейших расчетах будем ориентироваться на ИС К265УВ5 (усилительный каскад по схеме с ОЭ) с транзистором 21331Б, обладающим площадью усиления 90 МГц.

Расчет выходного каскада. Максимальное сопротивление нагрузки в соответствии с [2, (6.2)] не должно превышать величины:

 

.

 

Эта величина превышает сопротивление внешней нагрузки и коллекторное сопротивление можно выбирать произвольно. Поскольку коэффициент усиления и его стабильность растут с увеличением сопротивления , выберем типовое значение для ИС К265УВ5:

 

,

 

Тогда, величина сопротивления нагрузки окажется равной:

 

.

 

Амплитуды напряжения на нагрузке и тока в ней равны:

 

;

 

;

 

постоянная составляющая тока коллектора должна быть не менее:

 

.

 

Типовое значение тока ИС К265УВ5 определим из [2, (13.8)]:

 

 

.

 

Таким образом, по току выбранная ИС подходит для использования в усилительном каскаде.

Минимально допустимое напряжение источника питания при допустимой нестабильности коллекторного тока (10%) находят из [2, (6.8)]:

 

следовательно, ИС может использоваться в типовом режиме .

Напряжение коллектор - эмиттер транзистора оказывается равным:

 

.

 

Определение параметров транзисторов. По соотношениям [1,стр.65] определим параметры транзистора в рабочем режиме:

 

;

 

;

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

.

 

 

Расчет термостабильности режима. Так как технические условия на ИС гарантируют их работоспособность во всем рабочем диапазоне температур, достаточно ограничиться расчетом температурной нестабильности транзистора с типовыми параметрами.

Вспомогательные величины равны:

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

 

.

 

 

.

 

Теперь можно определить приращение коллекторного тока [2, (13.1)]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влияние температуры на режим работы транзистора невелико:

 

.

 

Поэтому, при расчете нестабильности усиления достаточно учесть непосредственное влияние температуры на коэффициент передачи тока базы.

Частотные свойства каскада. Определив предварительно сопротивление эквивалентного генератора:

 

 

;

 

 

- коллекторное сопротивление предыдущего каскада,

- сопротивление базового делителя рассчитываемого каскада,

найдем площадь усиления каскада:

 

 

 

.

 

 

Допустимое усиление каскада:

 

 

больше требуемого, поэтому в дальнейших расчетах используем .

Требуемое входное сопротивление [2, (14.2)] и сопротивление обратной связи оказываются равными:

 

,

 

 

 

Нестабильность усиления находят из [2, (3.3)]:

 

 

 

 

 

 

На этом расчет выходного каскада можно считать законченным.

Расчет промежуточного каскада. Режим транзистора, его параметры те же, что и в выходном каскаде, поэтому их можно здесь не рассчитывать.

Сопротивление генератора в данном каскаде, как и в выходном:

 

 

;

 

 

откуда площадь усиления оказывается равной [2, (2.2)]:

 

 

 

 

 

допустимый коэффициент усиления:

 

.

 

Сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления выходного каскада:

 

 

Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:

 

;

 

.

 

Нестабильность коэффициента усиления промежуточного каскада:

 

.

 

Полученные выше значения площади усиления можно считать типовыми для ИС тип К265УВ1 в промежуточном каскаде при коллекторном сопротивлении 670 Ом.

Расчет входного каскада. Прежде всего, рассчитаем сопротивление генератора для входного каскада:

 

;

 

Значения площади усиления и максимально допустимого коэффициента усиления оказываются равными:

 

 

 

;

 

 

.

 

Необходимый коэффициент усиления каскада с учетом потерь во входной цепи :

 

 

 

 

;

 

;

 

что при полном сопротивлении нагрузки каскада:

 

;

 

дает:

 

;

 

 

.

 

Нестабильность усиления:

 

.

 

На этом эскизный расчет усилителя можно считать законченным. Остается лишь подсчитать общую нестабильность усиления и входное сопротивление усилителя:

 

;

 

.

 

Расчет элементов высокочастотной коррекции. Значение эквивалентных постоянных времени каскадов:

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Постоянные времени корректирующих звеньев в первых двух каскадах равны эквивалентным, а для выходного:

 

 

.

 

Значения корректирующих емкостей:

 

 

;

 

 

.

 

 

.

 

 

.

 

 

Расчет элементов, определяющих характеристику в области низких частот. Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах выбраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области

 

низких частот [2, (16.4)]:

 

.

 

Для выходного каскада, задаваясь и учитывая, что

 

 

;

 

;

 

 

;

 

 

,

найдем значения разделительной на выходе и эммитерной блокировочной емкостей:

 

;

 

.

 

В промежуточном каскаде при том же значении получим для разделительного межкаскадного конденсатора на выходе каскада:

 

 

;

 

;

 

Для блокировочного конденсатора в эмиттере:

 

 

;

 

 

.

 

 

Во входном каскаде следует учесть три конденсатора, два разделительных на входе и выходе и конденсатор в цепи эмиттерной термостабилизации. Задаваясь значениями и , найдем:

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

эквивалентные сопротивления:

 

 

;

 

 

;

 

 

;

 

 

Значения емкостей оказываются равными:

 

 

 

 

 

Далее рассчитываются индивидуальные частотные характеристики каскадов и частотные характеристики усилителя в целом.