На выходе должно быть напряжение

 

,

а ток

 

 

.

 

По справочнику [2] находим, что этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ340А, который имеет следующие параметры:

- граничная частота транзистора f_Т=300 Мгц;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ h₂₁=100¸300;

- емкость коллекторного перехода С_к=3,7 пФ при напряжении на коллекторе U_к=5 В;

- постоянная времени цепи ОС на высокой частоте t_к=60 пс;

- максимальный ток коллектора I_кmax=50 мА;

- максимальное напряжение коллектор – эмиттер U_кэmax=15 В;

- обратный ток коллектора I_кобр=1мкА (при Т_с=+25°С), I_кобр=10мкА (при Т_с=85°С);

- максимальная мощность рассеиваемая на коллекторе Р_кmax=150 мВт.

 

3.2.2 Расчет режима транзистора.

Как уже было сказано, ток покоя коллектора транзистора VT1 необходимо выбирать из условия обеспечения режима транзистора VT2:

 

.

 

Напряжение на сопротивлении R_э1 должно составлять:

 

,

 

тогда:

 

.

 

По входным и выходным статическим характеристикам транзистора КТ340А (рисунок 3.4) определим рабочую точку в цепи базы.

 

 

Рисунок 3.5 – Входная и выходная статические характеристики транзистора КТ340А

 

 

Рабочая точка транзистора предоконечного каскада имеет следующие значения напряжения и тока:

 

U_к0=3 В; I_к0=10 мА; U_б0=0,62 В; I_б0=0,015 мА.

 

Для транзистора КТ340А также выполняются соотношения по максимальной мощности рассеиваемой на коллекторе и максимального напряжения на коллекторе:

 

,

 

.

 

3.2.3 Расчет параметров каскада

Эмиттерный повторитель представляет собой каскад с глубокой последовательной ООС по напряжению. Поэтому расчет необходимо вести с учетом этих особенностей. Эквивалентное сопротивление нагрузки определяется по формуле:

 

, (3.2.1)

 

где R_вх – входное сопротивление оконечного каскада, в отсутствии базового делителя. Глубина последовательной ООС по напряжению:

 

. (3.2.2)

 

Далее проводим расчет по методике изложенной в пункте 3.1.3, а параметры каскада с ОК определяем по формулам:

 

, (3.2.3)

 

, (3.2.4)

 

, (3.2.5)

 

. (3.2.6)

 

Сопротивление R_э1 определим из формулы:

 

.

 

Выберем по стандартной шкале ближайший номинал: R_э1=560 Ом. По формуле (3.2.1) определяем величину эквивалентного сопротивления нагрузки:

 

.

 

Воспользовавшись соотношениями (3.1.4)-(3.1.7) получим:

 

,

 

,

 

,

 

.

 

Теперь можно найти глубину ООС по формуле (3.2.2):

 

.

 

Расчет ВЧ параметров производим по (3.1.8)-(3.1.10):

 

,

 

,

 

.

 

И далее находим параметры ЭП по (3.2.3)-(3.2.6). Величина емкости нагрузки равна входной динамической емкости оконечного каскада (С_н=582 пФ):

 

,

 

,

 

,

 

,

 

время установления определим по формуле (3.1.11):

 

.

 

3.2.4 Расчет цепей питания и термостабилизации оконечного и предоконечного каскадов

Чтобы лучше изложить методику расчета, целесообразней начать с предоконечного каскада (ЭП), так как расчет оконечного каскада имеет определенные тонкости.

Определим потенциал базы транзистора VT1 относительно земли:

 

. (3.2.7)

Зададимся током делителя, образованного резисторами R_б1 и R_б2:

 

. (3.2.8)

 

Определяем величины резисторов R_э1, R_б1 и R_б2:

 

, (3.2.9)

 

, (3.2.10)

 

, (3.2.11)

 

Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданном диапазоне температур окружающей среды. Находим тепловое сопротивление «переход-среда» и мощность, рассеиваемую на коллекторном переходе в статическом режиме:

 

, (3.2.12)

 

. (3.2.13)

 

Определим температуру коллекторного перехода и разность между этой температурой и справочным значением:

 

, (3.2.14)

 

, (3.2.15)

 

Определим приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:

 

, (3.2.16)

 

где DU_бТ – приращение напряжения U_б0, равное

 

, (3.2.17)

 

где e_Т – температурный коэффициент напряжения(ТКН), e_Т»-3мВ/град.

Далее определяем приращение тока коллектора DI_к02, вызванное изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора DI_кобр:

 

(3.2.18)

 

где приращение обратного тока DI_кобр равно

 

, (3.2.19)

 

где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13.

Следует заметить, что значение I_кобр приведенное в справочнике представляет собой сумму пассивной и активной составляющих. А так как пассивная составляющая не зависит от температуры, то она нас и не интересует. Если значение обратного тока в справочнике приводится при двух температурах, то активную составляющую можно найти из системы:

 

.

 

Исключаем пассивную составляющую I_п:

 

. (3.2.20)

 

Приращение коллекторного тока, вызванного изменением параметра h₂₁, определяется соотношением:

 

, (3.2.21)

 

где Dh₂₁=k_T×h₂₁×DT, k_T=0,005 отн.ед/град.

 

Учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые для схемы эмиттерной термостабилизации равны:

 

, (3.2.22)

 

, (3.2.23)

 

где R₁₂ – параллельное соединение резисторов R_б1 и R_б2 (определяется по формуле (3.1.14)). Тогда общий уход коллекторного тока транзистора с учетом действия схемы термостабилизации определяется выражением:

 

. (3.2.24)

 

Коэффициент относительной нестабильности коллекторного тока равен

 

. (3.2.25)

 

Для оконечного каскада коэффициент нестабильности считается приемлемым, если при максимальном отклонении режима на выходе транзистора обеспечиваются заданные значения тока и напряжения. Для остальных каскадов достаточно, если k_стаб£10%.

Выполним подстановку в выражения (3.2.27)-(3.2.25):

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Выберем из ряда номиналов резисторов с допуском ±10% ближайшие к полученным значениям: R_э1=560 Ом, R_б1=2,7 кОм, R_б2=8,2 кОм.

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Перейдем к расчету термостабилизации оконечного каскада. Особенность заключается в том, что роль базового делителя для него играет транзистор VT1 и сопротивление R_э1. Сопротивление R_б1 будет равно сопротивлению транзистора VT1 со стороны эмиттера, то есть обратно пропорционально крутизне:

 

;

 

 

Тогда

 

.

 

Сопротивление в цепи эмиттера найдем по формуле (3.2.9):

 

.

 

Выберем ближайший номинал R_э2=33(Ом). Тепловое сопротивление «переход-среда» для транзистора КТ603Д приводится в справочнике R_Т=0,2 °С/мВт.

Дальнейший расчет проведем по формулам (3.2.13)-(3.2.25):

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Предоконечный каскад работает в малосигнальном режиме, поэтому приемлемым считается уход меньше 10%, что выполняется. Для оконечного каскада, который работает в режиме большого сигнала, проведем оценку работоспособности при таком уходе тока (рисунок 3.6).

 

 

 

 

Рисунок 3.6 – К оценке термостабилизации оконечного каскада

 

 

Значение напряжения рабочей точки при уходе тока вверх

 

,

 

значение напряжения при уменьшении тока

 

.

 

Из графика видно, что в любом случае на выходе каскада обеспечивается импульс тока при размахе 26 мА в одну сторону и на 42 мА в другую (полярность импульса значения не имеет). По напряжению в любом случае обеспечивается даже импульс с амплитудой 1,2 В в обе стороны. То есть каскад термостабилизирован.

 

Расчет входного каскад

3.3.1 Выбор транзистора.

Для входного каскада выходным напряжением будет входное напряжение предоконечного каскада (ЭП):

 

.

 

В целях унификации элементов в качестве активного элемента возьмем транзистор КТ340А. Его параметры были описаны в пункте 3.2.1.

 

3.3.2 Расчет режима транзистора.

Схему входного каскада выполним по схеме реостатного каскада (рисунок 3.6).

 

Рисунок 3.7 – Схема входного каскада

 

 

Нагрузкой каскада является входное сопротивление и входная динамическая емкость предоконечного каскада: R_н=R_вх=1,8(кОм); С_н=С_вх.д=8(пФ). Так как транзистор работает в малосигнальном режиме, то возможен выбор режима минимального потребления тока и напряжения (чтобы получить высокое входное сопротивление):

 

I_к0=7 мА; U_к0=2 В; I_б0=0,05 мА; U_б0=0,55 В.

 

От входного каскада не требуется большого усиления, поэтому сопротивление в цепи коллектора можно выбрать в несколько раз меньше сопротивления нагрузки: R_к=270 Ом, тогда по формуле (3.2.1):

 

.

 

Падение напряжения на R_к составит:

 

 

тогда при U_Rэ=2,1 В

 

.

 

3.3.3 Расчет параметров каскада.

Воспользуемся соотношениями (3.1.4)-(3.1.7):

 

;

;

 

;

 

 

Проведем расчет в области верхних частот (соотношения (3.1.8)-(3.1.10)):

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Коэффициент усиления всего усилителя должен быть 60 раз, но учитывая разброс параметров элементов и термонестабильность коллекторного тока, эту величину необходимо обеспечить с запасом примерно 1,5 раза. То есть реально коэффициент усиления должен быть чуть больше 90. Входной каскад имеет очень большой запас по усилению, поэтому можно ввести последовательную ООС по напряжению с глубиной А=4.

Сопротивление обратной связи найдем из формулы

 

. (3.3.1)

 

Крутизна усиления транзистора с учетом ООС равна

 

. (3.3.2)

 

Подставляя S_0ос вместо S₀ в выражения (3.1.7)-(3.1.10) получим значение коэффициента усиления и постоянной времени в области с учетом ООС:

 

; (3.3.3)

 

. (3.3.4)

 

Выполним расчет по формулам (3.3.1)-(3.3.4):

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Тогда время установления каскада по (3.1.11):

 

.

 

В формулы (3.1.12)-(3.1.13) для входных параметров также необходимо внести соответствующие изменения:

 

; (3.3.5)

 

, (3.3.6)

 

где R_вхТ=R×A=1×4=4(кОм).

 

.

 

Сопротивление R_вх определим в следующем пункте.

 

3.3.4 Расчет цепей питания и термостабилизации входного каскада.

Методика расчета полностью аналогична изложенной в пункте 3.2.4, поэтому последовательно воспользуемся соотношениями (3.2.7)-(3.2.25):

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

В данном каскаде имеется фильтрующая цепочка, образованная R_ф и С_ф, служащая для устранения паразитной ОС через источник питания. Рассчитаем значения R_ф и С_ф:

 

;

 

,

 

где f_н=D/2pТ_и, Т_и – длительность импульса.

 

;

 

;

 

.

 

Приведем значения всех элементов к существующим номиналам: R_э=330 Ом; R_б1=12 кОм; R_б2=5,6 кОм; R_ф=390 Ом; С_ф=33 мкФ.

 

.

 

Теперь можно найти входное сопротивление по (3.3.6):

 

.

 

Рассчитаем термостабилизацию, причем некоторые величины будем брать непосредственно из пункта 3.2.4:

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

.

 

Нестабильность тока коллектора входного каскада лежит в допустимых пределах.

 

Расчет регулировки усиления

 

Динамический диапазон входного сигнала, как следует из ТЗ, равен 15 дБ, а напряжение на выходе должно быть равным 1,2 В. Такие условия могут быть реализованы с помощью плавной регулировки усиления. Поскольку ТЗ содержит требование обеспечить входное сопротивление усилителя 50 Ом, то можно воспользоваться схемой плавной регулировки усиления, которая ставится на вход усилителя (рисунок 3.8).

 

 

Рисунок 3.8 – Схемой плавной регулировки усиления

 

 

В данной схеме потенциометр выберем из стандартного ряда близким к 50 Ом, то есть R_р=47 Ом. Входное сопротивление входного каскада во много раз больше, поэтому входное сопротивление усилителя будет определяться только сопротивлением потенциометра R_р.

Разделительный конденсатор С_р2 необходим, во-первых, чтобы не пропустить постоянную составляющую от предыдущего устройства (которым, например, может быть детектор), во-вторых, чтобы R_р не шунтировало по постоянному току базовый делитель, тем самым сохраняется положение рабочей точки.

Конденсатор С_р1 ставится для того, чтобы не изменить режим источника сигнала.

Постоянную времени верхних частот для этой цепи можно найти по формуле:

 

,

 

где R₁=R_i+R_р1, R₂=(R_вх×R_р2)/ (R_вх+R_р2).

 

Искажения в области верхних частот будут максимальными, если движок потенциометра находится в верхнем положении, то есть R_р1=0; R_р2=R_р. Учтем также, что R_вх>>R_р, тогда R₁=R_i; R₂=R_р;

 

;

 

.

 

Согласно (3.1.11):

 

.