Принципиальная схема каскада усилителя переменных сигналов на транзисторе, выбор рабочей точки и расчет параметров каскада для исходного статического режима

Задание 2. Расчет одиночного каскада с ОИ на полевом транзисторе КП350В с блоком питания

1) Представить схему одиночного каскада на транзисторе заданного типа. Определить параметры схемы в рабочем диапазоне частот (на средних частотах): входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых, коэффициенты передачи по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P. Найти верхнюю граничную частоту работы схемы (f_{в гр}), на которой коэффициент передачи по напряжению уменьшается в раз. Рассчитать логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) и фазочастотную характеристику схемы.

2) Рассчитать блок питания для рассмотренного каскада усиления, обеспечивающий пульсации постоянного напряжения не более 0,1%.

 

Исходные данные для расчета приведены в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 – исходные данные

Тип транзистора	Схема включения	Класс усиления	fн, Гц	Rн, кОм	Rг, кОм
КП350В	ОИ	А

Принципиальная схема каскада усилителя переменных сигналов на транзисторе, выбор рабочей точки и расчет параметров каскада для исходного статического режима

Транзистор КП350B –это кремниевый транзистор с двумя изолированными затворами и со встроенным каналом n–типа. Предназначен для работы в приемно-усилительной и другой аппаратуре.

 

Рисунок 2.1 –Принципиальная схема транзистора КП350В

 

 

Наименование	Значение
Входная емкость Сзи, пФ	3,5
Проходная емкость Cзс, пФ	0,05
Выходная емкость Cси, пФ	3,2
Напряжение сток-исток Uси мах, В
Ток стока Iс мах, мА
Температура окружающей среды Т, °С	-45°…+85°

Таблица 2.2 – характеристики транзистора КП350В

Выходная BAХ указанного транзистора КП350В приведена на рисунке 2.2. Построим нагрузочную прямую и выберем рабочую точку.

Рисунок 2.2-Выходная BAХ транзистора

Координаты выбранной рабочей точки, выбранной по классу усиления В:

Е_с£0,8* U_{си мах} £ 0,8* 15 = 12 В;

I_с£0,8* I_Cмах £ 0,8*30*10^-3 = 24 мА

Выберем Е_с=10 В, I_с=20 мА, тогда

I_с0= 7,7 мА;

U_з10= 1 В;

U_з20= 6 В;

U_cи0= 6 В;

 

Теперь подберем номиналы резисторов:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Подставим выражение 2.2 и выражения 2.4-2.5 в 2.1

(2.6)

(2.6)

Из предыдущих выражений выразим R₆ и

(2.7)

(2.8)

Подставим известные данные в выражения (2.7) и (2.8) и возьмем R₁=4 МОм и R₂=1МОм, получаем:

R₆=129,87 Ом из стандартного ряда Е192, R₆=130 Ом

=0,7, тогда возьмем R₃=0,4 МОм, R₄=1 МОм

Из (2.3) выразим R₅

(2.9)

Подставим известные данные в (2.9)

R₅=370 Ом

Тем самым, мы обеспечили статический режим работы УК.

Нахождение переходной характеристики схемы h(t)

Для малых времён.

Будем производить расчёт для малых времён (что соответствует передаче фронта прямоугольного импульса) и для больших времён (соответствует передаче крыши импульса).

(2.49) Расчёт для области малых времён:

(2.50)

Так как знаменатель полученного выражения имеет один корень равный 0, а остальные отличные от 0, то для нахождения оригинала удобно применить вторую формулу Хевисайда:

(2.51)

где , а

 

где p_k - корни знаменателя, при которых B(p) становится равным нулю,

n - число корней знаменателя.

А(p_k) - значение числителя H(p) при p=p_k

B'(p_k) - значение первой производной знаменателя по переменной p при p=p_k

Ищем корни многочлена

Имеем:

, (2.52)

Производная:

(2.53)

(2.54)

После подстановки и соответствующих преобразований выражение для переходной функци h(t) примет вид:

(2.55)

График зависимости h(t) в области малых времён представлен на рисунке 2.13

Данные для построения зависимости h(t) в области малых времён приведен в таблице 2.9

Таблица 2.9- Данные для построения зависимости h(t) в области малых времён

t,с		1E-08	2E-08	3E-08	4E-08
h(t)	1,7E-18	0,000193	0,000385	0,000578	0,000769

 

рисунке 2.13 - график зависимости h(t) для малых времён

Для больших времён.

 

(2.56)

Определяем оригинал переходной функции h(t).

Переходная функция (характеристика) h(t) представляет собой реакцию (выходной сигнал) схемы на входное ступенчатое воздействие.

 

Вследствие этого, оригинал переходной функции будем находить по первой формуле Хевисайда:

, где (2.57)

p_k - корни знаменателя, при которых B(p) становится равным нулю,

n - число корней знаменателя.;

А(p_k) - значение числителя H(p) при p=p_k

B'(p_k) - значение первой производной знаменателя по переменной p при p=p_k

, , (2.58)

Подставляем числовые значения:

;

;

тогда

Данные для построения зависимости h(t) для больших времён приведен в таблице 2.10:

Таблица 2.10- Данные для построения зависимости h(t) для больших времён

t,с		0,002	0,004	0,006	0,008
h(t)	0,055822062	0,010724014	-0,007752	-0,01322	-0,01285

 

Рисунок 2.14 — график зависимости h(t) для больших времён

Общая переходная характеристика схемы:

(2.59)

 

 

В упрощенном варианте:

 

где , откуда

;

Преобразуем коэффициент передачи по напряжению в операторной форме и получим:

(2.60)

Изображение переходной характеристики имеет вид:

(2.61)

Как следствие, оригинал переходной характеристики будем находить по первой формуле Хевисайда

, (2.62)

где p_k - корни знаменателя, при которых B(p) становится равным нулю,

n - число корней знаменателя.

; (2.63)

– значение многочлена при ;

B'(p_k) - значение первой производной знаменателя по переменной p при p=p_k

Найдем корни знаменателя:

Корни квадратного трехчлена B(p): ,

Производная знаменателя:

Соответственно ;

Коэффициенты ;

Подставим все полученные значения в формулу (2.62) и получим:

(2.64)

График зависимости h(t) представлен на рис 2.15

Таблица 2.11-Данные для построения зависимости h(t)

t,c		0,0001	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3
h(t)		-0,05685548	-4,481E-26	-3,869E-38	-3,341E-50	-2,88E-62	-2,491E-74

 

t,c		1,00E-08	1,00E-07	1,00E-06	1,00E-05	1,00E-04
h(t)	-0,00019323	-0,00190455	-0,01653851	-0,05738299	-0,05685548	-0,000193

 

рисунок 2.15 – Переходная характеристика схемы

Задание 2. Расчет одиночного каскада с ОИ на полевом транзисторе КП350В с блоком питания

1) Представить схему одиночного каскада на транзисторе заданного типа. Определить параметры схемы в рабочем диапазоне частот (на средних частотах): входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых, коэффициенты передачи по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P. Найти верхнюю граничную частоту работы схемы (f_{в гр}), на которой коэффициент передачи по напряжению уменьшается в раз. Рассчитать логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) и фазочастотную характеристику схемы.

2) Рассчитать блок питания для рассмотренного каскада усиления, обеспечивающий пульсации постоянного напряжения не более 0,1%.

 

Исходные данные для расчета приведены в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 – исходные данные

Тип транзистора	Схема включения	Класс усиления	fн, Гц	Rн, кОм	Rг, кОм
КП350В	ОИ	А

Принципиальная схема каскада усилителя переменных сигналов на транзисторе, выбор рабочей точки и расчет параметров каскада для исходного статического режима

Транзистор КП350B –это кремниевый транзистор с двумя изолированными затворами и со встроенным каналом n–типа. Предназначен для работы в приемно-усилительной и другой аппаратуре.

 

Рисунок 2.1 –Принципиальная схема транзистора КП350В

 

 

Наименование	Значение
Входная емкость Сзи, пФ	3,5
Проходная емкость Cзс, пФ	0,05
Выходная емкость Cси, пФ	3,2
Напряжение сток-исток Uси мах, В
Ток стока Iс мах, мА
Температура окружающей среды Т, °С	-45°…+85°

Таблица 2.2 – характеристики транзистора КП350В

Выходная BAХ указанного транзистора КП350В приведена на рисунке 2.2. Построим нагрузочную прямую и выберем рабочую точку.

Рисунок 2.2-Выходная BAХ транзистора

Координаты выбранной рабочей точки, выбранной по классу усиления В:

Е_с£0,8* U_{си мах} £ 0,8* 15 = 12 В;

I_с£0,8* I_Cмах £ 0,8*30*10^-3 = 24 мА

Выберем Е_с=10 В, I_с=20 мА, тогда

I_с0= 7,7 мА;

U_з10= 1 В;

U_з20= 6 В;

U_cи0= 6 В;

 

Теперь подберем номиналы резисторов:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Подставим выражение 2.2 и выражения 2.4-2.5 в 2.1

(2.6)

(2.6)

Из предыдущих выражений выразим R₆ и

(2.7)

(2.8)

Подставим известные данные в выражения (2.7) и (2.8) и возьмем R₁=4 МОм и R₂=1МОм, получаем:

R₆=129,87 Ом из стандартного ряда Е192, R₆=130 Ом

=0,7, тогда возьмем R₃=0,4 МОм, R₄=1 МОм

Из (2.3) выразим R₅

(2.9)

Подставим известные данные в (2.9)

R₅=370 Ом

Тем самым, мы обеспечили статический режим работы УК.