Расчёт и моделирование усилительного каскада по переменному току

Исходя из деления эмиттерного сопротивления R_э в соотношении один к девяти, примем предварительно номиналы сопротивлений R_э1 и R_э2 равными соответственно 20 Ом и 180 Ом.

Для расчёта конденсатора С_э необходимо, чтобы он полностью шунтировал резистор R_э2 ,исключая влияние отрицательной обратной связи на частоте входного сигнала. Примем сопротивление X_Сэ на три порядка меньше R_э2, тогда:

Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 обеспечивают большое сопротивление постоянному току на входе и выходе усилителя, их сопротивления должны быть много меньше с одной стороны входного, а с другой – выходного сопротивления усилительно каскада. Примем их на два порядка меньше.

X_Cр1=0.01R_вх X_Ср2=0.01R_н

Сопротивление R_вх состоит из трёх сопротивлений R_д1, R_д2, R_бэ, включённых параллельно, где R_бэ=h_21Э R_Э=189 200 Ом=37.8 кОм. Тогда:

R_вх=(R_д1 R_д2 R_бэ)/(R_д2 R_бэ+R_д1 R_бэ+ R_д1 R_д2)= (76.кОм 8.45кОм 37.8кОм)/ (8.45кОм 37.8кОм+76.8кОм 37.8кОм+76.8кОм 8.45кОм)=6.337кОм.

Теперь найдём сопротивление X_Ср1=R_вх / 100 =63.37 Ом.

Номинал конденсатора:

Найдём сопротивление X_Ср2=R_н / 100 =20 Ом.

Номинал конденсатора:

Индуктивность L_ф служит для блокировки цепи протекания переменной составляющей выходного сигнала в цепь питания каскада. Её сопротивление должно быть как минимум на два порядка больше сопротивления нагрузки транзистора. Тогда:

X_Lф=R_н 100=200 кОм

 

L_ф=X_Lф / (2 f_c) =200кОм / 2 3.14 1100кГц=29 мГн.

Примем сопротивление конденсатора на три порядка меньше сопротивления нагрузки транзистора:

X_Сф=R_н / 1000 =2 Ом.

Номинал конденсатора:

После определения номиналов конденсаторов С_р1, С_р2, С_э, С_ф и индуктивности L_ф расчёт усилительного каскада считается законченным.

Что бы характеристики удовлетворяли заданию, мы должны изменить параметры схемы для получения, характеристик которые будут удовлетворять требованию задания. Увеличим Сp1 в два раза до 5нФ, для повышения коэффициента усиления, увеличить его больше нам не позволяет фазовый сдвиг, поскольку при дальнейшем увеличении он вылезет за допустимые пределы φ₀=180 0.5º. Для увеличения мощности сигнала в нагрузке, уменьшим Rэ1 до 13 Ом, при этом коэффициент нелинейных искажений ухудшается, но остается в допустимых пределах.

Итак, мы получили схему усилителя (рис 2.4.1) с параметрами:

Рис.2.4.1 Схема полученного усилителя

Установим амплитуду на входе каскада 10 мВ и оценим форму сигнала на экране осциллографа (рис. 2.4.2):

Рис.2.4.2 Сигнал на входе и выходе усилительного каскада

Так как усилительный элемент работает в классе А, то форма сигнала на выходе каскада повторяет сигнал на его входе. Сигнал на выходе каскада усилен по напряжению и имеет фазу, отличную от фазы сигнала на входе ориентировочно на 180 градусов (что видно на рис.2.4.2), что соответствует включению транзистора по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления, и фазовый сдвиг сигнала определим с помощью встроенного средства измерения расчетных величин (рис.2.4.3)

Рис.2.4.3 Частотные характеристики усилительного каскада

К_у=47.3699, φ₀=179.6278º

Для измерения уровня нелинейных искажений при усилении сигнала разложим гармонический сигнал в ряд Фурье (рис 2.4.4). И мы видим что Кг=0.9788%, удовлетворяет заданию.

Рис.2.4.4 Спектральная характеристика сигнала

Рассчитаем мощность в нагрузке усилительного каскада:

P_н=I_н U_н=U_д² / R_н = (335 мВ)² / 2000 Ом = 56.1125 мкВт.