Построение семейства выходных вольтамперных характеристик.

 

В подразделе 3.5 мы производим построение семейства выходных ВАХ выходных транзисторов оконечного каскада. Строятся они при использовании справочной зависимости коэффициента передачи тока одного из транзисторов выходной цепи, принятых в подразделе 3.2, от тока эмиттера.

Для построения семейства выходных ВАХ транзистора находим значения коэффициентов для каждого из значений принятых токов. Исходя из найденных величин при i -ом значении тока определяются значения токов базы . Все значения токов эмиттера и найденные коэффициенты и токи занесены в таблицу 3.4.

Таблица 3.4.

(мА)		(мкА)

 

Семейство выходных ВАХ имеет зависимость вида . Угол наклона линии критических режимов принимаем из [2]. При этом, проведенные горизонтальные линии коллекторных токов должны находиться справа от линии критических режимов.

Рис.3.7. Построение выходных ВАХ транзистора.

 

 

Так как полученные значения базовых токов имеют разные значения не кратные величинам 50, 100 мкА, то следует аппроксимировать линии коллекторных токов в соответствии с этими требованиями.

С учетом выходного сопротивления транзистора горизонтальным аппроксимированным линиям коллекторных токов следует придать наклон. Причем угол наклона будет непостоянным, так как он зависит от коэффициента , который сам в свою очередь зависит от коллекторного тока.

Задаваясь максимально возможным значением приращения напряжения , следует определить приращение коллекторного тока с учетом выражения (таблица 3.5). С другой стороны . Принимаем .

 

Таблица 3.5

(мкА)	(мА)
			4.6	10.9
			4.4	11.4
			4.3	11.6
			4.3	11.6
			4.3	11.6
			4.4	11.4
			4.5	11.1
			4.6	10.9
			4.6	10.9

 

Откладывая значение напряжения источника питания на оси абсцисс, необходимо провести нагрузочную линию, угол наклона которой зависит от величины сопротивления нагрузки. Начальный ток коллектора следует принять 1 мА. Для этого тока находится значение .

Семейство выходных ВАХ транзистора показано на рис. 3.8.

 

Рис.3.8. Семейство выходных ВАХ транзистора.

 

 

Построенное семейство выходных ВАХ транзистора в оконечном каскаде понадобится для оценки усилительных свойств выходной цепи схемы и для расчета нелинейных искажений.

 

 

Оценка усилительных свойств выходного каскада.

В подразделе оцениваются усилительные свойства выходного каскада различными методами.

 

Графический метод.

С помощью входной и выходной характеристик графически определяем коэффициент усиления ,

где определяются из графиков на рис. 3.8, 3.9.

На рис. 3.9 показана входная характеристика мощных транзисторов выходной цепи бустера [2].

Рис. 3.9. Входная характеристика транзистора.

Из рис.3.8. находятся значения токов базы и , которые на рис. 3.9. определяют для обеспечения выходного напряжения .

 

Аналитический метод.

 

Если транзисторы работают в схеме включения с общим эмиттером, то коэффициент передачи по напряжению может быть найден согласно выражению

Где входное сопротивление транзистора, находится из входной характеристики (рис.3.9) при входном токе.

- соответствует току нагрузки (рис.3.4).

 

 

С учетом местной обратной связи.

 

Исходя из найденных номинальных значений сопротивлений резисторов , рассчитывается коэффициент передачи по напряжению бустера

 

Оценка нелинейных искажений.

 

Наибольшие искажения в схеме УМ обусловлены наличием в тракте усиления нелинейных элементов (элементов с нелинейными характеристиками – транзисторов и др.), а также несимметрией двухтактного выходного каскада. Наибольшие нелинейные искажения вносятся бустером, где амплитуда сигнала максимальна. Коэффициент нелинейных искажений в значительной степени зависит от режима работы (класса усиления) схемы бустера, разброса параметров пар комплементарных транзисторов.

Оценка нелинейных искажений производится с помощью сквозной характеристики. Сквозная характеристика, т.е. зависимость , строится для одного плеча схемы выходного каскада, по уравнению

, когда

При этом используются входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Все принятые и найденные значения токов и напряжений заносятся в таблицу 3.6.

 

Таблица 3.6

		0.55	0.5506
		0.61	0.6125
		0.65	0.655
		0.66	0.6675
		0.68	0.69
		0.69	0.7025
		0.7	0.715
		0.7	0.7175
		0.71	0.73
		0.72	0.741

 

 

Используя данные таблицы 3.5 строится сквозная характеристика

вида (рис. 3.10).

 

Рис. 3.10. Сквозная характеристика выходной цепи бустера.

 

Разбивая обрезок на четыре равные части определяются пять значений токов: . С учетом асимметрии плеч, задавшись коэффициентом асимметрии

, уточним найденные ранее пять значений токов плеч.

По полученным пяти значениям токов плеч выходного каскада рассчитываются значения амплитуд четырёх высших гармоник тока коллектора.

 

 

 

 

 

 

 

 

Проводится проверка найденных значений токов гармоник по формуле:

 

 

 

 

 

Коэффициент нелинейных искажений или коэффициент 1-ой гармоники сигнала выходного каскада рассчитывается следующим образом:

 

Рассчитанное значение коэффициента нелинейных искажений находится в пределах допустимых значений 20% – 85%.

 

С учётом частотных свойств операционного усилителя и наличия глубокой отрицательной обратной связи в выходном каскаде значение коэффициента нелинейных искажений должно быть пересчитано

 

где и - коэффициенты гармоник без ООС и с ООС,

F - глубина ООС, равная:

 

 

Полученное значение коэффициента нелинейных искажений удовлетворяет требованиям задания:

 

 

 

4. Расчет предварительного усилителя.

Схема УМ должна обеспечивать необходимое усиление, рассчитанное во втором разделе с суммарным коэффициентом усиления . В подразделе 3.6.3 найдено значение коэффициента передачи по напряжению оконечного каскада . На оставшиеся два каскада (входной и промежуточный) усиление должно составлять

Условно принимаем равное усиление в относительных единиц на каждый из каскадов с коэффициентом передачи по напряжению , где N- число каскадов, найденное в 2-ом разделе.

 

Расчёт входного каскада.

Как уже было отмечено во 2-м разделе, входным каскадом УМ является дифференциальный каскад. Произведем его расчет. Схема дифференциального входного каскада представлена на схеме рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема дифференциального входного каскада

Выбор ОУ производится из следующих соображений:

 

Принимается ОУ типа К140УД8 [1], параметры которого представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Тип

кОм

МОм

Ом

МГц

Внутр. Коррекция

К140УД8

0.5

0.2

0.15

1.0

+

 

Функциональная и принципиальная электрические схемы данного ОУ представлены на рисунке 4.2.

R=10 кОм

3

4

1

8

5

7

2

6

+

_

 

Рис. 4.2. Электрическая схема операционного усилителя типа К140УД8.

 

Далее проводится расчет элементов схемы. Рассчитывается сопротивление резисторов и :

Так как рассчитываемая схема является усилителем мощности,, то следует обеспечить согласование сопротивлений не только по выходу, но и по входу. Поэтому принимаются номинальные значения сопротивлений , равные выходному сопротивлению источника сигнала, но лежащие в пределах 5 – 10 кОм. Принимаются номинальные значения сопротивлений резисторов .

 

Сопротивление резистора рассчитывается исходя из ранее принятых значений . Тогда

 

Принимается номинальное значение .

Сопротивление резистора принимается равным :

 

 

При найденных значениях сопротивлений резисторов уточняется коэффициент передачи по напряжению усиления схемы входного каскада по формуле

 

Сопротивления регулировочного резистора принимается из следующего условия:

 

где должно соответствовать табличным данным ОУ.

 

 

Принимается переменное сопротивление номинального значения .