Расчет многокаскадного усилителя
Работа из раздела: «
Технология»
Курсовая работа
по усилительным устройствам.
ВАРИАНТ № 7
Выполнил: ст.гр.04 - 414 Уткин С.Ю.
Проверил: Харламов А.Н.
ЭТАП №1
Исходные данные для расчета .
Еп=10 В; Rи=150 Ом; Rк=470 Ом; Rн=510; Сн=15 пФ ;Tмин=-30град; Тmax=50град;
Требуемая нижняя частота : Fн=50 кГц.
Используемый тип транзистора: КТ325В (Si ; N-P-N ; ОЭ)
Нестабильность коллекторного тока - [pic]
Параметры транзистора:
Граничная частота - Fгр = 800Мгц.
Uкбо(проб)=15В.
Uэбо(проб)=4В.
Iк(мах)=60мА.
Обратный ток коллектора при Uкб=15В : Iкбо<0.5мкА (при Т=298К).
Статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ: h21=70…210.
Емкость коллекторного перехода: Ск<2.5пФ.(при Uкб=5В)
rкэ(нас.)=40 Ом.
Постоянная времени цепи обратной связи: (к<125 нс.
Для планарного транзистора - технологический параметр [pic] = 6.3
Предварительный расчет.
Исходя из значений Еп и Rк , ориентировачно выберем рабочую точку с
параметрами Uкэ=4В и Iкэ=1мА.
Типичное значение , для кремниевых транзисторов: Uбэ=0.65В.
Uкб=Uкэ-Uбэ = 3.35В
[pic]=2.857 пФ.
[pic]=275Ом - Объемное сопротивление базы.
Iб = Iкэ/h21 = 8.264e-6 - ток базы. Iэ = Iкэ - Iб = 9.9e-4 - ток
эмиттера.
rэ = 26е-3/Iэ = 26.217 - дифференциальное сопротивление эмиттерного
перехода.
Параметр ( = rэ/rб + 1/h21 = 0.103 (Нормированное относительно Fгр
значение граничной частоты)
Для дальнейших расчетов по заданным искажениям в области нижних частот
зададимся коэффициэнтами частотных искажений .
Пускай доля частотных искажений , вносимых на нижней частоте
разделительным конденсатором Ср , окажеться в к=100 раз меньше чем
конденсатором Сэ , тогда коэффициенты частотных искажений
равны: Мнр = 0.99 , а Мнэ = 0.71( Определяются по графику)
[pic] = 2.281е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Оптимальное напряжение на эмиттере выбирается из условия :Uэ = Еп/3, это
позволяет определить величину Rэ.
Rэ = [pic] =3.361е3 Ом;
[pic]=3.361В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 2.169е3 Ом;- сопротивление RC - фильтра в
коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный
конденсатор меньшей емкости.
[pic]= 4.062е-9 Ф;- скорректированное значение разделительного
конденсатора.
[pic]= 9.551е-10 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
[pic] = 7.889е-8 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную
нестабильность коллекторного тока.
[pic]
[pic]= 1.487е-6 А; - неуправляемый ток перехода коллектор-база.
[pic]=0.2 В; -сдвиг входных характеристик .
[pic] =3.813е-5 А. -ток делителя.
[pic] = 1.052e5 Ом
[pic]=1.291e5Ом
Номиналы элементов, приведенные к стандартному ряду.
Rф=2.2е3 Ом; Rэ=3.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1.3е5 Ом; Cр= 4е-9 Ф; Cф= 1е-9 Ф;
Cэ=7е-8Ф;
Оценка результатов в программе «MICROCAB»
1. Оценка по постоянному току.
[pic]
2.1А.Ч.Х. - каскада.
[pic]
2 А.Ч.Х. - по уровню 07.
[pic]
Реализуемые схемой - верхняя частота - Fв = 2.3Мгц и коэффициент
усиления К = 22Дб = 12.6
ЭТАП №2
Задание: Обеспечить за счет выбора элементов либо модернизации схемы
увеличение К в два раза(при этом Fв - не должно уменьшаться) и проверить
правильность расчетов на Э.В.М.
РАСЧЕТ.
Требования к полосе частот и коэффициенту усиления:
К = 44Дб = 158 Fн =50 Кгц Fв =2.3Мгц
Uкб=Uкэ-Uбэ = 4.35В
[pic]=2.619 пФ.
[pic]=300Ом - Объемное сопротивление базы.
Оценка площади усиления и количества каскадов
в усилителе.
[pic]=8.954 е7 Гц - Максимальная площадь усиления дифференциального
каскада.
Ориентировачное количество каскадов определим по номограммам ,
так как [pic]=39 , то усилитель можно построить на двух
некорректированных каскадах.
Требуемая верхняя граничная частота для случая , когда N = 2 ( с учетом ,
что фn = [pic] =0.64)
Fв(треб)=Fв/фn = 3.574е6 Гц
Требуемый коэффициент усиления одного каскада К(треб)=[pic]= 12.57
Требуемая нижняя граничная частота Fн(треб)=FнХфn =3.218e4
Реализуемая в этом случае площадь усиления [pic]=4.5е7 Гц
Расчет первого (оконечного) каскада.
Определим параметр [pic]= 1.989
Оптимальное значение параметра [pic]=0.055
Этому значению параметра [pic] соответствует ток эмиттера равный:
Iэ =[pic] =2мА
Соответственно Iкэ = [pic] = 2мА и
Iб =[pic] = 1.5е-5 А .
rэ = [pic] = 14.341 Ом - дифференциальное сопротивление эмиттерного
перехода.
[pic] = 1.388е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.
[pic] = 1.75е3 Ом
[pic]= 3.562е-9 сек - постоянная времени транзистора.
[pic] = 0.008 - относительная частота.
Высокочастотные Y- параметры оконечного каскада.
[pic] = 0.061 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).
[pic] = 3е-14 Ф- Входная емкость транзистора .
[pic] = 5.02 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.
[pic] = 5.456 е-6 См - Проводимость обратной передачи.
[pic] = 5.027 е-4 См - Входная проводимость транзистора.
[pic] = 4.5е-11 Ф - Входная емкость транзистора.
Реализуемая в этом случае площадь усиления :
[pic] = 1.165е8 Гц
Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:
[pic]= 347.43 Ом
Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.
[pic] = 3.294е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Rэ = [pic] =1.68е3 Ом;
[pic]=3.077В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 704.5 Ом;- сопротивление RC - фильтра в
коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный
конденсатор меньшей емкости.
[pic]= 1.088е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного
конденсатора.
[pic]= 7.87е--9 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
[pic] = 2.181е-7 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную
нестабильность коллекторного тока.
[pic][pic] =4.351е-5 А. -ток делителя.
[pic] = 8.566е4 Ом
[pic]=1.07е5 Ом
Расчет второго (предоконечного) каскада.
Реализуемая площадь усиления и параметр [pic] для предоконечного каскада.
[pic]=9е7 Гц [pic] =0.04
Этому значению параметра [pic] соответствует ток эмиттера равный:
Iэ =[pic] =3мА
Соответственно Iкэ = [pic] = 3мА и Iб =[pic] = 2.2е-5 А .
rэ = [pic] = 9.8 Ом - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.
[pic] = 2.03е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.
[pic] = 1.196е3 Ом
[pic]= 4.878е-9 сек - постоянная времени транзистора.
Высокочастотные Y- параметры предоконечного каскада.
[pic] = 0.083 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).
[pic] = 2.1е-14 Ф- Входная емкость транзистора .
[pic] = 6.8 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.
[pic] = 5.466 е-6 См - Проводимость обратной передачи.
[pic] = 1.909е3 См- Входная проводимость первого каскада.
Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:
[pic]= 164.191 Ом
Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.
[pic] = 1.362е-8е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.
Rэ = [pic] =1.247е3 Ом;
[pic]=3.33В - Напряжение на эмиттере.
Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 459.2 Ом;- сопротивление RC - фильтра в
коллекторной цепи.
Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный
конденсатор меньшей емкости.
[pic]= 3.58е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.
[pic]= 1.5е-8 Ф; - емкость фильтра в цепи коллектора.
[pic] = 2.98е-7 Ф;- Емкость эмиттера.
Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную
нестабильность коллекторного тока.
[pic] =3.771е-5 А. -ток делителя.
[pic] = 1е5 Ом
[pic]=1.06е5 Ом
Номиналы элементов, приведенные к стандартному ряду.
Номиналы элементов первого каскада.
Rф=700 Ом; Rэ=1.6е3Ом; Rб1=8.5е4Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 1е-8 Ф; Cф= 8е-9Ф;
Cэ=2е-7Ф; Rк=350 ;
Номиналы элементов второго каскада.
Rф=450 Ом; Rэ=1.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 2.6е-9Ф; Cф= 1.5е-8 Ф;
Cэ=3е-7Ф; Rк=160 ;
Оценка входной цепи .
Определим коэффициент передачи входной цепи в области средних частот
и ее верхнюю граничную частоту.
Зададимся ( = 0.2
[pic]= 1.124 - Коэффициент передачи входной цепи .
[pic] = 1.1е7 Гц
Верхняя граничная частота входной цепи значительно больше
верхней требуемой частоты каждого из каскадов.
При моделировании на ЭВМ учитывалось влияние входной цепи.
Оценка результатов в программе «MICROCAB»
1. Оценка по постоянному току.
[pic]
2. А.Ч.Х. усилителя.
[pic]
3. А.Ч.Х. - по уровню -07.
[pic]
Реализуемые схемой - верхняя частота Fв = 2.3Мгц , нижняя частота Fн =
50кГц
и коэффициент усиления К = 44Дб = 158 - полностью соответствуют заданным
требованиям по полосе и усилению.
FIN.
