Лекции по "Микроэлектронике"

Расчет каскада усилителя  выполняется, как правило,  в три  этапа: оценка предельных параметров работы каскада и выбор транзистора, расчет по постоянному току и расчет по переменному току.

Оценка предельных параметров и выбор  транзистор. К предельным параметрам транзистора относятся: максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения Uкэмах = 1,2 * Ек. Так как,  токи в коллекторной цепи усилителей малой мощности довольно низкие (рекомендуется выбирать ток коллектора в пределах от 1мА до 3 мА [9]), то выбор транзистора рекомендуется осуществлять по двум параметрам- напряжению Uкэмах и максимальной частоте Fм. При этом желательно выбрать транзистор типа     n-p-n с большим статическим коэффициентом усиления по току h_21э. В справочнике приводятся минимальное и максимальное значения этого коэффициента- ориентируются на минимальное значение.

 

ЛЕКЦИЯ 9

Расчет усилителя  по постоянному току

 

Режим по постоянному  току транзистора определяет все  технико-экономические параметры  усилителя. В первую очередь выбирают рабочие точки по току и напряжению входной и выходной (коллекторной) цепи транзистора, которые тесно связаны. Режим постоянного тока (см. рис. 34) обеспечивается сопротивлениями: Rб₁, Rб₂, Rэ, Rк, которые необходимо рассчитать. В некоторых случаях Rк может быть задан.

Рабочий режим по постоянному  току определяется на входной и выходной характеристиках точкой П (см. рис. 35 и рис. 36). Этой точке на входной характеристике соответствует постоянный ток базы транзистора – Iбп и напряжение между базой и эмиттером – Uбэп. На рисунке 35 показано, что рабочая точка выбрана таким образом, что при возможном максимальном уровне напряжения источника сигнала равном Uиmax,  напряжение Uбэ = Uбэп – Uиmax > 0.7В, т.е. в любом случае будет использован сравнительно линейный участок входной характеристики. На семействе выходных характеристик (см.рис.36) рабочий ток покоя коллектора будет равен Iкп = h_21э* Iбп, и может быть отмечен точкой на ординате коллекторного тока Iкп.  Если из этой точки - Iкп провести горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы, то получим точку покоя П коллекторной цепи. Опуская перпендикуляр на горизонтальную ось напряжения Uкэ, получим точку покоя рабочего напряжения коллектора Uкэп. Можно режимы покоя найти и другими способами [].

При графоаналитическом расчете возникает необходимость в построении, так называемой, нагрузочной прямой, которая строится по двум точкам, одна из которых является точкой П, лежащей на ветви тока базы Iбп. Вторая точка  откладывается на горизонтальной оси напряжения  Uкэ и равна напряжению питания Ек. Проводя через точку Ек и точку П прямую до пересечения с ординатой Iк получим нагрузочную статическую прямую. Точка имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе и равен Iк = Ек/(Rк +  Rэ). Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-0.2)Rк. Тогда, если выбрать Rэ = 0.2Rк, получим Rк=Ек/1.2Iк . Таким образом, сопротивления Rк и Rэ будут найдены.

Для расчета сопротивлений Rб₁  и Rб₂  существуют рекомендации выбирать ток делителя в маломощных каскадах Iд в 8-10 раз больше тока базы, а в усилителях большой мощности в 2-3 раза больше [9]. Тогда, зная ток базы Iбп и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:

    Iд*Rб₂ = Uбэ + Rэ*Iкп и отсюда Rб₂ = (Uбэ + Rэ*Iкп)/ Iд

 

 

Рисунок 35 – Входная характеристика транзистора в режиме  работы усилительного каскада в классе  А [2]

 

 

 Рисунок 36– Графическая интерпретация выходных характеристик  работы транзисторного усилительного каскада в режиме класса А

 

Значение Uбэ рекомендуется для кремниевых транзисторов выбирать равным 1.0 В. Тогда, Rб₁ = (Ек – Iд * Rб₂)/ Iд.

Можно считать, что режим  работы усилительного каскада по постоянному току рассчитан. Но в  процессе расчета последующих каскадов может выявиться, что необходимо пересчитать некоторые параметры и номиналы схемы. На практике, как правило, все расчетные величины являются предварительными и окончательно они выбираются в процессе регулировки  и настройки каскада.

 

ЛЕКЦИЯ 10

Динамический  расчет усилителя

 

Следующим этапом является динамический расчет каскада, в результате которого требуется рассчитать  коэффициент усиления по напряжению по формуле

,

где Umвых- амплитуда напряжения на нагрузке 1-го каскада на нагрузке;

 Umвх- амплитуда сигнала на входе (базе) 1-го каскада.

Может возникнуть необходимость  оценки коэффициента усилении К, как 

,

 

где Uг – напряжение источника сигнала.

 

 

В коллекторной цепи транзистора, усиленный по току входной сигнал,  обозначается на рисунке 36, как Ikm  = Ikmax  - Ikп      и по напряжению   Uкm = Umax – Uкп. 

Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и внутреннее сопротивление «ко входу» первого  каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R_б по формуле

   

Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения будет равно

Rэкв = (Rи · Rб)/ Rи + Rб)

Напряжение эквивалентного генератора на входе транзистора  будет равно

Uэкв = (Ег· Rб)/( Rи + Rб )

Это напряжение меньше, чем  напряжение источника сигнала и  используя входную характеристику транзистора можно определить токи базы для минимального и максимального  значений входного напряжения по формуле

Iбд₁ =     Uбп -  Uэкв ,

                                           Iбд₂ =     Uбп + Uэкв                       

Если пользоваться только аналитическим расчетом, то возникла бы необходимость определения входного динамического сопротивления участка  база-эмиттер транзистора.

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и в первую очередь, общее сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения

_{Так как  сопротивление  в коллекторной цепи изменилось по переменному  сигналу, необходимо пересчитать и  построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике (см. рис. 37).}

 

 

Рисунок 37 – Соотношения динамической и статической нагрузочных характеристик

 

_{Первая  точка останется как и для статического режима- точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по формуле}

Iкд = Ек/R´н

_{Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует  из рисунка 37,  будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2, найденных выше.}

_{Диапазон  изменения выходного  напряжения также  изменится и будет, в соответствии с  динамической нагрузочной  прямой, составлять Uкд1 и Uкд2. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада можно определить из выражения}

_{К = (Uкд1 + Uкд2)/(2·Ег)}

_{Если  значение коэффициента К меньше, чем требуется  по условию, то необходимо усилительный тракт  дополнить вторым каскадом усиления и  продолжить расчет. При этом, необходимо будет пересчитать  коэффициент усиления первого каскада К, так как нагрузкой для первого каскада теперь будет вход второго каскада, а нагрузкой второго сопротивление Rн. Алгоритм расчета второго каскада будет аналогичен расчету первого каскада.}

 

ЛЕКЦИЯ 11

Расчет частотных  и мощностных параметров усилителя

 

Емкости межкаскадных связей С_р1, С_р2  предназначены для гальванической развязки (исключение влияния между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым каскадом и, дальше между каждым из каскадов по всему тракту усиления. Емкость Сэ предназначена для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по следующим формулам: 

 

                  

 

 

  

 

 

                   

 

Определение мощностных параметров усилителя. Если усилитель имеет несколько каскадов и функции предпоследнего и последнего каскадов состоят в усилении сигналов по мощности, то в конце расчета необходимо оценить мощностные показатели последних каскадов усилителя. Выходную мощность каскада рассчитывают по формуле

                                              

Полную мощность, расходуемую  источником питания, оценивают по формуле

 

Коэффициент полезного  действия каскада определяют из выражения

         

 

ЛЕКЦИЯ 12

Расчет  усилителя мощности

 

При расчете усилителя  мощности обычно требуется выбрать  транзисторы, напряжение питания и  рассчитать основные параметры выходного  каскада, обеспечивающего выходную мощность Р_н на нагрузке R_н, работающего в диапазоне частот Fн - Fв Гц при коэффициенте частотных искажений  Мн дБ и, по необходимости, построить зависимости отдаваемой P_m и потребляемой P_o мощности каскада от уровня входного сигнала.

В качестве схемы усилителя мощности можно выбрать бестрансформаторный вариант, который представлен на рисунке 38.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 38 – Схема бестрансформаторного усилителя мощности

 

Первым этапом находят допустимую мощность рассеяния на коллекторе:

Допустимая мощность рассеяния на коллекторе равна:

                                                           

Граничная частота усиления находится по формуле:

                                                 

 Для определения  амплитуды выходного напряжения  и тока используются выражения:

                                          

                                                             

= 0,8 0,95  – коэффициент использования источника питания по напряжению;

Найдем напряжение питания:

                                                       

Находится предельно допустимое коллекторное напряжение:

U_kдоп ³   По этим параметрам выбирают транзисторы для оконечного каскада, например, VT1(n-p-n)- КТ805АM и VT2(p-n-p)- КТ837А ниже приведены их параметры:

Ikmax = 5 (A)                                                            

Uкэmax = 70 (B)

Pkmax = 30 (Bт) с теплоотводом

Pkmax = 1 (Bт) без теплоотвода

h21  = 15

Входной ток транзистора VT1(VT2) найдем, учитывая его коэффициент передачи тока h21  = 15

I1(2)вх m = I kmaх/ h21

Выбор источника  питания:

Е ³ 2(Uэкмах)+Uнас

Uнас - коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в

режим насыщения  (определяется по справочным данным и

составляет Uнас = (0,5...2), В).

Величину напряжения питания округляют до большего значения и выбирают необходимое из ряда напряжения питания.

Ряд напряжения питания

Е_п, В        5    6    9    12    15    24    30    48    100    150

Графоаналитический  метод. Находят:

  U_кэ= Е_п/2 (B)                     

  I_к=Е_п/2R_н (A)

В системе координат  выходной характеристики строится треугольник мощности: прямая U_нач. отсекает область существенной нелинейности токов базы, от U_нач. откладывается величину U_кэ, затем соединяют точки I_к и U_кэ.  Далее строится Р_{к доп}- нагрузочная кривая, которая в данных расчётах не должна заходить в область треугольника мощности, но максимально приближаться к нему. Если кривая заходит в область треугольника мощности,  транзисторы должны работать с радиаторами.

Определяют рабочую  область по входной характеристике.

Определяем глубину  ООС:

F=1+g_21*R_н , где g₂₁ усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=95,2

      Рассчитаем  делитель напряжения для выходного  каскада:

I_дел=(3¸5)I_бmin;  

I_диода= I_дел+I_б0

Падение напряжения на диоде  должно составлять: 2U_эб0=1 B

В связи с таким  падением напряжения на диоде - необходимо включение одного диода КД510А для обеспечения требуемого падения напряжения.

Расчёт входного сопротивления  с учётом ООС:

;       где  ;     

Расчитаем амплитудные  значения на входе:

;   

                       

Найдем емкости конденсаторов  С₁ и С₂:

 Распределим  частотные искажения поровну  между входом и выходом:

М = М_вх · М_вых, тогда:

.

Отсюда:

Найдем выходную (отдаваемую) мощность: