2. Розрахунок вхідного емітерного повторювача Вихідні дані для розрахунку емітерного повторювача: - амплітуда напруги джерела сигналу UДЖ = 15 мВ; - амплітуда вихідної напруги UН = 10 мВ; - опір джерела RДЖ = 10 кОм; - нижня робоча частота FH = 10 Гц; - верхня робоча частота FB = 100 кГц; - опір навантаження RH = 1 кОм; - ємність навантаження СН = 100 пФ; - допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті МНДБ = 3 дБ; - допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті МВДБ = 3 дБ; Принципова схема вхідного емітерного повторювача наведена на рис. 2.1.
Рис.2.1. Схема емітерного повторювача Методика розрахунку каскаду 1. Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні: , (2.1) або . (2.2) 2. Вибирають струм спокою транзистора ІК0 з умови: ІK0 = (2...3) . (2.3) Якщо внаслідок розрахунку ІK0<1 мА, то слід вибирати ІK0=1 мА, щоб транзистор не працював у мікрорежимі, коли значно зменшується коефіцієнт підсилення транзистора за струмом. Якщо вибрано мікрорежим, то необхідно враховувати зменшення коефіцієнта підсилення за струмом h21E у відповідності з довідковими даними на транзистор. При відсутності таких даних зменшення h21E становить 2,5...4 рази при зменшенні струму колектора транзистора по відношенню до струму колектора транзистора, рівного 1 мА, 10 разів. Аналітично розрахувати значення коефіцієнту підсилення транзистора за струмом в мікрорежимі h21ЕМ можна за допомогою виразу: , (2.4) де ІK0 = 1 мА, ІK0М – вибране значення струму колектора в мікрорежимі. Розраховують напругу живлення підсилювача:
і вибирають її зі стандартного ряду 6 В, 9 В, 12 В, 15 В, 18 В, 24 В, 27 В, 36 В, 45 В. 3. Розраховують номінальне значення опору резистора RЕ з умови, що спад напруги на транзисторі і резисторі в статичному режимі є рівними: . (2.5) Значення опору резистора вибирають із стандартного ряду Е24 (див. Додаток 6), Типи використовуваних постійних резисторів С2-23, С2-33, змінних – СП3-29. Потужність, яка розсіюється резистором PR, розраховують у відповідності з виразом: PR = IR2 ( R (2.6) або PR = UR2 / R. (2.7) де IR – струм, який протікає через резистор, UR – спад напруги на резисторі, R - опір резистора. З метою усунення перегріву елементів схеми номінальну потужність розсіювання резистора вибирають не менше, ніж з двократним запасом. 4. Розраховують струм бази транзистора, який забезпечує режим роботи каскаду: . (2.8) Розрахунок каскаду можна проводити з використанням транзистора з мінімальним коефіцієнтом підсилення за струмом або з середньостатистичним. У першому випадку , (2.9) у другому випадку . (2.10) 5. Визначають струм дільника базового зміщення: . (2.11) 6. Розраховують номінальне значення опорів резисторів дільника базового зміщення: , (62.12) , (2.13) . (2.14) 7. Розраховують вхідний опір транзистора емітерного повторювача та вхідний опір каскаду: , де , . . 8. Перевіряють, чи виконується умова: . (2.15) Якщо умова не виконується, то необхідно вибрати транзистор з більшим коефіцієнтом підсилення за струмом h21E. Якщо загальний коефіцієнт підсилення наступних каскадів є таким, що сумарний коефіцієнт підсилення значно перевищує необхідний, то можна залишити вибраний транзистор, врахувавши втрати підсилення в першому каскаді. 9. Розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: . (2.16) 10. Визначають вихідний опір каскаду: . (2.17) 11. Розраховують верхню граничну частоту підсилення каскаду: ; (2.18) ; (2.19) СЕКВ = СК. 12. Розраховують частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті: . (2.20) 13. Розподіляють частотні спотворення каскаду на нижній граничній частоті МН між конденсаторами С1 та С2: . (2.21) 14. Розраховують значення ємностей розділювальних конденсаторів С1 та С2: , (2.22) де ; (2.23) . (2.24) Значення ємностей електролітичних конденсаторів вибирають з ряду Е3 (див. Додаток). Значення ємностей постійних конденсаторів вибирають з ряду Е12 (див. Додаток ). Можливий тип використовуваних постійних конденсаторів К10-17. 15. Розраховують необхідну амплітуду вхідного сигналу: . (2.25) 16. Перевіряють виконання умови . (2.26) Якщо умова не виконується, то необхідно змінити схему підсилювача з метою збільшення коефіцієнта підсилення за напругою за рахунок збільшення числа проміжних каскадів або використання транзисторів з більшим коефіцієнтом підсилення за струмом h21E. Якщо виконується умова , то необхідно передбачити регулювання амплітуди сигналу, наприклад, використавши для резистора RЕ змінний резистор СП3-29. 17. Розраховують потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора: . Перевіряють, чи виконується умова: РК < РКД. Якщо умова не виконується, то необхідно вибрати транзистор з більшою РКД. 18. Розраховують потужність, яка споживається каскадом від джерела живлення: Р0 = ЕЖ ( ІК0. 3. Розрахунок підсилювального каскаду у схемі зі спільним емітером Вихідні дані для розрахунку підсилювального каскаду у схемі зі спільним емітером: - амплітуда напруги джерела сигналу UДЖ = 10 мВ; - вихідна потужність РН = 100 мВт; - опір джерела RДЖ = 500 Ом; - нижня робоча частота FH = 80 Гц; - верхня робоча частота FB = 20 кГц; - опір навантаження RH = 5 кОм; - ємність навантаження СН = 100 пФ; - допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті МНДБ = 2 дБ; - допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті МВДБ = 2 дБ; Принципова схема каскаду у схемі зі спільним емітером наведена на рис. 3.1.
Рис. 2.16. Схема підсилювального каскаду на транзисторі у схемі зі спільним емітером Методика розрахунку каскаду на біполярному транзисторові, ввімкненому за схемою з СЕ 1. Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад у навантаженні: , або . 2. Вибирають струм спокою транзистора: . Якщо ІКО < 1 мА, то слід вибирати ІКО = 1 мА. 3. Перевіряють виконання умови: ІКО < ІКД. Якщо умова не виконується, то слід вибрати транзистор з більшим допустимим струмом колектора ІКД. 4. Розраховують номінальне значення опору резистора колекторного навантаження: . 5. Розраховують номінальне значення опору резистора емітерної стабілізації RЕ. . 6. Визначають потенціал бази транзистора в статичному режимі по відношенню до загальної шини: . 7. Розраховують струм бази транзистора в статичному режимі: . 8. Струм дільника базового зміщення вибирають з умови: . 9. Розраховують номінальні значення опорів резисторів дільника базового зміщення: . . 10. Розраховують вхідний опір транзистора: . 11. Розраховують вхідний опір каскаду: . 12. Вихідний опір каскаду: Rвих = RK. 13. Розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: .
14. Визначають необхідну амплітуду вхідного сигналу: . 15. Розраховують верхню граничну частоту підсилення каскаду: ; , . 16. Розраховують частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті: . 17. Розподіляють частотні спотворення на нижній граничній каскаду МН між розділювальними конденсаторами С1, С2 та блокувальним конденсатором СЕ: МНДБ = МНС1ДБ + МНС2ДБ + МНС3ДБ. 18. Розраховують номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів: ; . 19. Розраховують номінальне значення ємності блокувального конденсатора: . 20. Розраховують потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора в статичному режимі: . 21. Перевіряють, чи виконується умова РК0 < РКД. Якщо умова не виконується, то необхідно вибрати транзистор з більшою допустимою потужністю на колекторі. 4. Розрахунок підсилювального каскаду у схемі зі спільним витоком Вихідні дані для розрахунку підсилювального каскаду у схемі зі спільним витоком: амплітуда напруги джерела сигналу UДЖ = 10 мВ; вихідна потужність РН = 5 мВт; опір джерела RДЖ = 10 кОм; нижня робоча частота FH = 10 Гц; верхня робоча частота FB = 100 кГц; опір навантаження RH = 5 кОм; ємність навантаження СН = 100 пФ; допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті МНДБ = 3 дБ; допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті МВДБ = 3 дБ; Принципова схема каскаду на польовому транзистор, ввімкненому за схемою з СВ, наведена на рис. 3.1.
Рис.3.1. Підсилювальний каскад на польовому транзисторі з керувальним p–n- переходом у схемі зі спільним витоком Методика розрахунку такого каскаду наступна. 1. Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні: . 2. Вибирають струм спокою транзистора: . Якщо ІС0 < 1 мА, то слід вибирати ІС0 = 1 мА. 3. Перевіряємо виконання умови ІС0 < ІСД. Якщо умова не виконується, то слід вибрати транзистор з більшим допустимим струмом стоку ІСД. 4. Розраховують номінальне значення опору резистора стокового навантаження: . 5. Розраховують номінальне значення опору резистора витікової стабілізації R4: . 6. Визначають потенціал заслону транзистора в статичному режимі по відношенню до загальної шини: , де UЗ0 – зміщення між заслоном та витоком транзистора в робочій точці. 7. Вибирають номінальні значення опорів резисторів дільника вхідного зміщення: R1 = R2 = 20 RДЖ. 8. Розраховують вхідний опір каскаду: Rвх = R1||R2. 9. Вихідний опір каскаду: Rвих = RС. 10. Розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: . 11. Визначають амплітуду вхідного сигналу: . 12. Розраховують верхню граничну частоту підсилення каскаду: ; , . 13. Розраховують частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті: . 14. Розподіляють частотні спотворення нижній граничній частоті каскаду МН між розділювальними конденсаторами С1, С2 та блокувальним конденсатором СЕ: МНДБ = МНС1ДБ + МНС2ДБ + МНС3ДБ. 15. Розраховують номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів: ; . 16. Розраховують номінальне значення ємності блокувального конденсатора С2: . 17. Розраховують потужність, яка розсіюється на стоку польового транзистора: . 18. Перевіряють, чи виконується умова РС0 < РСД. Якщо умова не виконується, то слід вибрати транзистор з більшою допустимою потужністю розсіювання. 5. Розрахунок безтрансформаторного двотактного підсилювача потужності на транзисторах Вихідні дані для розрахунку безтрансформаторного двотактного підсилювача потужності на транзисторах: вихідна потужність РН = 4 Вт; опір джерела RДЖ = 1 кОм; нижня робоча частота FH = 100 Гц; верхня робоча частота FB = 20 кГц; опір навантаження RH = 8 Ом; допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті МНДБ = 3 дБ; допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті МВДБ = 3 дБ. Принципова схема вихідного комплементарного повторювача наведена на рис. 5.9,а.
Рис.5.1. Вихідний каскад двохтактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності Методика розрахунку 1. Розраховують амплітуду струму, яку повинен забезпечити каскад в навантаженні: , або . 2. Вибирають струм спокою транзисторів ІК0 з умови: . 3. Розраховують максимальне значення струму бази транзисторів вихідного емітерного повторювача: . 4. Вибирають струм дільника базового зміщення: . 5. Розраховуємо номінальні значення опорів дільника базового зміщення: . . 6. Визначають вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача : , , . 7. Розраховують вхідний опір каскаду. . 8. Розраховують верхню граничну частоту вихідного емітерного повторювача: , , . 9. Розраховують частотні спотворення каскаду на верхній граничній частоті: . 10. Розраховують коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: . 11. Визначають необхідну амплітуду вхідного сигналу: . 12. Розраховують вихідний опір каскаду: . 13. Якщо на вході та виході вихідного емітерного повторювача використані розділювальні конденсатори, то їх номінальні значення визначаються у відповідності з (2.21-2.24). 14. Розраховують потужність, яка розсіюється на колекторі одного транзистора в режимі максимального сигналу:
Якщо ІК0 = 0, то . Перевіряють, чи виконується умова РК < РКД. Якщо умова не виконується, то слід вибрати транзистори з більшою потужністю розсіювання на колекторі, або, якщо це можливо, використати радіатори. 15. Розраховують потужність, яка споживається від одного джерела живлення:
Рис.6.1. Схема електрична принципова RC-генератора на операційному підсилювачі Для забезпечення самозбудження необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, яка рівна вхідній і збігається з нею за фазою. Для отримання гармонічних синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувалися на одній частоті і різко порушувалися на всіх інших частотах. Це завдання вирішується з допомогою фазоповертаючої ланки (ФПЛ), яка складається з декількох RC(ланок і служить для повороту фази вихідної напруги підсилювача на певний кут.
Рис.6.2. Структурна схема RC( генератора В схемі генератора застосована послідовно-паралельна RC(ланка, яка називається мостом Віна і забезпечує нульовий фазовий зсув на частоті квазірезонансу. Коефіцієнт зворотного зв'язку такої ланки дорівнює (зз=1/3. Це означає, що мінімальний коефіцієнт підсилення за напругою, при якому виконується умова балансу амплітуд, повинен дорівнювати KU=1/(зз=3. 1. Розрахунок починаємо з вибору типу інтегрального операційного підсилювача виходячи з таких умов:
де - максимальна додатна і від'ємна напруги на виході операційного підсилювача. 2. Максимальна швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти таку вимогу:
3. Вибираємо інтегральний операційний підсилювач і використовуємо такі його електричні параметри: , КU0, RН.min, Vmax (В/мкс), (Uзм/(T (мкВ/оС), Rвих. 4. Для симетричного моста Віна частота квазірезонансу буде дорівнювати:
5. Мінімальне значення вхідного опору Zвх min моста Віна повинно бути таким, щоб він не перевантажував вихідне коло підсилювального каскаду
де Rmin ( мінімальне значення опору одного плеча моста Віна.
6. Змінний резистор призначений для плавного регулювання частоти і повинен бути здвоєний, щоб забезпечувати одночасну зміну опорів кожного з плеч моста Віна
7. Знаходимо значення конденсаторів С1 і С2
8. Коло від'ємного зворотного зв’язку забезпечує стабілізацію амплітуди вихідної напруги і покращення форми вихідного сигналу. Стала часу термістора R5 повинна бути значно більшою від максимального періоду вихідної частоти
9. Визначаємо значення напруги термістора R5
Вибираємо тип термістора. Вольт-амперна характеристика термістора зображена на рис.6.3,а. За вольт-амперною характеристикою будуємо залежність RT = F(IT), яка показана на рис.6.3,б. Вибираємо робочу точку А термістора на ділянці максимальної крутизни. Для цієї точки знаходимо значення RT, ІТ, UT.
(а) (б) Рис.6.2. Вольт-амперна характеристика термістора (а) та залежність опору термістора від струму (б)
10. Розраховуємо значення резистора R4 з умови забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення за напругою
11. Вихідний каскад на транзисторах VT1 і VT2 є комплементарним повторювачем напруги і призначений для узгодження вихідного опору генератора з опором навантаження. Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні
12. Живлення емітерного повторювача здійснюється від двополярного джерела напруги ( 15 В, що дозволяє отримати на його виході напругу необхідного значення. Для комплементарного повторювача напруги VT1 і VT2 вибираємо транзистори з різним типом провідності і однаковими параметрами: VT1 (n-p-n), а VT2 (p-n-p). 13. Визначаємо значення вихідного опору емітерного повторювача
14. Визначаємо вихідний опір генератора разом з емітерним повторювачем з урахуванням від’ємного зворотного зв'язку за напругою
15. Задаємося значенням коефіцієнта частотних спотворень на низьких частотах Мн(дб) і розраховуємо значення ємності розділювального конденсатора С3
Додаток 1 Основні параметри рекомендованих біполярних транзисторів для ПНЧ Тип транзистора Провід- ність UКД В IКД мА РКД мВт h21E CK пФ ( пс FT МГц IOK мкА
КТ315В п-р-п 40 100 150 30-120 7 500 250 1
КТ315Б п-р-п 35 100 150 50-150 7 500 250 1
КТ315Д п-р-п 40 100 150 20-90 7 1000 250 1
КТ361Б р-п-р 40 100 150 40-160 7 1000 250 1
КТ361Г р-п-р 35 100 150 50-150 7 500 250 1
КТ361Д р-п-р 40 100 150 30-90 7 250 250 1
КТ3102В п-р-п 30 100 250 200-500 6 100 300 0,1
КТ3102Г п-р-п 20 100 250 400-1000 6 100 300 0,1
КТ3102Д п-р-п 30 100 250 200-500 6 100 300 0,1
КТ3107B р-п-р 25 100 300 70-140 7 250 200 0,1
КТ3107Г р-п-р 25 100 300 120-220 7 250 200 0,1
КТ3107Д р-п-р 25 100 300 180-400 7 250 200 0,1
КТ339А п-р-п 25 25 260 25-80 2 2500 300 1,0
КТ3108Б р-п-р 45 200 300 50-150 2 250 450 0,1
КТ3108В р-п-р 45 200 300 100-300 2 250 450 0,1
КТ814А р-п-р 25 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ814Б р-п-р 40 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ814В р-п-р 60 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ814Г р-п-р 80 1500 1000 30-60 60 5500 3 50
КТ815А п-р-п 25 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ815Б п-р-п 40 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ815В п-р-п 60 1500 1000 40-80 60 5500 3 50
КТ816Г п-р-п 80 1500 1000 30-60 60 5500 3 50
Додаток 2 Основні параметри рекомендованих польових транзисторів для ПНЧ Тип транзистора Провід- ність UСД В IСД мА РСД мВт S мА/B C11 пФ С12 пФ Iс0 мА Uп В FT мГц IOK нА
