EMBED Equation.3 12. Приклади розрахунку підсилювача низької частоти
EMBED Equation.3
Вихідними даними для розрахунку підсилювача низької частоти є:
- амплітуда напруги джерела сигналу UДЖ = 5 мВ;
- амплітуда вихідної напруги UН = 15 В;
- опір джерела струму RДЖ = 10 кОм;
- нижня робоча частота FH = 10 Гц;
- верхня робоча частота FB = 100 кГц;
- опір навантаження RH = 0,5 кОм;
- ємність навантаження СН = 100 пФ;
- допустима нестабільність струму ?I = 5%;
- діапазон зміни температури навколишнього середовища ?tº = +10º ?+50ºC;
- допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті МНДБ = 3 дБ;
- допустимі частотні спотворення на верхній граничній частоті МВДБ = 3 дБ;
12.1 Приклад розрахунку підсилювача низької частоти на біполярних транзисторах з однополярним живленням
У відповідності з (5.6) розраховуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою:
EMBED Equation.3 .
У відповідності з (5.7) розраховуємо необхідну кількість каскадів підсилювача, які підсилюють сигнал за напругою. При цьому враховуємо, що коефіцієнт підсилення одного каскаду не менший К1 = 50:
EMBED Equation.3 ,
тобто у підсилювачі необхідно передбачити два каскади підсилення за напругою на транзисторах з коефіцієнтом підсилення транзисторів за струмом h21Е > 50.
У відповідності з (5.8) розраховуємо напругу живлення вихідного каскаду:
EMBED Equation.3 B.
Вибираємо стандартне живлення ЕЖ = +36 В. Структурна схема проектованого підсилювача матиме вигляд:
EMBED Word.Picture.8
Враховуючи значення опору джерела сигналу для вхідного каскаду вибираємо схему емітерного повторювача. Для першого та другого каскадів підсилення вибираємо схему ввімкнення транзисторів зі СЕ, яка забезпечить необхідний коефіцієнт підсилення сигналу за напругою. Для вихідного каскаду вибираємо схему двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності, який забезпечить необхідну амплітуду струму в навантаженні.
Повна принципова схема підсилювача, яка відповідає розрахованій структурній схемі та вибраним схемам окремих каскадів, наведена на рис.5.10. Для першого каскаду, виконаному на транзисторі VT1 присвоюємо індекс 1, для другого каскаду – виконаному на транзисторі VT2 – 2, для третього каскаду, виконаному на транзисторі VT3 – 3, для вихідного каскаду - 4, для навантаження – 5.Для усунення паразитних зв’язків між каскадами по живленню в схемі передбачено розв’язки за допомогою RC – фільтрів, які виконані на резисторах R3 та R8. Спад напруги на резисторах фільтрів вибирають в межах (0,1…0,2) ЕЖ. Вибираємо ЕЖ2 = 30 В; ЕЖ1 = 24 В.
У відповідності з рекомендаціями таблиці 5.1. розподіляємо частотні спотворення в ділянці нижніх частот між каскадами наступним чином: МН1ДБ = 0,5 дБ; МН2ДБ = 0,5 дБ; МН3ДБ = 1,0 дБ; МН4ДБ = 1,5 дБ, тобто МНДБ = 3 дБ.
У відповідності з методикою, наведеною § 6.4 розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи вихідного емітерного повторювача.
IH4 = UH/RH = 15 / 500 = 30 мА.
IК04 = (0,05...0,15) IH4 = (0,05...0,15) 30 10-3 = (1,5...4,5) мА.
Вибираємо IК04 = 3 мА.
Для вихідного каскаду вибираємо транзистори VT4 типу КТ815Б та VT5 типу КТ814Б з наступними ідентичними параметрами: UКД = 40 В, IКД = 1500 мА, РКД = 1 Вт, h21Е = 40...100, CК = 60 пФ, ? = 5500 пс, FT = 3 МГц, I0K = 50 мкА.
Розраховуємо максимальний струм бази транзистора VT4:
EMBED Equation.3 мА.
Розрахунок проводимо при використанні транзисторів із середньостатистичними параметрами:
EMBED Equation.3 .
Оскільки IД04 = IК03, то
EMBED Equation.3 мА.
Вибираємо IД04 = IК03 = 4 мА.
Розраховуємо опір резистора колекторного навантаження транзистора VT3:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R11=4,3 кОм.
Розраховуємо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача:
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Ом.
RВХ4 = h11E4 || R11 = 31,1 103 || 4,3 103= 3,78 кОм.
Розраховуємо частотні спотворення вихідного емітерного повторювача на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 кГц.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3
Коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою:
EMBED Equation.3 .
Необхідна амплітуда вхідного сигналу вихідного каскаду:
EMBED Equation.3 В.
Вихідний опір вихідного каскаду:
EMBED Equation.3 Ом.
Розраховуємо номінальне значення ємності розділювального конденсатора на виході:
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С9 = 200 мкФ.
Розраховуємо потужність розсіювання на колекторі одного транзистора:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 мВт.
РК4 = 113,7 мВт < РКД = 1000 мВт.
Розраховуємо потужність, яка споживається від джерела живлення:
EMBED Equation.3 мВт.
Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням:
EMBED Equation.3 МГц,
EMBED Equation.3 Ом,
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3 ; мв5дб = 0,0005 дБ.
Для вибору початкового режиму роботи транзисторів вихідного каскаду використовуємо діоди VД1 і VД2 типу КД503А.
У відповідності з методикою, наведеною в § 6.5, розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи третього каскаду. Оскільки третій і четвертий каскади з’єднані за постійною складовою (струм дільника, який протікає через діоди, є одночасно струмом силою IКО3, а опір резистора R11 є опором колекторного навантаження транзистора VT3, то вихідними даними для подальшого розрахунку є:
EMBED Equation.3 кОм;
UH3 = UВХ4 = 15,1 В.
Опір резистора емітерної стабілізації:
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R12 = 1,2 кОм.
Напруга на базі транзистора VT3 по відношенню до загальної шини:
EMBED Equation.3 В.
Для проміжних та вхідного каскадів використовуємо транзистори типу КТ3102 з наступними параметрами: UКД = 30 В; ІКД = 100 мА; РКД = 250 мВт; h21E = 200…500 CK = 6 пФ; ? = 100 пс; FT =250 МГц; ІОК = 0,1 мкА.
Розраховуємо струм бази транзистора в статичному режимі:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
Вибираємо струм дільника базового зміщення та розраховуємо номінальні значення опорів дільника:
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо IД03 = 80 мкА.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R9 = 390 кОм.
EMBED Equation.3 86,6 кОм.
Вибираємо R10 = 91 кОм.
Розраховуємо вхідний опір другого проміжного каскаду:
EMBED Equation.3 Ом,
EMBED Equation.3 Ом,
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 кОм.
Вихідний опір каскаду:
EMBED Equation.3 кОм.
Коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 А/В.
Необхідна амплітуда вхідного сигналу:
EMBED Equation.3 мВ.
Частотні спотворення вихідного каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 кГц;
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3 МВ3ДБ = 7,59 дБ.
Частотні спотворення в ділянці верхніх частот значно перевищують допустимі. Зменшити частотні спотворення можна шляхом введення місцевого зворотного зв’язку за рахунок величини додаткового резистора між емітером транзистора VT3 та точкою з’єднання резистора R12 і конденсатора С8. Зменшуємо коефіцієнт підсилення третього каскаду до 60. При введені місцевого зворотного зв’язку коефіцієнт підсилення третього каскаду становитиме:
EMBED Equation.3 ,
звідки:
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо RE3 = 51 Ом.
Уточнюємо розрахунки, на які впливає коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 пФ.
У цьому випадку:
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 кГц.
Частотні спотворення третього каскаду на верхній граничній частоті в цьому випадку становитимуть:
EMBED Equation.3 (МН3ДБ = 1,08 дБ.)
Частотні спотворення третього каскаду на нижній граничній частоті розподіляємо між конденсаторами С6 та С8:
EMBED Equation.3 дБ, МНС6 = 1,059.
EMBED Equation.3 мкФ.
Значення ємності блокувального конденсатора С8 в колі емітера визначається з урахуванням місцевого зворотного зв’язку за рахунок додаткового резистора RE:
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо C8 = 1000 мкФ.
У відповідності з методикою, наведеною в §6.5, розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи другого каскаду. Вихідними даними для розрахунку є:
EMBED Equation.3 кОм, EMBED Equation.3 мВ, EMBED Equation.3 кОм.
Опір резистора RДЖ2 вибраний з метою забезпечення необхідної верхньої граничної частоти підсилення підсилювача. Напруга живлення каскаду ЕЖ2 = 30 В.
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІК02 = 1мА.
EMBED Equation.3 кОм.
При розрахунку третього каскаду для забезпечення необхідної смуги пропускання вибрано R6 = RВИХ2 = RДЖ3 = 3 кОм.
Уточняємо значення струму колектора транзистора VT2 в статичному режимі і розраховуємо номінальне значення опору резистора емітерної стабілізації:
EMBED Equation.3 мА.
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R7 = 1200 Ом.
Розраховуємо потенціал бази транзистора першого проміжного каскаду по відношенню до загальної шини і вибираємо режими роботи дільника базового зміщення:
EMBED Equation.3 В.
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІДО2 = 80 мкА.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R4 = 300 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R5 = 91 кОм.
Інші параметри першого проміжного каскаду, визначені у відповідності з раніше приведеною методикою:
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Ом,
EMBED Equation.3 кОм.
RВИХ2 = R6 = 3 кОм.
EMBED Equation.3 .
S2 = S3 = 0,152А/В , оскільки режими другого та третього каскадів однакові.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 мВ.
Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між роздільним та блокувальним конденсаторами другого каскаду:
EMBED Equation.3 ,
EMBED Equation.3 дБ, EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 дБ, EMBED Equation.3
Визначаємо значення ємності розділювального та блокувального конденсаторів:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С3 = 100 мкФ.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С5 = 10000 мкФ.
У відповідності з методикою, наведеною в § 6.1 вибираємо режими та розраховуємо номінальні величини елементів, що входять до складу вхідного емітерного повторювача. Вихідними параметрами для розрахунку вхідного емітерного повторювача є:
RH1 = RBXK2 = 2 кОм, UH1 = UBXK2 = 1,69 мВ, ЕЖ = 24 В.
Вибираємо струм спокою першого каскаду та розраховуємо опір емітерного навантаження:
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІКО1 = 1 мА.
EMBED Equation.3 кОм.
Розраховуємо параметри дільника базового зміщення:
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІДО1 = 10 мкА.
EMBED Equation.3 МОм
Вибираємо R1 = 1,1 МОм.
EMBED Equation.3 В.
EMBED Equation.3 МОм.
Вибираємо R2 = 1,8 МОм.
Розраховуємо вхідний опір вхідного емітерного повторювача:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 > EMBED Equation.3 кОм.
Уточнюємо коефіцієнт підсилення першого каскаду за напругою та визначаємо його вихідний опір:
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 Ом.
Розраховуємо частотні спотворення першого каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 кГц.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 д Б.
Розраховуємо ємність вхідного розділювального конденсатора:
EMBED Equation.3 дБ.
EMBED Equation.3 нФ
Вибираємо С1 = 0,075 мкФ.
Визначаємо вхідну напругу, яка забезпечує максимальну напругу сигналу на навантаженні:
EMBED Equation.3 мВ.
EMBED Equation.3 мВ EMBED Equation.3 мВ.
Виконання цієї умови дозволяє практично в 2 рази зменшити загальний коефіцієнт підсилення за рахунок введення місцевого зворотного зв’язку, наприклад, в другому каскаді, або використати в якості резистора R3 змінний опір, при допомозі якого можна регулювати коефіцієнт підсилення в заданих межах.
Розраховуємо частотні спотворення другого каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 кГц,
EMBED Equation.3 Ом,
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3 дБ.
Перевіряємо частотні спотворення підсилювача на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
=0,41дБ+ 0,13 дБ + 1,08 дБ + 0,34 дБ + 0,0005 дБ = 2,75 дБ <МВЗАД = 3 дБ.
Сумарні частотні спотворення на верхній граничній частоті не перевищують допустимого значення 3 дБ. Враховуючи величину частотних спотворень на частоті 100 кГц можна зробити висновок, що верхня гранична частота проектованого підсилювача перевищує 100 кГц.
Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів та ємностей фільтрувальних конденсаторів в колі живлення:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R13 = 5,6 кОм.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С2 = 50 мкФ.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R8 = 1,2 кОм.
EMBED Equation.3 .
Вибираємо С4 = 200 мкФ.
12.2. Приклад розрахунку підсилювача низької частоти з диференційним каскадом на вході та двополярним живленням
Вихідними даними для розрахунку є дані попереднього прикладу:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 В, EMBED Equation.3 В.
Вибираємо для вихідного каскаду два джерела живлення з номінальними значеннями напруг ЕЖ = + 18 В та ЕЖ = - 18 В. В підсилювачі необхідно передбачити два каскади підсилення з відносно великим коефіцієнтом підсилення за напругою. Структурна схема підсилювача буде відповідати рис. 12.1.
Використаємо принципову схему підсилювача, наведену на рис. 5.13. У вхідному каскаді підсилювача передбачено використання диференційного підсилювача з місцевим зворотним зв’язком для збільшення вхідного опору каскаду. Вибране схемотехнічне рішення забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення за напругою транзисторами VT2 та VT4, а транзистор VT1 для сигналу ввімкнений за схемою зі СК. На виході використовуємо двотактовий емітерний повторювач на транзисторах різного типу провідності VT6 та VT7 з різнополярним живленням. Таке схемотехнічне рішення дозволить усунути частотні спотворення в ділянці нижніх частот за рахунок використання роздільного конденсатора між виходом підсилювача та навантаженням. Початковий вибір робочої точки вихідного каскаду здійснюється за допомогою параметричного стабілізатора на транзисторі VT5. При розрахунку параметрів каскадів будемо користуватися наступними індексами: 1 – вхідний диференційний каскад; 2 – каскад на транзисторі VT4, ввімкнений за схемою з СЕ; 3 – вихідний емітерний повторювач; 4 – навантаження. Частотні спотворення в ділянці нижніх частот вносяться диференційним каскадом за рахунок розділювальних конденсаторів С1 та С3 і блокувальним конденсатором С5 в колі емітера другого підсилювального каскаду і розподіляємо між каскадами наступним чином:
МН = 3,0 дБ: МН1 = 2,0 дБ; МН2 = 1,0 дБ; МН3 = 0 EMBED Equation.3 дБ.
У відповідності з §6.4 розраховуємо номінальні величини елементів та режими роботи вихідного емітерного повторювача.
EMBED Equation.3 мА.
EMBED Equation.3 мА = EMBED Equation.3 мА.
EMBED Equation.3 Вибираємо ІК03 = 3 мА.
Для всіх каскадів підсилювача вибираємо транзистори VT1, VT2, VT3, VT5 та VT6 n-p-n-провідності типу КТ3102В, а VT4 – p-n-p - провідності типу КТ107В з наступними ідентичними параметрами: UКД = 30 В; ІКД = 100 мА; РКД = 250 мВт; h21 = 200...500; CК = 6 пФ; ? = 100 пс; FT = 250 МГц; ІОК = 0,1 мкА.
Розрахунок проводимо для випадку використання транзисторів з мінімальним коефіцієнтом підсилення за струмом h21Е = 200.
EMBED Equation.3 мА.
Струм колектора транзистора VT4 є одночасно струмом дільника, який забезпечує початковий режим роботи вихідного каскаду, його вибираємо з умови оптимального режиму роботи транзистора VT4 з точки зору забезпечення максимального коефіцієнта підсилення. Величина цього струму знаходиться в межах 3...5 мА. Вибираємо ІД03 = ІК02 = 3 мА.
Розраховуємо значення опору резистора колекторного навантаження транзистора VT4:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R16 = 5,6 кОм.
Визначаємо вхідний опір вихідного каскаду:
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 кОм.
Розраховуємо амплітуду напруги сигналу, яку необхідно подати на вхід вихідного каскаду:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 В.
Вихідний опір вихідного емітерного повторювача становить:
EMBED Equation.3 Ом.
Розраховуємо потужність, яка розсіюється на одному транзисторі вихідного двотактного каскаду:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 мВт.
EMBED Equation.3 мВт EMBED Equation.3 мВт.
Визначаємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться в схему ємністю навантаження.
EMBED Equation.3 МГц.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 дБ.
EMBED Equation.3 Значення опору регулюючого резистора R14 розраховуємо з умови надійного відпирання транзисторів VT6 та VT7 і забезпечення їх роботи в режимі АВ:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R14 = 470 Ом.
EMBED Equation.3 Опір обмежуючого резистора R17 вибираємо з умови, що напруга відпирання транзисторів вихідного каскаду зменшується в два рази при відкритому та насиченому транзисторі VT5:
EMBED Equation.3 R17 = R14 = 470 Ом.
EMBED Equation.3 Вихідними даними для розрахунку другого каскаду є:
RH2 = RВХ3 = 102 кОм; EMBED Equation.3 UK3 = UВХ = 15,9 В; EMBED Equation.3 ІКО2 = 3 мА; EMBED Equation.3 RK = R16 = 5,6 кОм.
EMBED Equation.3 У відповідності з методикою §6.4 розраховуємо:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Вибираємо R13 = 1 кОм.
Напруга на базі транзистора VT4 в статичному режимі по відношенню до шини живлення +ЕЖ:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 В.
EMBED Equation.3 Вибираємо струм дільника базового зміщення транзистора VT4 та розраховуємо значення опорів резисторів дільника:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 Вибираємо ІДО2 = 70 мкА.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Вибираємо R12 = 200 кОм.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R11 = 68 кОм.
Розраховуємо вхідний опір другого каскаду:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Вихідний опір другого каскаду та його коефіцієнт підсилення:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 А/В.
EMBED Equation.3 кОм.
Для забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення другого каскаду вводимо місцевий зворотний зв’язок за допомогою резистора R18, ввімкненого між емітером транзистора VT4 та резистором R13, який обмежує коефіцієнт підсилення другого каскаду на рівні KU2 = 60:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Вибираємо R17 = 68 Ом.
EMBED Equation.3 Уточнюємо значення вхідного опору каскаду з урахуванням місцевого зворотного зв’язку.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 В / 60 = 265.
EMBED Equation.3 кОм.
Вихідними даними для розрахунку вхідного диференційного каскаду є:
RH1 = RВК2 = 11,6 кОм, UH1 = 265 мВ, ЕЖ1 = 15 В.
Вибираємо струм спокою транзисторів диференційного каскаду:
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІК01 = 0,1 мА.
Для вхідного диференційного каскаду вибираємо мікрорежим. В такому випадку значно зменшується коефіцієнт підсилення транзистора за струмом. При зменшенні струму колектора в 100 разів по відношенню до 1 мА h21E зменшується практично в 10 разів. Для ІКО1 = 0,1 мА h21E1 = 60. Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів навантаження диференційного каскаду:
ЕК1 = ЕЖ / 2 = 15 / 2 = 7,5 B.
R2 = R3 = EK1 / IKO1 = 7,5 / 0,1 10-3 = 75 кОм.
Значення опорів резисторів, які з’єднують бази транзисторів диференційного каскаду з загальною шиною вибираємо з умови:
R1 = R9 = 10 RДЖ = 10 ? 100 ? 103 = 1 МОм.
Розраховуємо величину опору резистора емітерної стабілізації джерела струму:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R6 = 15 кОм.
Визначаємо режими роботи транзистора джерела струму та розраховуємо номінальні величини опорів резисторів дільника базового зміщення:
EMBED Equation.3 ? 10-3 EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 мкА = EMBED Equation.3 мкА.
Вибираємо ІД01 = 20,0 мкА.
EMBED Equation.3 В.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R7 = 560 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R8 = 200 кОм.
Визначаємо вхідний опір диференційного каскаду
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 кОм.
Визначаємо коефіцієнт підсилення диференційного каскаду за напругою:
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 кОм.
Вихідний опір каскаду:
EMBED Equation.3 .
Визначаємо амплітуду сигналу, яку необхідно подати на вхід підсилювача:
EMBED Equation.3 мВ EMBED Equation.3 мВ.
EMBED Equation.3 мВ EMBED Equation.3 мВ.
Оскільки амплітуда вхідного сигналу є більшою амплітуди джерела сигналу, то підсилювач не забезпечує необхідного коефіцієнта підсилення, тому необхідно збільшити загальний коефіцієнт підсилення в ділянці середніх частот. Це можна зробити за рахунок зменшення зворотного зв’язку у другому каскаді, або за рахунок використання транзисторів з більшим h21E. Збільшуємо коефіцієнт підсилення другого каскаду до необхідної величини за рахунок зменшення опору резистора R18 до величини:
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо уточнене значення опору R18 = 51 Ом. Розраховуємо опори резисторів R4 і R5, які покращать стабільність вхідного диференційного каскаду за постійним струмом:
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R4 = R5 = 5,1 кОм.
З метою усунення впливу резисторів R4 і R5 на загальний коефіцієнт підсилення першого каскаду в ділянці робочих частот між емітерами транзисторів диференційного каскаду використовуємо конденсатор С6: Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між конденсаторами диференційного каскаду наступним чином:
EMBED Equation.3 0,5 дБ + 1,0 дБ + 0,5 дБ = 2 дБ.
МНС1ДБ = 0,5 дБ, (МНС1 = 1,059), МНС3ДБ = 1,0 дБ (МНС3 = 1,12), МНС6ДБ = 0,5 дБ, (МНС6 = 1,059).
Розраховуємо номінальні значення ємностей розділювальних та блокувальних конденсаторів:
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С1 = 5 мкФ.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С3 = 200 мкФ.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С6 = 200 мкФ.
Визначаємо частотні спотворення, які вносяться диференційним каскадом на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 кГц.
EMBED Equation.3 кОм.
СЕКВ1 = СКТ3102 = 6 пФ
EMBED Equation.3 МВ1ДБ = 0,04 дБ.
Розраховуємо частотні спотворення другого каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3 43,5 кГц.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 пФ.
Верхня гранична частота другого каскаду є нижчою від заданої верхньої граничної частоти підсилювача. Підвищити верхню граничну частоту другого каскаду можна шляхом:
1) зменшення RЕКВ2 за рахунок використання емітерного повторювача між диференційним каскадом та схемою зі СЕ;
2) зменшення СЕКВ за рахунок використання транзистора з меншою ємністю СК.
Будемо орієнтуватися на використання транзистора VT4 типу КТ3108В, у якого СК = 2 пФ. Для цього випадку:
EMBED Equation.3 пФ.
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3 . (МВ2ДБ = 2,14 дБ)
Розраховуємо частотні спотворення, які вносяться на верхній граничній частоті третім каскадом:
EMBED Equation.3 МГц.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 дБ.
МВДБ = МВДБ1 + МВДБ2 + МВДБ3 + МВДБН =
0,04 дБ + 2,14 дБ + 0,007 дБ + 0,000% дБ = 2,187 дБ < МВДБ = 3 дБ. 1
Розраховуємо номінальні величини опорів резисторів та ємностей конденсаторів у колі живлення:
EMBED Equation.3 кОм
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С2 = С5 = 10 мкФ.
12.3. Приклад розрахунку підсилювача низької частоти, виконаного за схемою підсилювача постійного струму
Вихідними даними для розрахунку схеми є параметри підсилювача низької частоти для першого прикладу. Підсилювач виконуємо за схемою, наведеною на рис. 5.14. При розрахунку параметрів каскадів будемо користуватися наступними індексами: 1 – вхідний диференційний каскад; 2 – каскад на транзисторі VT4, ввімкненому за схемою зі СЕ; 3 – вихідний емітерний повторювач; 4 – навантаження. Частотні спотворення в ділянці нижніх частот визначаються лише конденсатором С1. Для схеми підсилювача використовуємо транзистори VT1, VT2, VT3, VT5 - типу КТ3102В, VT4 – КТ3108В; VT6 – КТ3107В, параметри яких наведені в §12.2.
У відповідності з § 12.2 ІКО3 = 3 мА, ІБU3 = 0,165 мА; ІКО2 = 3 мА; RBX3 = 102 кОм; ЕЖ = 18 B; KU3 = 0,995.
Розраховуємо опір колекторного навантаження транзистора VT4:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R13 = 5,6 кОм.
Розбиваємо необхідний коефіцієнт підсилення 3000 між каскадами:
EMBED Equation.3
Значення опору R12 розраховуємо з умови забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення другого каскаду KU2 = 60:
EMBED Equation.3 .
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 А/В (з попереднього прикладу).
Вибираємо R12 = 68 Ом.
Визначаємо потенціал бази транзистора VT4 в статичному режимі по відношенню до шини живлення + 18 В:
EMBED Equation.3 В.
Розраховуємо значення опорів резисторів колекторного навантаження диференційного каскаду:
EMBED Equation.3 мкА.
ІК01 = 0,1 мА.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R2 = R3 = 12 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 (з попереднього прикладу).
EMBED Equation.3
Проведений розрахунок показує, що реалізувати підсилювач за двокаскадною схемою, який забезпечує загальний коефіцієнт підсилення за напругою К = 3000, неможливо. Тому для підсилювача з таким коефіцієнтом підсилення за напругою використовуємо трикаскадну схему підсилювача низької частоти, принципова схема якого наведена на рис. 12.2.
Каскадам присвоєно наступні індекси:1 – диференційний каскад; 2 – каскад на транзисторі VT4; 3 – каскад на транзисторі VT5; 4 – вихідний каскад; 5 – навантаження. Струми каскадів в робочій точці вибираємо у відповідності з проведеними раніше розрахунками наступними:
ІК01 = 0,1 мА; ІК02 = 1 мА; ІК03 = 3 мА; ІК04 = 8 мА.
При цьому опори емітерів транзисторів, розраховані у відповідності з раніше приведеною методикою, у вибраних режимах складатимуть: rЕ1 = 260 Ом, rЕ2 = 26 Ом, rЕ3 = 8,6 Ом, rЕ4 = 3,2 Ом, Для таких режимів крутизни характеристик транзисторів будуть: S1 = 0,004 A/B; S2 = 0,038 A/B; S3 = 0,115 A/B. Загальний коефіцієнт підсилення KU = 3000 між каскадами розбивається наступним чином: KU1 = 5, KU1 = 15, KU1 = 40.
EMBED Word.Picture.8
Для вибраних режимів розраховуємо номінальні величини опорів резисторів колекторного навантаження та місцевого зворотного зв’язку, який забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення каскаду за напругою:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R12 = 5,6 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R13 = 110 Ом.
Розраховуємо вхідний опір каскаду на транзисторі VT5:
EMBED Equation.3 кОм.
Визначаємо потенціал бази транзистора VT4 по відношенню до шини живлення –ЕЖ в статичному режимі.
EMBED Equation.3 В.
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R13 = 1 кОм.
Визначаємо струм бази транзистора VT5:
EMBED Equation.3 мкА.
Розраховуємо опір резистора емітерної стабілізації транзистора VT4 з умови забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення другого каскаду:
EMBED Equation.3 Ом.
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R10 = 11 Ом.
Визначаємо вхідний опір транзистора другого каскаду:
EMBED Equation.3 кОм.
Визначаємо потенціал бази транзистора VT4 по відношенню до шини + ЕЖ.:
EMBED Equation.3 В.
Розраховуємо опори резисторів колекторного навантаження диференційного каскаду:
EMBED Equation.3 мкА.
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R2 = R3 = 6,2 кОм.
Значення опорів резисторів в колі емітерів транзисторів диференційного каскаду розраховуємо з умови забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення за напругою вхідного каскаду:
EMBED Equation.3 кОм.
EMBED Equation.3 Ом.
Вибираємо R4 = R5 = 120 Ом.
Розраховуємо вхідний опір транзистора диференційного каскаду:
EMBED Equation.3 кОм EMBED Equation.3 Мом.
Розраховуємо значення опору резистора емітерної стабілізації джерела струму:
EMBED Equation.3
Вибираємо R6 = 10 кОм.
Визначаємо потенціал бази транзистора джерела струму відносно шини живлення:
EMBED Equation.3
Розраховуємо номінальні значення опорів резисторів дільника базового зміщення транзистора джерела струму:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Вибираємо ІД01 =20 мкА.
EMBED Equation.3
Вибираємо R7 = 750 кОм.
EMBED Equation.3
Вибираємо R8 = 360 кОм.
Розраховуємо частотні спотворення диференційного каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо частотні спотворення каскаду на транзисторі VT4 на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо частотні спотворення каскаду на транзисторі VT5 на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо частотні спотворення вихідного каскаду на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням:
МВДБ = МВ1ДБ + МВ2ДБ + МВ3ДБ + МВ4ДБ + МВ5ДБ =
= 0,225 дБ + 0,155 дБ + 0,083 дБ + 0,07 дБ + 0,0005дБ = 0,543 дБ.
МВДБ = 0,543 дБ < МВЗАДДБ = 3 дБ. Умова виконується.
12.4 Приклад розрахунку нестабільності робочої точки
Розрахуємо нестабільність положення робочої точки для другого каскаду підсилення за напругою на транзисторі VT3 для прикладу розрахунку підсилювача 12.1 (рис.5.10). Вихідними даними для розрахунку є:
EMBED Equation.3
Визначаємо потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора
EMBED Equation.3
Розраховуємо мінімальну та максимальну температури переходу транзистора:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Визначаємо середнє значення коефіцієнта підсилення транзистора за струмом та допоміжні коефіцієнти:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розраховуємо максимальне та мінімальне значення зворотного струму переходу база-колектор транзистора:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Визначаємо зміну струму бази транзистора при зміні температури навколишнього середовища:
EMBED Equation.3
Визначаємо зміну напруги зміщення транзистора при зміні температури навколишнього середовища:
EMBED Equation.3
Розраховуємо зміну струму колектора транзистора при зміні температури навколишнього середовища та визначаємо його відносну нестабільність:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Для зменшення нестабільності положення робочої точки необхідно йти шляхом зменшення опорів резисторів дільника базового зміщення. Зменшення RД в 10 разів практично не вплине на вхідний опір каскаду, а зменшить ?ІКО до 0,17 мА, а відносну нестабільність ?І до 4,42%, що достатньо.
12.5. Приклад розрахунку підсилювача низької частоти з використанням операційного підсилювача
Вихідними даними для розрахунку підсилювача низької частоти з використанням операційного підсилювача є дані прикладу розрахунку §12.1. При проектуванні схеми будемо орієнтуватися на використання операційних підсилювачів широкого вжитку типу К140УД8А з наступними основними параметрами: ЕЖ = ? 15 В; RH = 2 кОм; UH = 10 В; ? = 2 В/мкс; К0 = 20000; FТ = FГР= 1 МГц.
Визначаємо максимальний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача за напругою, який можна отримати на верхній граничній частоті:
EMBED Equation.3
У відповідності з §8 перша умова EMBED Equation.3 не виконується, оскільки RH = 500 Ом; RHOП = 2 кОм. Тому на виході схеми використовується двотактний емітерний повторював на транзисторах різного типу провідності. Друга умова UH < UHOП також не виконується, оскільки UH = 15 В, UHOП = 10 В. Тому на виході перед емітер ним повторювачем повинен бути використаний каскад на транзисторі, ввімкненому за схемою зі СЕ. Використовуємо на виході схеми каскади, виконані на транзисторах VT3, VT4 і VT5 у відповідності з рис. 5.10, параметри яких розраховані в §12.1
Коефіцієнт підсилення за напругою вихідних каскадів на транзисторах становитиме:
EMBED Equation.3
Вхідний опір каскаду на транзисторі RBX3 = 2,01 кОм, що більше допустимого опору навантаження для використовуваного операційного підсилювача. Амплітуда вхідного сигналу для вихідних каскадів UBX3 = 252 мВ, що є меншим амплітуди сигналу на виході операційного підсилювача. Визначаємо кількість каскадів на операційному підсилювачі, необхідних для забезпечення заданого коефіцієнта підсилення К = 3000:
EMBED Equation.3
отже необхідно використати два каскади на операційних підсилювачах.
Повна принципова схема підсилювача низької частоти з використанням операційних підсилювачів наведена на рис. 12.3. Обидва каскади на операційних підсилювачах виконуємо за схемою з послідовним зворотним зв’язком за напругою. Розраховуємо коефіцієнт підсилення кожного каскаду при умові, що вони є рівновеликими:
EMBED Equation.3 .
EMBED Word.Picture.8
Значення опору резисторів, які з’єднують неінвертуючий вхід операційного підсилювача з загальною шиною вибираємо з умови:
EMBED Equation.3 МOм.
Вибираємо R2 = R6 = 1 МOм.
З метою забезпечення мінімального дрейфу вихідного сигналу:
R4 = R8 = R2 = 1МOм.
Резистори R1 та R5 захищають входи операційних підсилювачів від перевантаження в момент ввімкнення схеми. У відповідності з рекомендаціями по використанню операційних підсилювачів опори цих резисторів вибирають в межах 2...20 кОм.
Вибираємо R1 = R5 = 10 кОм.
У відповідності з методикою, наведеною в §8 загальний коефіцієнт підсилення за напругою одного каскаду на операційному підсилювачі з урахуванням дії місцевого від’ємного зв’язку визначається так:
EMBED Equation.3 .
З цієї рівності визначаємо значення опору резистора R3, який забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення каскаду:
EMBED Equation.3 кОм.
Вибираємо R3 = R7 = 130 кОм.
Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між розділювальними та блокувальними конденсаторами. Частотні спотворення для конденсаторів С6 та С8 враховані при розрахунку МНС6 = МНС8ДБ = 0,5 дБ. Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті становлять МНДБ = 3 дБ. Залишок допустимих частотних спотворень розподіляємо між конденсаторами С1, С2, С3 та С4:
EMBED Equation.3 дБ,
EMBED Equation.3 .
Розраховуємо номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів:
EMBED Equation.3
Вибираємо С1 = 0,047 мкФ.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С2 = С4 = 0,47 мкФ.
EMBED Equation.3 мкФ.
Вибираємо С3 = 0,047 мкФ
Необхідно відмітити, що живлення вихідного каскаду здійснюється від двох джерел з напругою +18 В та –18 В, а живлення операційних підсилювачів забезпечується двома джерелами з напругою +15В та –15 В.
У відповідності з (8.9) при відомій граничній частоті підсилення FB = 100 кГц та амплітуді вихідного сигналу операційного підсилювача UH3 = 292 мВ визначаємо, яку швидкість наростання повинен мати використовуваний операційний підсилювач:
EMBED Equation.3 В/мкс.
Вибраний операційний підсилювач має швидкість наростання вихідного сигналу ? = 1В/мкс, яка є більшою від розрахованої, тому його можна використовувати в проектованій схемі.