Содержание
1. Расчет варианта усилителя натранзисторах
1.1 Анализ задания. Предварительныйрасчёт. Структурная схема
1.2 Расчет пятого (оконечного)каскада
1.3 Расчет четвертого(предоконечного) каскада
1.4 Расчет третьего каскада
1.5 Расчет второго каскада
1.6 Расчет первого каскада
1.7 Расчёт фильтров питания. Расчётцепей регулировки усиления. Расчёт разделительной ёмкости во входной цепи
2. Расчет УВЧ на интегральныхмикросхемах
2.1 Анализ варианта усилителя на ИМС
2.2 Расчет элементов первого каскада
2.3 Расчет элементов второго каскада
2.4 Расчёт регулировки усиления
3. Конструкторская часть
4. Выбор оптимального варианта
5. Заключение
6. Список использованной литературы
1. Расчет вариантаусилителя на транзисторах
1.1 Анализ задания.Предварительный расчёт. Структурная схема
Исходные данные:
Rист=7000 Ом; К0=325; Мн=0,77;Fн=60 Гц; Мв=0,73; Fв=130 кГц; Rн=13 Ом; Кг=1,3; Pвых=3,9 Вт; Uпит= ±12 В; tmax=49°С
Во первых, иззаданной по ТЗ величины Pвых и Rн выразим значения амплитуд тока инапряжения в нагрузке:
/>
Напряжение Uвых не превышает питающего напряжения,следовательно получить такую мощность в нагрузке возможно.
Поскольку от одногоусилительного каскада получить коэффициент усиления К0=325невозможно, будем рассчитывать многокаскадный усилитель. Для определения числакаскадов и типа включения транзистора в них (ОК, ОЭ, ОИ) проанализируемвеличины сопротивлений нагрузки и источника сигнала:
Если Rист
Если Rн
Остальные каскадыусилителя будут выполнены по схеме ОЭ и межкаскадный эмиттерный повторитель (посхеме ОК).
Рассчитывать количествокаскадов будем отталкиваясь от значения К0=325, с учётом того, чтокоэффициент усиления по напряжению у двухтактного УМ Кдум≈0,7÷0,9.
Исходя из вышесказанного,рассчитаем коэффициент усиления требуемый от каскадов предварительного усиления(КПУ), по следующей формуле:
/>
где Квц –ослабление входной цепи (Квц=0,6÷0,8)
Квх – коэффициентпередачи входного каскада по схеме ОК, так как у нас его нет, исключаем этувеличину из расчетов.
Квых – коэффициентпередачи выходного каскада (двухтактного УМ), Квых≈0,7÷0,9
Подставив эти величины ввышеуказанную формулу получим:
/>
Для того, чтобы узнатькакой коэффициент усиления должен быть у каждого каскада по схеме ОЭ, на этапепредварительного расчета положим их равными друг другу. Исходя из этого получимследующую формулу:
/>
где Кi – коэф-т усиления каждого каскада (Кi=8÷16)
N – число каскадов.
При Ki=10 и числе каскадов N=3 получим, что Кпр= 1000,что удовлетворяет нашим условиям.
Итак, имея три каскада посхеме ОЭ и двухтактный УМ на выходе, мы можем распределить коэффициентыусиления более рационально.
Для первого каскада, таккак он на ПТ, сделаем коэффициент усиления по напряжению (K1=3).
Для второго каскада,коэффициент усиления по напряжению возьмём максимальный из разумных и возможных:
/>
Теперь распределимчастотные искажения между каскадами усилителя, зная, что у каскада на ПТ (из-засхемотехники каскада), ЭП и двухтактного УМ они равны Мн=0,9 ÷ 0,99, а увсех остальных положив равными:
/>
где Mi – частотные искажения i-го каскада.
Так как Miв и Miнне превышают 0,98, следовательно корректирующий каскад (каскад с перекоррекцией)может и не понадобиться.
Структурная схемаусилителя:
/>
1.2 Расчет пятого (оконечного) каскада
/>
Так как нагрузка каскаданизкоомная (Rн=13 Ом), то мы решили использовать двухтактныйусилитель мощности. Методика расчета приведена в литературе.
Для начала определимся спараметрами, которым должен удовлетворять транзистор:
/>
где: Pkmax – допустимая мощность рассеяния
Ikmax – максимальный коллекторный ток.
Также:
/>
Также транзисторы должныобразовывать комплементарную пару с максимально близкими по значениюпараметрами и идентичными характеристиками. Исходя из этих условий была выбранапара транзисторов КТ816А и КТ817А.
Здесь и далее в расчётахпредставлены лишь те справочные параметры транзистора, которые непосредственноиспользуются в расчетах. Все остальные параметры, в том числе и предельныеэксплуатационные, можно посмотреть в справочнике [4]
На выходныххарактеристиках транзистора построим нагрузочную прямую (см. рисунок) иопределим по ней исходный ток коллектора: />. Также, по характеристикамнайдём:
/>
По входным и выходнымхарактеристикам (проведя между ними аналогию) построим сквозную переходнуюхарактеристику (СПХ):
/>
Где: /> />предыдущего каскада
Определим по СПХ: I1=880мА, I2=720мА
Исходя из этого, можнорассчитать коэффициент нелинейных искажений по 3-ей гармонике:
/>;
По входным и выходнымхарактеристикам определяем:
/>
Отсюда глубина обратнойсвязи:
/>
Следовательно, коэффициентнелинейных искажений с учётом ООС:
/>
Логично предположить, чтонесмотря на то, что транзисторы максимально идентичны, некоторая асимметрия вверхнем и нижнем плече всё же присутствует. Предположим максимально худшийвариант, что токи транзистора отличаются в полтора раза (1+x), тогда коэффициент асимметрии будетравен: />.
Найдём коэффициентнелинейных искажений по второй гармонике:
/>
Тогда общий коэффициентнелинейных искажений равен:
/>
Для определенияэффективности работы двухтактного усилителя рассчитаем КПД, воспользовавшисьследующей формулой:
/>
Согласно схеме, вделитель на входе включены два диода, которые обеспечивают задание рабочейточки. Для выбора диода зададимся:
/>
Используя справочник пополупроводниковым элементам найдём подходящие диоды:
ГД511В:
/>
Найдём номиналысопротивлений в цепи делителя, полагая их равными:
/>
Из ряда номинальныхзначений возьмём
/>Ом
Тогда сопротивлениеделителя равно:
/>
Зная сопротивлениеделителя и рассчитав входную проводимость сигнала g11 можно рассчитать входное сопротивление каскада с учётом ООС:
/>
Рассчитаем коэффициентусиления каскада по напряжению:
/>
Как мы и предполагали,коэффициент усиления по напряжению меньше 1, но достаточно близок к нему.
Найдём значения амплитудынапряжения и тока на входе каскада для обеспечения номинальной мощности внагрузке:
/>
Именно такие амплитуды мыдолжны получить от предыдущего каскада усилителя.
Также нам надо рассчитатьСр для обеспечения заданных частотных искажений Мн:
/>
Возьмём Ср из допустимогоряда номиналов, Ср=1000 мкФ.
Поскольку граничнаячастота нашего усилителя меньше 1 МГц, то шунтировать его керамическимконденсатором на ВЧ необязательно.
Для определения входнойёмкости каскада предположим с большой долей вероятности, что двухтактный УМ этодва эмиттерных повторителя работающих на разные полупериоды гармоническогосигнала но на одну нагрузку. Следовательно, входная ёмкость каскада равнапараллельному соединению двух входных емкостей аналогичных эмиттерныхповторителей, ёмкость которых легко рассчитать:
/>
где rб – справочный параметр, сопротивление базытранзистора.
1.3 Расчёт четвёртого (предоконечного)каскада
Предоконечный каскадвыполним по схеме ОЭ. За основу возьмём инженерную методику расчёта взятую изкниги.
Определим параметры покоторым будем выбирать транзистор:
/>
Где Umвых = 10,5 В – амплитуда напряжениясигнала на выходе каскада;
Imвых = 0,0121 А – амплитуда тока сигналана выходе каскада;
Этим условиямсоответствует транзистор КТ603А.
По входным и выходнымхарактеристикам, построив нагрузочную характеристику, найдём из рабочей точки иприращений в них, следующие параметры:
/>
Так как мы работаем наоконечный каскад, то его входные параметры будут являться параметрами нагрузкидля данного каскада:
/>
Для расчета элементовзадания рабочей точки и термостабилизации выполним следующий порядок действий:
1. Зададимсядопустимым изменением тока коллектора:
/>
2. Определениесопротивления в цепи эмиттера:
/>
Из стандартного рядасопротивлений выберем Rэ=82 Ом.
По выходнымхарактеристикам в точке пересечения нагрузочной прямой с осью Iк, ток равен:
/>, следовательно можно найти Rк по формуле:
/>
3. Зададимсяизменением обратного тока коллектора:
/>
4. Найдёмкоэффициент нестабильности:
/>
5. Рассчитаемсопротивление делителя:
/>
6. Знаясопротивление делителя рассчитаем сопротивления в цепи делителя:
/>
Из стандартного рядасопротивлений: R1=18 кОм и R2=22 кОм.
По совокупности входной ивыходной характеристик можно построить сквозную переходную характеристику и поней найти нелинейные искажения в каскаде. Для расчета воспользуемсяграфоаналитическим методом пяти ординат:
/>
/>
/>
Где Kгf – коэффициент нелинейных искажений с учётом действияООС.
Рассчитаем КПД данногокаскада. Этот каскад и каскад УМ работают с большими сигналами, и КПД являетсяважной для них характеристикой:
/>
Как нетрудно заметить,каскад в режиме усиления класса А имеет КПД практически в два раза.
Приступим к расчетукаскада на трёх частотных диапазонах (НЧ, ВЧ, СЧ), для каждого из них каскадбудет иметь свою эквивалентную схему.
Расчёт на НЧ:
/>
На низких частотахвлияние оказывает разделительная ёмкость Ср и Сэ, их ирассчитаем исходя из допустимых частотных искажений на каскад. Разделимзаданные искажения между двумя ёмкостями Ср и Сэ.
/>
Зададимся частотнымиискажениями приходящимися на Ср: />
/>
Из номинального рядаёмкостей выберем Ср=18 мкФ.
Тогда на ёмкость Сэприходятся следующие частотные искажения:
/>
И расчет будетвыполняться по следующей формуле:
/>
По ряду номиналов Сэ =1500 мкФ, что является очень большим номиналом, для его уменьшения мы введём НЧ- коррекцию в одном из предыдущих каскадах и пересчитаем Сэ ещё раз позднее.
Для расчета входногосопротивления этого каскада выполним следующие действия:
/>
Где Rдел был нами рассчитан ранее, а Rf рассчитаем чуть позднее.
Входная ёмкость каскадаравна:
/>
Амплитуды напряжения итока на входе найдём по следующим формулам:
/>
Расчёт на СЧ:
/>
На средних частотахёмкости не оказывают какого-либо значительного влияния. На данных частотахпроизведём расчет коэффициента усиления и влияния ООС:
/>
/>
Для получения требуемогокоэффициента усиления введем ООС с фактором равным:
/>
Рассчитаем RF – сопротивление эмиттера дляобеспечения заданной ООС.
/>
Так как Rэ для термостабилизации и для обеспечения заданной ООСразличаются довольно значительно, воспользуемся следующим методом, зашунтируемёмкостью Сэ следующую часть Rэ:
/>
Именно её и будемшунтировать.
Расчёт на ВЧ:
/>
На ВЧ начинает оказыватьактивное влияние ёмкость Сo, чтоприводит к спаду усиления до нуля.
Для обеспечениякоэффициента частотных искажений /> проводимость в цепи коллектора должна быть не менее:
/>
/>
/>-эквивалентная ёмкость.
/> — постоянная времени цепи, где rб – справочный параметр.
fт – граничная частота транзистора (справочныйпараметр).
/>
/>
Так как наше Rк меньше полученного значения, следовательноудовлетворяет заданным частотным искажениям.
/>
1.4 Расчёт третьегокаскада
Третьим каскадом будетэмиттерный повторитель (каскад по схеме с ОК). Введение межкаскадногоповторителя позволит последующим каскадам работать на высокоомную нагрузку (Rвх эмиттерного повторителя), аследовательно, и вводить в них НЧ – коррекцию, основным требованием для которойявляется высокоомность нагрузки каскада с коррекцией. Таким образом, введениеодного маломощного каскада и двух элементов НЧ – коррекции позволит значительнопонизить номиналы конденсаторов, отвечающих за искажение в области НЧ. Так какэто зачастую электролитические конденсаторы большой ёмкости, её уменьшениеведёт к уменьшению габаритных размеров самого конденсатора.
Так как мы имеем дело сдостаточно малыми по амплитуде сигналами (сотые-десятые доли от Еп), то можновоспользоваться другой методикой расчета, которая предъявляет меньшиетребования к термостабилизации, так как даже при относительно большихизменениях положения рабочей точки, при малых сигналах, не приводит кзахождению сигнала в область отсечки и/или насыщения.
Рассчитаем эмиттерныйповторитель именно по этой методике.
Исходными данными, израсчётов последующих каскадов и выбранной рабочей точки, являются:
Транзистор КТ312А;
/>
Расчет на СЧ:
Схема замещения каскада:
/>
Коэффициент передачиэмиттерного повторителя по напряжения равен:
/>
Мы приняли />, отсюда />
/>
/>Ом
Нагрузочная попостоянному току строится так, чтобы размах сигнала уместился в линейной частиВАХ:
/>
Из номинального рядасопротивлений Rэ=470Ом.
Рассчитаем коэффициентпередачи при таком значении Rэ:
/>
Расчет на ВЧ:
Схема замещения:
/>
Частотные искажения на ВЧрассчитываются по формуле:
/>,
где /> - постоянная временикаскада при СН = 0, />.
Найдем /> для транзистора КТ312А:
/>,
где rб — сопротивление между выводом базы и переходомбаза-эмиттер (справочный параметр),
/> - постоянная времениобратной связи
/>с.
Фактор обратной связивносимый />будетравен:
/>
Постоянная времени каскада:
/>с.
Параметр />, где /> - эквивалентнаяемкость.
Емкость С22находим по формуле:
/>, где Ск – справочный параметрравный: Ск = 30 пФ
/>
Тогда эквивалентнаяемкость будет равна:
/>
/>
Коэффициент частотных искажений на ВЧбудет равен:
/>
/>
Таким образом, на ВЧ мы получилименьшие частотные искажения, чем отводили на каскад, что скомпенсирует завал,полученный за счет входной цепи и других каскадов.
Расчёт на НЧ:
Схема замещения:
/>
На НЧ появляется спадусиления за счет влияния разделительной емкости СР.
Допустимые частотные искажения на НЧ:
/>, разделительная емкость при этомбудет равна:
/>, где />
/>мкФ.
Возьмем СР сзапасом 20…30 %, по ряду номиналов />мкФ
Расчёт делителя, входныхсопротивления и ёмкости:
Эмиттерный повторитель охвачен 100%ООС. Сопротивление в цепи эмиттера по постоянному току достаточно велико испособствует хорошей термостабилизации каскада. Сопротивление /> зависит отсопротивления делителя в цепи базы и рассчитывается по формуле:
/>
где: параметр /> характеризуетсопротивление делителя /> по переменному току:
/>
/> — статический коэффициент передачитока базы.
/>
– изменение обратного тока коллекторапри изменении температуры.
/> – внутреннее изменение смещенияна эмиттерном переходе (/>В для Si).
/>А – приращение тока коллекторавызванное температурным изменением B (/>).
/> – допустимое изменение тока в рабочейточке.
Исходя из известного сопротивления /> найдемзначения параметра />, а следовательно сопротивлениеделителя.
/> при />, таким образом, />кОм.
При таком сопротивлении /> точно не будетсоблюдено условие
/>
Сопротивления делителя рассчитаемисходя из условия получения максимального входного сопротивления при
/>
Термостабильность каскада будетобеспечена с большим запасом
/>В,
/> В.
/>, />
/>Ом,/>Ом
Выберем по ряду номиналов /> кОм, /> кОм
Входное сопротивление каскада:
/>, где />Ом,
Входное сопротивление транзистора всхеме с ОК в F раз больше входного сопротивлениясхемы с ОЭ.
/> Ом
/> кОм
Входная емкость каскада:
/> пФ.
Схема каскада:
/>
1.5 Расчёт второгокаскада
Второй каскад выполним посхеме ОЭ. Расчёт будем производить по той же методике, что мы использовали длярасчета эмиттерного повторителя, но с некоторыми отличиями, так как сами схемывключения транзистора в каскаде различны.
Определим параметры покоторым будем выбирать транзистор:
/>
Где Umвых = 0,75 В
Imвых = 0,002 А
Этим условиямсоответствует транзистор КТ312А. Этот же транзистор мы использовали и вэмиттерном повторителе. Использование одного и того же транзистора позволитуменьшить спектр используемых, при будущем производстве усилителя, активныхэлементов, что технологически выгодно.
Найдём из рабочей точки иприращений токов и напряжений в ней, следующие параметры:
/>
Так как мы работаем на эмиттерныйповторитель, то его входные параметры будут являться параметрами нагрузки дляданного каскада:
/>
Из нагрузочной прямой по постоянномутоку находим:
/> Ом
Произведем расчет термостабилизациикаскада:
/>, где
/> — статический коэффициент передачитока базы.
/>
– изменение обратного тока коллекторапри изменении температуры (а = 0,1…0,13 для Si).
/>В
– внутреннее изменение смещения наэмиттерном переходе (/>В для Si).
/>
– приращение тока коллекторавызванное температурным изменением
B (/>).
/>мА
– допустимое изменение тока в рабочейточке
Параметр /> характеризует сопротивлениеделителя /> попеременному току:
/>
Возьмем />, тогда:
/>
Сопротивление в цепи коллектораравно:
/>Ом, возьмем по ряду номиналов
/>Ом
Расчёт на СЧ:
Схема замещения на СЧ:
/>
В эквивалентной схеме каскада на СЧможно пренебречь емкостями /> и />.
Коэффициент усиления каскада равен:
/>,
/>Ом.
Для получения требуемого коэффициентаусиления введем ООС с фактором равным:
/>
/>
где /> - сопротивление, вводимое в цепьэмиттера для получения необходимого фактора ООС.
/>
Ом по ряду номиналов возьмем />Ом.
Введение такого сопротивления в цепьэмиттера только улучшит термостабильность каскада.
Коэффициент усиления каскада при
/>
Ом будет равен:
/>
Расчёт на ВЧ:
Схема замещения на ВЧ:
/>
Частотные искажения на ВЧобуславливаются падением крутизны транзистора на высоких частотах и влияниемёмкости Со.
/>, где />
/> - эквивалентная емкость.
Емкость С22находим по формуле:
/>
где Ск – справочныйпараметр равный: Ск = 30 пФ
/>
Тогда эквивалентнаяемкость будет равна:
/>
Тогда: />
/>
Расчёт на НЧ:
Схема замещения:
/>
Для того, чтобы скомпенсировать завална НЧ и, самое главное, чтобы уменьшить номиналы конденсаторов Сэ, мыиспользуем НЧ – коррекцию, введя в цепь коллектора элементы Rф и Cф. Расчёт производится для ёмкостей Ср и Сф одновременно. Основнымусловием применения этого метода коррекции является высокоомность нагрузкикаскада с коррекцией. Метод расчёта указан в литературе [3] и заключается вследующем:
Зададимся допустимым падениемнапряжения на Rф:
/>
Постоянная составляющая токаколлектора равна:
/>
Отсюда находим сопротивление Rф:
/>
Это сопротивление соответствуетноминальному ряду сопротивлений.
Найдём b, как соотношение между Rк и Rф:
/>
Далее находим график с системойкривых для значения b = 0,5.
Из этого графика находим такоезначение параметра Xн, при которомпроисходит перекоррекция до уровня Мн=1,45. Этому условию соответствует криваядля параметра m=0,6 и Xн=1,1, где
/>, а />
Из этих выражений можно найтизначение нужных нам емкостей по формулам:
/>
Таким образом мы получилиперекоррекцию в каскаде Мн=1,45.
Расчёт делителя, входных сопротивленияи ёмкости:
Проведем расчет делителя напряжения вцепи базы:
/>
по ряду номиналов берем />кОм.
/>
по ряду номиналов возьмем />кОм.
Проведем проверку:
/>
/> > />А.
Входное сопротивление каскада:
/>, где />кОм,
Входное сопротивление транзистора всхеме с ОЭ, при введении фактора ОС, в F раз больше входного сопротивления схемы с ОЭ без ООС.
/>
/> кОм
Входная емкость каскада:
/>
1.6 Расчёт первогокаскада
Первый каскад, дляувеличения входного сопротивления усилителя, а как следствие и увеличениякоэффициента передачи по напряжению входной цепи, будет выполнен на полевомтранзисторе. Отличие усилительного каскада на ПТ от эмиттерного повторителя(который также имеет высокое входное сопротивление) в том, что коэффициентусиления по напряжению каскада на ПТ больше 1 (реально К=1..5 в зависимости оттранзистора). Расчёт каскада на полевом транзисторе несколько отличается от расчётакаскадов на биполярном транзисторе. Это несёт важную методическую функцию — прирасчете одного усилителя мы разобрали три различных методики расчета каскадовна полевом/биполярном транзисторах в схемах включения с ОК и ОЭ (ОИ).
Во входном каскаде используемМДП-транзистор со встроенным n-каналом КП313А:
/>пФ, />пФ, />В, />мА, />мВт, />мкСм, />нА.
Найдём крутизнутранзистора в рабочей точке
(/>мА, />В, />В) из графиков,представленных в справочнике:
/>мСм.
По нагрузочнойпрямой находим />:
/>Ом.
Проведем расчеттермостабилизации каскада:
/>
Где: />А – изменение токаутечки затвора от температуры.
/> - допустимое изменениетока стока в рабочей точке.
/>В – сдвиг напряжениямежду затвором и истоком при изменении температуры.
/>МОм – сопротивление вцепи затвора характеризует входное сопротивление каскада.
/>Ом.
Отрицательноезначение /> означает,что в выбранном режиме транзистор не нуждается в стабилизации.
Следовательно
/>Ом (по ряду номиналов возьмем />Ом).
Расчёт на СЧ:
Схема замещения:
/>
Найдем номинальныйкоэффициент усиления каскада:
/>
/>Ом.
Расчёт на ВЧ:
Схема замещения:
/>
Коэффициентчастотных искажений на ВЧ будет равен:
/>, где />,
/>Ом,
/>пФ.
/>.
/>.
Расчёт на НЧ:
Схема замещения:
/>
Найдем значениеразделительной емкости Допустимые частотные искажения
/>
тогда:
/>
(По ряду номиналоввозьмем />мкФ).
1.7 Расчёт фильтровпитания. Расчёт цепей регулировки усиления. Расчёт разделительной ёмкости вовходной цепи
Расчёт фильтра питания:
Фильтр по питаниюрекомендуется ставить после двух инвертирующих каскадов. В нашем случае мынесколько отступим от данной рекомендации и поставим фильтр по питанию послеэмиттерного повторителя (3-ий каскад), перед предоконечным каскадом.
Расчет фильтрапроизводится следующим образом:
Задаёмся падениемнапряжения на фильтре: />
Тогда:
/>
Где /> - ток коллекторатранзистора каскада 3 в рабочей точке,
/>мА,
/> - токи делителей каскадов3 и 2, рассчитаны выше при проверке.
/>мкА, /> мкА
/>мА – ток стока в рабочейточке транзистора первого каскада.
Тогда сопротивление /> будет равно:
/>
По ряду номиналов возьмем/>Ом.
Емкости в цепифильтров будут равны на частоте помехи />Гц (частота питающей сети) и выше:
/>.
С запасом, по рядуноминалов возьмем />мкФ.
Расчёт регулировкиусиления:
Подстройку усиления будемпроизводить изменением глубины ООС одного из каскадов и выберем для этогопредоконечный каскад (так как в нём единственном остался Сэ, необходимый для реализацииэтого метода). Введем для этого сопротивление />в цепи эмиттера. Движок резистораподключим к шунтирующей емкости />.
Максимальныйкоэффициент усиления равен:
/>
Минимальный коэффициентусиления возьмем равным /> (меньше номинального коэффициентаусиления /> на20…30%):
/>,
/>
/> — максимальный факторобратной связи для /> - резистора подстройки усиления.
/>Ом.
Используем для этогоподстроечный резистор СП3-28 сопротивлением 10 Ом по ряду номиналов Е6.
Оставшуюся частьсопротивления />Ом (62 Ом по ряду номиналов)подключим последовательно с />.
Рассчитаем номиналёмкости Сэ для шунтирования />Ом с учётом того, что мы ужерассчитали частотные искажения Мн в области НЧ для всех остальных каскадов иввели перекоррекцию на НЧ в одном из каскадов.
Частотные искаженияна НЧ заданные на весь усилитель равны: Мн=0,77
Частотные искажениявносимые всеми каскадами кроме предоконечного равны:
/>
где Мнi – искажениявносимые i-ым каскадом.
Следовательно напредоконечный каскад, для обеспечения уровня общих искажений усилителя:
/>
Подставив этозначение в выражение для нахождения Сэ 4-го каскада (см. выше), получим:
/>
По ряду номинальных значенийс запасом выберем Сэ=500мФ.
Расчётразделительной ёмкости во входной цепи:
Произведем расчетразделительной емкости СР во входной цепи:
/>
По ряду номиналоввозьмем />пФ.
Расчёт цепи ООС:
Для устраненияусиления на частотах выше Fв, введём цепь частотнозависимойотрицательной обратной связи, охватывающей все каскады кроме первого. Введениеэтой отрицательной обратной связи никак не влияет на свойства усилителя вполосе пропускания, но за пределами полосы она обеспечивает снижение усиления,что не даёт возможность усилителю самовозбудиться на частоте выше Fв, где можетвыполниться условие баланса фаз и амплитуд. Порядок расчёта следующий:
Так как цепьотрицательной обратной связи представляет из себя ВЧ-фильтр на RC-цепочке. В ролиактивного сопротивления будет выступать Rвх второго каскадаусилителя.
/>
Таким образом намосталось лишь задаться коэффициентом передачи по напряжению на частоте Fв и найти значениеёмкости в цепи ООС:
/>
Такой коэффициентпередачи не увеличит уровень частотных искажений на ВЧ сверх заданных.
/>
2.Расчет варианта усилителя на микросхемах
2.1 Анализ вариантаусилителя на ИМС:
В данном вариантеусилителя используем интегральную микросхему A2030H –усилитель мощностинизкой частоты с дифференциальным входом и двухполярным питанием и операционныйусилитель 140УД10 в качестве входного, «раскачивающего» более мощнуюмикросхему, каскада. Микросхему A2030H и её характеристикимы нашли в литературе [5]. Будем использовать стандартную схему включениямикросхемы.
/>
Микросхему 140УД10также будем включать в стандартном неинвертирующем включении (см [6]):
/> />
Справочные параметрымикросхем:
А2030Н: 140УД10
/>/>
Сопротивлениенагрузки (Rн=13 Ом) в нашем случае больше чем номинальная нагрузкавторого каскада. По графику, представленному в техническом описании, определиммаксимальную мощность, которую может выдать, на данную нагрузку, микросхема А2030Нпри напряжении питания ±12 В.
Получим:/>Это значениевыше, чем заданное в техническом задании, следовательно, по этому параметрумикросхема подходит.
Одна микросхемаА2030Н способна обеспечить усиление в 30 дБ в заданной полосе частот.
Переведёмкоэффициент усиления в децибелах в коэффициент усиления по напряжению:
/>
Это максимальноеусиление, которое можно получить от одной микросхемы, так как оно меньше того,что нам надо (Ku=325), то используем каскадное соединение двух микросхем А2030Ни 140УД10.
Рассмотримпредназначение каждого элемента в стандартной схеме включения А2030Н:
R1 – обеспечиваетотрицательную обратную связь;
R2 – определяеткоэффициент усиления каскада по формуле:
/>
R3 – определяетвходное сопротивление каскада;
С1 – разделительнаяёмкость на входе каскада;
С2 – разделительныйконденсатор на инвертирующем входе;
С3, С4 – ёмкости,сглаживающие пульсации питания;
D1, D2 – диоды,защищающие от переполюсовки питания и выбросов выходного сигнала. Эти диодыможно заменить аналогами (КД243 или КД247 с любым буквенным индексом).
Регулировку усилениябудем производить изменением сопротивления в цепи обратной связи (резистор R4 второго каскада).
2.2 Расчет элементовпервого каскада:
/> Выберем его имея ввиду, что:
/>
Выберем таким, чтобывыполнялось ранее написанное условие:
/> />.
Поскольку отисточника сигнала мы получаем меньше половины напряжения сигнала, мы должныпроверить, сможем ли мы получить надлежащее усиление на данных микросхемах надвух каскадах:
/>
при заданном К и Квцусиление каскадов К1, К2=30. Такой коэффициент усилениямогут выдать обе этих микросхемы в заданном диапазоне частот.
Из условия протеканиямалых токов смещения
/>
Исходя из выражения,что коэффициент усиления каскада равен:
/> и коэффициент усилениядля первого каскада возьмём равным />
Подставив полученноевыражение в формулу для R3, получим:
/>
Зная номинал R3, найдём:
/>
Расчёт конденсатораС1 производится аналогично разделительной ёмкости в транзисторномварианте:
/>
С2 – Рассчитаемиз заданной нижней граничной частоты, причём взяв её с запасом в меньшуюсторону (ёмкость конденсатора увеличиваем). Частоту можно выразить черезпостоянную времени RC – цепи.
/>
Так как мыусловились увеличить ёмкость, то возьмём её, чтобы не плодить новые номиналыёмкостей, равной ёмкости
С1. />.
Для балансировкинуля на микросхеме 140УД10 имеются два выхода. Сама цепь балансировкипредставляет из себя два резистора, подстроечный и постоянный (R4 и R5) следующихноминалов:
/>
2.3 Расчет элементоввторого каскада
Сопротивление/>выберем такжеисходя из условия, что оно должно быть на порядок меньше RвхОУ.
Из условия протеканиямалых токов смещения
/>
Исходя из выражения,что коэффициент усиления каскада равен:
/>
и коэффициентусиления для первого каскада возьмём равным
/>
Подставив полученноевыражение в формулу для R6, получим:
/>
Зная номинал R6, найдём:
/>
С5, С6– номиналы рекомендованы в технической документации и равны 100 нФ у каждогоконденсатора.
Расчёт конденсатораС5 производится аналогично разделительной ёмкости в транзисторномварианте:
/>
С4 – рассчитаеманалогично ёмкости С2 из предыдущего каскада.
/>
Из тех жесоображений, что и в первом каскаде, возьмём номинал ёмкости равной:
/>
2.4 Расчётрегулировки усиления:
Регулировкуусиления, как и условились, будем вводить во второй каскад. Расчёт элементоврегулировки такой же как и для транзисторного варианта:
/>
/>
Резистор R4, для обеспечения КMIN, должен бытьравным:
/>
/> — подстроечный резистор(СП3 – 28) включённый последовательно с R6’.
Так как усилительдифференциальный, и мы подбором элементов схемы старались уровнять токисмещения, то ёмкость на выходе, которая будет весьма габаритной, можно неставить и это позволит значительно уменьшить размеры платы.
3. Конструкторскаячасть
В качествематериала, из которого изготавливается печатные платы транзисторного варианта иварианта на микросхемах, используем фольгированный стеклотекстолит СОНФ – 1 –35 (ТУ 16 – 503.204 – 80).
Все используемые постоянныерезисторы типа С2-33Н-0.125 за исключением R14 в транзисторномварианте и R4 в микросхемном варианте — С2-33Н-0.5.
Все используемыенеполярные конденсаторы типа К10-17Б (типоразмер -0805).
Все электролитическиеконденсаторы типа К50-6 номинальным напряжением не менее, чем на 16В.
Печатную плату будемизготавливать методом химического травления. Шаг координатной сетки, приразработке печатной платы, выберем равным 1,25 мм. Методом травления можно получить минимальную ширину дорожек />мм. Но лучше использовать толщинудорожек />мм.
Транзисторный вариант:
Найдём размеры печатнойплаты XP*YP для размещения k=37 элементов заданной электрической схемы.
Каждый элемент сгабаритными размерами XUi*YUiзанимаетна плате площадь SUi= XUi*YUi
Площадь, занимаемаяэлементами на плате, составит:
/>
Данные по установочнымразмерам элементов представлены в следующей таблице