Григорьев А.Г., Скачко В.Д. Схемотехника аналоговых электронных устройств
Подождите немного. Документ загружается.
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-11-
3
3
.
.
3
3
.
.
П
П
р
р
и
и
м
м
е
е
р
р
ы
ы
р
р
а
а
с
с
ч
ч
е
е
т
т
а
а
3
3
.
.
3
3
.
.
1
1
.
.
Р
Р
а
а
с
с
ч
ч
е
е
т
т
ш
ш
и
и
р
р
о
о
к
к
о
о
п
п
о
о
л
л
о
о
с
с
н
н
о
о
г
г
о
о
у
у
с
с
и
и
л
л
и
и
т
т
е
е
л
л
я
я
Рассчитать широкополосный усилитель с параметрами:
в н вн
0вых
ндоп ндоп
г ист к
min max
5МГц; 20 Гц; 1,2, 1,2;
1000; 0,5В;
2кОм; 20 пФ;
100Ом;δ 10 %,
10С; 50 С.
ffММ
KU
RC
RR
TT
= = = =
= =
= =
= = =
=−° = °
Анализ исходных данных. Усилитель имеет умеренные коэффициенты
усиления и верхнюю граничную частоту, что позволяет выполнить его на
транзисторах среднего качества или гибридных интегральных схемах (ИС).
Сопротивление и емкость нагрузки сравнимы по величине с типовыми значе-
ниями входных сопротивлений и емкости промежуточных каскадов. Это по-
зволяет не выделять выходной каскад, полагая вносимые им искажения таки-
ми же, как и в промежуточных каскадах. Входное сопротивление усилителя не
задано, сопротивление генератора мало, что позволяет выполнить входной
каскад усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с высокочастотной кор-
рекцией эмиттерной противосвязью. Искажения в этом каскаде также можно
полагать равными искажениям в промежуточных каскадах. Умеренные требо-
вания по нижней граничной частоте позволяют использовать конденсаторы
как в цепях межкаскадной связи, так и в цепях эмиттерной термостабилиза-
ции.
Суммируя сказанное, приходим к выводу, что усилитель с указанными
в техническом задании параметрами можно выполнить на одиночных каска-
дах с ОЭ. По-видимому, для этой цели подойдут соответствующие ИС серий
К228
и
К265
.
Определение числа каскадов. Расчетный коэффициент усиления при
вх
1K =
и
з
1,7K =
составит:
з
р0
вх
1,7
1000 1700
1
K
KK
K
=⋅ = ⋅=
.
Расчет требуемого числа каскадов выполним по формуле
1/
вт
тр max
2/э
т ос
кв
П
12πτ
γ1
N
N
Kf f
П
f
M
⋅
= ≤=
+ ⋅⋅ ⋅
⋅−
;
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-12-
причем
э
,NN=
так как каскады предполагаются одинаковыми. Рассчитаем
левую часть при разных
N
. При
2N =
коэффициент частотных искажений
на каскад
вi
М
, коэффициент усиления
i
K
, выигрыш по площади усиления
для простой параллельной коррекции
к
'γ
и коррекции эмиттерной противо-
связью
к
γ
(для глубины коррекции
1
/ 0,85
opt
K KK= =
) в соответствии
[2, рис. 2.2, (4.1)
] оказываются равными:
'
вв к
1, 2 1,095 ;γ 2;
i
MM= = = =
( )
( )
''
кк
γ 1 γ 1 1 2 1 0,8 1,8;K=+ −⋅ =+ −⋅ =
1700 41;
iР
KK= = =
откуда
6
6
тр
2/2
1700 5 10
П 256 10 Гц.
1,8 1,2 1
⋅⋅
= = ⋅
⋅−
При
3N =
'
в кк
1,063; 11,9;γ 2,15; γ 1,92;
ii
MK= = = =
с учетом этого
6
3
6
тр
2/3
1700 5 10
П 86,5 10 Гц.
1,8 1,2 1
⋅⋅
= = ⋅
⋅−
Остановимся на варианте трехкаскадного усилителя (N = 3), хотя пло-
щадь усиления
П 256 МГц=
вполне достижима для многих современных
транзисторов и особенно усилительных секций, получение коэффициента
усиления
41
i
K =
нереально при одновременном выполнении требований для
стабильности коэффициента усиления.
Таким образом, каждый каскад должен удовлетворять следующим тре-
бованиям:
коэффициент усиления
3
1700 11,9
i
K = =
;
нестабильность усиления
δ 3, 3 %
i
≤
;
коэффициент частотных искажений на верхних частотах
3
в
1, 2 1,063 ;
i
М = =
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-13-
коэффициент частотных искажений на низких частотах
3
н
1,2 1,063.
i
М = =
Оценим верхнюю граничную частоту по уровню 0,707:
6
6
в
в
22
кв
5 10
7,22 10Гц
γ 1 1,92 1,063 1
i
i
f
f
М
⋅
= = = ⋅
−−
.
В дальнейших расчетах будем ориентироваться на ИС К265УВ5 (уси-
лительный каскад по схеме с ОЭ) с транзистором 21331Б, обладающим пло-
щадью усиления 90 МГц.
Расчет выходного каскада. Максимальное сопротивление нагрузки
в соответствии с [2, (6.2)
] не должно превышать величины
3
нmax
6 12
в ндоп
35 3
3,3 10Ом.
2π 2π 7,22 10 20 10
i
R
fC
−
−
≤= =⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅
Эта величина превышает сопротивление внешней нагрузки, и коллек-
торное сопротивление можно выбирать произвольно. Поскольку коэффици-
ент усиления и его стабильность растут с увеличением сопротивления
к
R
,
выберем типовое значение для ИС К265УВ5:
к
470 200 670Ом.R =+=
Тогда величина сопротивления нагрузки окажется равной
к ндоп
н
к ндоп
670 2000
502Ом
670 2000
RR
R
RR
⋅
⋅
= = =
++
.
Амплитуды напряжения на нагрузке и тока в ней равны:
а вых
2 2 0,5 0,7076ВUU=⋅ =⋅=
;
3
а
ка
н
0,707
1,41 10А;
602
U
I
R
−
= = = ⋅
постоянная составляющая тока коллектора должна быть не менее
33
к ка
(1,5 2) (1,5 2) 1,41 10 (2 2,8) 10А.II
−−
≥ −⋅ = −⋅ ⋅ =− ⋅
Типовое значение тока ИС К265УВ5 определим из [2, (13.8)
]:
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-14-
3
см бэ
к
б
э
6,3 0,6
3,9 10А.
6200
1380
β 1 80 1
EU
I
R
R
−
−⋅
= = = ⋅
++
++
Таким образом, по току выбранная ИС подходит для использования в усили-
тельном каскаде.
Минимально допустимое напряжение источника питания
к
E
при до-
пустимой нестабильности коллекторного тока (10 %) находят из [2, (6.8)
]:
34
к к к к а ост
( ) (3,91 10 3,91 10 ) 670 0,707 1 4,59В,E I IRUU
−−
≥ +∆ ⋅ + + = ⋅ + ⋅ ⋅ + + =
следовательно, ИС может использоваться в типовом режиме
к
6,3ВE =
.
Напряжение коллектор – эмиттер транзистора оказывается равным:
кэ см к к к э
( ) 4,6В.U E EIRR= + −⋅ + =
Определение параметров транзисторов. По соотношениям [1, с. 65
]
определим параметры транзистора в рабочем режиме:
max min
β β β 40 160 80;= ⋅= ⋅=
12
ос
б'б
12
к
τ 500 10
ξ 1,5 160Ом;
4,7 10
r
С
−
−
⋅
==⋅=
⋅
36
б'к к
2 2 300 10 0,6 10Ом;rr=⋅=⋅ ⋅ = ⋅
33
б'э
3
к
25,2 10 25,2 10
(β 1) 0 (80 1) 523Ом;
3,91 10
rr
I
−−
−
⋅⋅
=∆+ ⋅+= + ⋅ +=
⋅
12 12
ки
эб э
к бэ
0,82 1
4,5 10 13,2 10Ф;
0,82 0,6
U
CC
U
−−
ϕ+ +
=⋅ =⋅⋅ =⋅
ϕ− −
тспр
т
3
ик
тспр эб
ик
2
12π 25,2 10
f
f
II
fС
II
−
⋅
= =
−
+⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-15-
8
6
8 13 3
2 2,5 10
499 10Гц
0,005 0,0039
12π 2,5 10 13 10 25,2 10
0,005 0,039
−−
⋅⋅
= = ⋅
−
+ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅
;
8
б'э
6
т
β 1 80 1
τ 2,58 10с;
2π 2π 499 10f
−
++
= = = ⋅
⋅ ⋅⋅
12 12
и
3
б'к к
кэ
2
3
0,5 0,5 4,7 10 1,78 10Ф.
4,6
U
CС
U
−−
= ⋅⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅
Расчет термостабильности режима. Так как технические условия на
ИС гарантируют их работоспособность во всем рабочем диапазоне темпера-
тур, достаточно ограничиться расчетом температурной нестабильности тран-
зистора с типовыми параметрами.
Вспомогательные величины равны:
0
max
β
0,004 ( 20) 0,004 (50 20) 0,12;
β
T
+
∆
= ⋅ −= ⋅−=
0
min
β
0,004 ( 20) 0,004 ( 10 20) 0,12;
β
T
−
∆
= ⋅ −= ⋅−−=−
0
бэ max
0,0022 ( 20) 0,0022 (50 20) 0,066;UT
+
∆ = ⋅ −= ⋅−=
0
бэ min
0,0022 ( 20) 0,0022 ( 10 20) 0,066;UT
−
∆ = ⋅ −= ⋅−−=−
0
max
20
50 20
7
6
к0
77
к0
5 10
2 1 2 1 4,63 10А.
22
T
I
I
−
−
−
−
+
⋅
∆ = ⋅ −= ⋅ −=− ⋅
вх б'б б'э
160 523 683ОмRrr=+= + =
.
Теперь можно определить приращение коллекторного тока [2, (13.1)
]:
вх б э вх б э
к к к0
вх б э вх б э
β ( ) (β 1)
(β 1) β (β 1)
R RR R RR
II I
R RR R RR
++
+ + ∆ ⋅ + ⋅+
∆ = ⋅ ⋅ + ⋅∆ +
+ + ⋅+ + +⋅+
бэ
вх б э
β 8263
0,0039 0,12
(β 1) 683 6200 1380 (80 1)
U
R RR
⋅∆
+ = ⋅ ⋅+
+ + ⋅+ + + ⋅ +
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-16-
66
683 (6200 1380) (80 1) 0,066 80
4,63 10 102 10А.
683 6200 1380 (80 1) 683 6200 1380 (80 1)
−−
⋅ + ⋅+ ⋅
+ ⋅⋅+ =⋅
+ + ⋅+ + + ⋅+
Влияние температуры на режим работы транзистора невелико:
кэ
к кэ
2,6 %; 4,6 %
IU
IU
∆∆
= =
.
Поэтому при расчете нестабильности усиления достаточно учесть не-
посредственное влияние температуры на коэффициент передачи тока базы.
Частотные свойства каскада. Определив предварительно сопротив-
ление эквивалентного генератора
кпр бсв
г
кпр бсв
670 6200
605Ом,
670 6200
RR
R
RR
⋅
⋅
= = =
++
где
кпр
R
– коллекторное сопротивление предыдущего каскада,
бсв
R
– сопротивление базового делителя рассчитываемого каскада,
найдем площадь усиления каскада:
0,5
2
б'э
тнн
г б'б
нт
г б'б т н б'к т н б'к
2π1
П1
12π β (1 2π )
r
fRC
Rr
Rf
R r fRC fRC
−
⋅⋅ ⋅ ⋅+
+
= ⋅ ⋅+ =
+ + ⋅⋅⋅ ⋅+ ⋅⋅⋅
6
6 12
502 499 10
605 160 1 2π 499 10 502 1,78 10
−
⋅
=⋅⋅
+ +⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
0,5
2
6
6
6 12
523
2π 499 10 502 20 10 (1 )
(605 160)
1 97,4 10Гц.
80 (1 2π 499 10 502 1,78 10 )
−
−
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅+
+
+=⋅
⋅+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
Допустимое усиление каскада
6
max
6
в
П 97,4 10
13,5
7,22 10
i
K
f
⋅
= = =
⋅
больше требуемого, поэтому в дальнейших расчетах используем
i
K
.
Требуемое входное сопротивление [2, (14.2)] и сопротивление обратной
связи оказываются равными:
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-17-
н
вхтр
β 80 502
3375Ом,
11,9
i
R
R
K
⋅⋅
= = =
вхтр б'б б'э
э
3375 180 523
33,2Ом.
β 1 80
R rr
R
−−
−−
= = =
+
Нестабильность усиления находят из [2, (3.3)
]:
б'э
г б'б э
к
г б'б б'э э
β
β1
δ
β (β 1)
r
Rr R
Rr r R
++ +
∆
+
=⋅=
+ + + ⋅+
523
605 160 33,2
80 1
0,12 0,024.
605 160 523 33,2 (80 1)
++ +
+
=⋅=
+ + + ⋅+
На этом расчет выходного каскада можно считать законченным.
Расчет промежуточного каскада. Режим транзистора, его параметры
те же, что и в выходном каскаде, поэтому их можно здесь не рассчитывать.
Сопротивление генератора в данном каскаде, как и в выходном,
кпр бсв
г
кпр бсв
670 6200
605Ом;
670 6200
RR
R
RR
⋅
⋅
= = =
++
откуда площадь усиления оказывается равной [2, (2.2)
]
тн
г б'б т н б'к
П
( ) (1 2π)
fR
R r fRC
⋅
= =
+ ⋅+ ⋅ ⋅ ⋅
6
6
6 12
499 10 605
103,7 10Гц.
(605 160) (1 2π 499 10 605 1,78 10 )
−
⋅⋅
= = ⋅
+ ⋅+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
Допустимый коэффициент усиления
6
max
6
в
П 103,7 10
14,3
7,22 10
i
i
KK
f
⋅
= = = >
⋅
.
Сопротивление нагрузки с учетом входного сопротивления выходного
каскада
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-18-
'
н
кпр бсв вхтр
11
513Ом.
111 11 1
670 6200 3375
R
RRR
= = =
++ + +
Требуемое входное сопротивление и сопротивление обратной связи:
'
н
вхтр
β 80 513
3450Ом;
11,9
i
R
R
K
⋅⋅
= = =
вхтр б'б б'э
э
3450 160 523
34Ом.
β 1 80 1
R rr
R
−−
−−
= = =
++
Нестабильность коэффициента усиления промежуточного каскада
б'э
г б'б э
к
г б'б б'э э
523
605 160 34
β
β1
80 1
δ 0,12 0,024.
β (β 1) 605 160 523 34 (80 1)
r
Rr R
Rr r R
++ +
++ +
∆
+
+
=⋅=⋅ =
+ + + ⋅+ + + + ⋅ +
Полученные выше значения площади усиления можно считать типо-
выми для ИС типа К265УВ1 в промежуточном каскаде при коллекторном со-
противлении 670 Ом.
Расчет входного каскада. Прежде всего рассчитаем сопротивление ге-
нератора для входного каскада:
ист бсв
г
ист бсв
100 6200
98Ом.
100 6200
RR
R
RR
⋅⋅
= = =
++
Значения площади усиления и максимально допустимого коэффициен-
та усиления оказываются равными:
тн
г б'б т н б'к
П
( ) (1 2π)
fR
R r fRC
⋅
= =
+ ⋅+ ⋅ ⋅ ⋅
6
6
6 12
499 10 605
267 10Гц;
(98 60) (1 2π 499 10 605 1,78 10 )
−
⋅⋅
= = ⋅
+ ⋅+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
6
max
6
в
П 267 10
37,7.
7,22 10
i
i
K
f
⋅
= = =
⋅
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-19-
Необходимый коэффициент усиления каскада
1
K
с учетом потерь во
входной цепи
вх
K
:
б
вх
бг
6200
0,984;
6200 100
R
K
RR
= = =
++
1
32вх
1700
12,2,
11,9 11,9 0,984
Р
K
K
KKK
= = =
⋅⋅ ⋅ ⋅
что при полном сопротивлении нагрузки каскада
н
к1 б2 вхтр2
11
514Ом
11 1 1 1 1
670 6200 3450
R
RRR
= = =
++ + +
дает:
н
вхтр
β 80 514
3370Ом;
12,2
R
R
K
⋅⋅
= = =
вхтр б'б б'э г
э
3370 160 523 98
32Ом.
β 1 80 1
R rrR
R
−−−
−−−
= = =
++
Нестабильность усиления:
б'э
г б'б э
к
г б'б б'э э
523
98 160 32
β
β1
80 1
δ 0,12 0,011.
β (β 1) 98 160 523 32 (80 1)
r
Rr R
Rr r R
++ +
++ +
∆
+
+
=⋅=⋅ =
+ + + ⋅+ + + + ⋅ +
На этом эскизный расчет усилителя можно считать законченным. Оста-
ется лишь подсчитать общую нестабильность усиления и входное сопротив-
ление усилителя:
к
δ 2, 4 2, 4 1,1 5,9 %= + +=
;
вхтр1 б1
вх
вхтр1 б1
3370 6200
2183Ом.
3370 6200
RR
R
RR
⋅
⋅
= = =
++
Расчет элементов высокочастотной коррекции. Значение эквива-
лентных постоянных времени каскадов:
3. МЕТОДИКА РЕАЛИЗАЦИИ САМ. РАБОТЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРАКТ. ЗАДАНИЙ
3.3. Примеры расчета
Схемотехника аналоговых электронных устройств. Метод. указания по самостоятельной работе
-20-
э
τ;
2πП
i
i
i
K
=
⋅
9
э1
6
12,2
τ 7,27 10с;
2π 267 10
−
= = ⋅
⋅⋅
8
э2
6
11,9
τ 1,83 10с;
2π 103,7 10
−
= = ⋅
⋅⋅
8
э3
6
11,9
τ 1,91 10с.
2π 92,4 10
−
= = ⋅
⋅⋅
Постоянные времени корректирующих звеньев в первых двух каскадах
равны эквивалентным, а для выходного
г б'б б'э н б'к
0
г б'б б'э э
( )(τβ )
τ
(β 1)
Rr RС
Rr r R
+ ⋅ +⋅ ⋅
= =
+ + + ⋅+
8 12
8
(605 160) (2,58 10 80 502 1,78 10 )
1,87 10с.
605 160 523 33,2 (80 1)
−−
−
+ ⋅ ⋅ +⋅ ⋅ ⋅
= = ⋅
+ + + ⋅+
Значения корректирующих емкостей:
2
0э
э
э0
ττ
1 1;
τ
ii
ii
ii
СK
R
=⋅⋅ + −
( )
9
э1
7,27 10
0,85 2 1 80пФ.
32
С
−
⋅
= ⋅ ⋅ −=
( )
8
э2
1,83 10
0,85 2 1 195пФ
34
С
−
⋅
= ⋅ ⋅ −=
.
88
э3
8
1,83 10 1,91 10
0,85 1 1 204пФ
32 1,87 10
С
−−
−
⋅⋅
= ⋅ ⋅ + −=
⋅
.
Расчет элементов, определяющих характеристику в области низких
частот. Поскольку коэффициенты частотных искажений во всех каскадах
выбраны одинаковыми, одинаковыми будут и постоянные времени в области