Основи схемотехніки

Опір резистора R_e розраховується за формулою:

.                                                     (32)

Для розрахунку опорів резисторів базового дільника зручно скористатися наступними формулами:

                                                   (33)

де  =2 – 4 – чутливість зміни струму колектора при зміні оберненого струму колектора. Зі зменшенням цього коефіцієнта зростає стабільність струму та знижується коефіцієнт підсилення.

З урахуванням двох послідовних  по входу кола НЗЗ для отримання  заданої потужності в навантаженні на вхід вихідного каскаду необхідно подати сигнал U_вхF3:

                                     (34)            

≈0,01. З урахуванням ЗЗ реальний коефіцієнт гармонік буде:

.                                                      (35)

Заданий на підсилювач коефіцієнт гармонік обраховується за формулою:

.                                               (36)

Глибина спільного НЗЗ F₀ буде рівним:

.                                                         (37)

Розрахунок  каскаду попереднього підсилення

 

Оскільки параметри другого  каскаду відомі, то його вхідне коло буде споживати струм з амплітудою І_вх2:

                                           (38)

- дані з таблиці 2.

Вихідні дані для розрахунку першого каскаду (рис. 9) отримані. Тепер  необхідно вибрати режим роботи транзистора і розрахувати параметри  елементів принципової схеми. Напругу спокою вибирають близькою до напруги, при якій знімалися паспортні дані транзистора. Майже для всіх транзисторів при максимально допустимій потужності розсіювання      50...500 мВт U_К= 5 В.

Струм спокою вибирається  значно більшим, ніж струм, споживаний вхідним колом наступного каскаду:

.                                      (39)

Потрібно  мати на увазі, що І_К для германієвих транзисторів не повинен бути менше 3...4 мА, а для кремнієвих менше 4...5 мА.

Досить ефективна стабілізація струму спокою каскаду  забезпечується, якщо прийняти величину спадання напруги на резисторах у колі емітера

                                                     (40)

Опір резистора R_К1, опір навантаження колектора R_K~ і коефіцієнт підсилення розраховуються відповідно по формулах (41), (42), (43).

;                                               (41)

;                                               (42)

,                                                    (43)

де h_11Е - вхідний опір транзистора.

Задана нестабільність коефіцієнту підсилення на каскад забезпечується при обхваті його колом НЗЗ  глибиною:

а незмінність вхідного опору забезпечується при рівності величини глибини НЗЗ по напрузі та по струму , так як одна з них вводиться по входу паралельно, а інша послідовно:

.                                                (44)

Коефіцієнти передачі ланцюга НЗЗ і R_е розраховуються так само, як і у вихідному каскаді

                          (45)

 Для того, щоб не враховувати місцевий ЗЗ за рахунок протікання змінної  складової струму емітера через обмотку зв’язку L3, необхідно по всій робочій смузі частот виконати умову де - повний опір обмотки L3.

Припустимо:

               (46)

Тоді для забезпечення рівноглибоких НЗЗ по струму та по напрузі за рахунок сигналу, який поступає із загальної петлі ЗЗ, коефіцієнт трансформації відносно обмотки зворотного зв’язку п_1F повинен дорівнювати:

                                                  (47)

де W₂ та W₃ – число витків відповідних обмоток.

З врахуванням місцевого  НЗЗ коефіцієнт підсилення першого  каскаду та його вхідний опір розраховуються за формулами:

                                                       (48)

                                           (49)

де  - опір бази транзистора;

- опір емітера транзистора.

Активні опори обмоток вибирається рівним:

                                          (50)

де ρ – хвильовий опір кабелю, що підводиться;

    η_Т – ККД трансформатора. Взагалі приймають η_Т =0,9.

Кабель, що підводиться  буде навантажений на опір, рівний хвилевому, якщо коефіцієнт трансформації вхідного трансформатора буде рівний

                                                    (51)

Резистори R_б1 і R_б2 розраховуються так само, як і у вихідному каскаді.

 

Розрахунок  регулятора підсилення

 

Спроектований підсилювач без врахування загального ланцюга НЗЗ має коефіцієнт підсилення

.                                              (52)

З метою отримання заданого затухання  нелінійності при заданій стабільності коефіцієнта підсилення вибирають необхідну величину глибини загального кола НЗЗ. Тоді оптимальна величина коефіцієнта передачі кола загального ЗЗ складає:

                                               (53)

яка набагато менша величини 2В₀. Коефіцієнт 2 з’явився, так як отриманий з вихідного каскаду сигнал НЗЗ одночасно вводиться в коло емітера і бази вхідного каскаду. Тому в коло подачі загальної НЗЗ необхідно ввести регулятор, якій має затухання α:

                                                  (54)

де U₁ – амплітуда сигналу, який подається на регулятор;

     U₂ – амплітуда сигналу на виході регулятора.

Принципова схема найпростішого T-подібного регулятора підсилення приведена на рис. 10.

Найбільш простий вид  розрахункових співвідношень виходить, коли вхідний і вихідний опори  регулятора, опору джерела сигналу  і навантаження взаємно рівні, тобто  при роботі з погодженими опорами  генератора і навантаження. Вихідний опір коректора амплітудно-частотної характеристики й автоматичного регулятора підсилення обговорені в завданні.

Тоді опори резисторів розраховуються по наступних формулах

                                               (55)

де R - опір погодженого навантаження (джерела сигналу або навантаження).

Розрахунок  якісних показників підсилювача

Знаючи необхідну для  збудження вихідного каскаду  амплітуду сигналу U_вхF3, можна розрахувати амплітуду сигналу на базі першого каскаду без врахування загального зворотного зв’язку:

.

Задана потужність сигналу в  навантаженні забезпечується при ЕРС  джерела сигналу:

.

Наскрізний коефіцієнт підсилення напруги G_u, робоче підсилення G_р і потужність, яка відбирається від джерела сигналу Р_н, розраховується за формулами:

;

  .

Нестабільність коефіцієнта підсилення при n каскадах буде не гірше ΔК_Fо:

.

Розрахунок  реактивних елементів

 

Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики в межах робочого діапазону частот в реальних підсилювачів складає десяті частки децибела, що досягається за рахунок використання глибоких негативних зворотних зв'язків і спеціальних коригувальних ланцюгів. В навчальному проекті з метою спрощення розрахункової частини величина спотворень трохи завищена, що не позначилося істотно на відмінності розрахункових даних від реальних параметрів елементів схем лінійних підсилювачів.

Для оцінки спотворень використовують коефіцієнт частотних спотворень М:

,                                  (56)

де К₀ — модуль коефіцієнта підсилення в області середніх частот;

     К_f - модуль коефіцієнта підсилення на довільній частоті.

В підсилювачі виду рис. 1 спотворення в області нижніх частот виникають за рахунок трансформаторів, конденсаторів ланцюгів міжкаскадного зв'язку і конденсаторів в емітерних колах транзисторів. Якщо задано величину спотворень в області нижніх частот М_н, то доцільно їх розподілити в такий спосіб: по 0,05 дБ на кожний із трансформаторів, а частину, що залишилася, між усіма чотирма ланцюгами, що спотворюють, розподілити порівно. Сумарна величина спотворень (у децибелах) не повинна перевищувати М_н. Розподіливши спотворення між колами, необхідно їхню оцінку в децибелах замінити абсолютними одиницями відповідно до виразу (43). Також з достатнім ступенем точності можна скористатися наближеною перерахунковою формулою (справедлива тільки для М 2дБ):

                                                 (57)

 

Далі починають  розрахунок параметрів реактивних елементів схеми.

Індуктивність первинної  обмотки вихідного трансформатора L₄:

(58)

де  f_н - нижня робоча частота;

   М_НТ - спотворення, внесені трансформатором на частоті f_н. Індуктивність розсіювання Т2 вибирають орієнтовно;

Індуктивність первинної обмотки  вхідного трансформатора:

             (59)

де R_{н экв}

- еквівалентний опір трансформатора в області нижніх частот        .

З врахуванням кіл  місцевих негативних зворотних зв'язків  можна прийняти великі коефіцієнти  частотних спотворень при розрахунку перехідних і блокувальних конденсаторів

                                  (60)

де 

`- прийнятий при розподілі спотворень коефіцієнт частотних спотворень, без врахування ланцюгів ЗЗ, виражений в абсолютних одиницях ;

M_НР,М_НЕ - коефіцієнти частотних спотворень відповідно за рахунок перехідних кіл і кіл R_Е С_Е ;

F=F₁=F₃ - глибина місцевого НЗЗ.

Ємність перехідних конденсаторів

                 (61)

де   R_K - опір резистора в ланцюзі колектора попереднього каскаду;

R_вх - вхідний опір наступного каскаду з обліком паралельно включених резисторів базових дільників.

Ємність блокувального конденсатора вихідного каскаду 

 (62)

де  - крутизна струму емітера;    (63)

       - опір джерела сигналу стосовно бази.

        R_K2 - опір резистора в ланцюзі колектора попереднього каскаду;

        R_вх5 - вхідний опір каскаду без врахування ланцюга НЗЗ.

         R’’_r розраховується за формулою (50).

Для першого каскаду  опір джерела сигналу стосовно бази транзистора

                              (64)

Конденсатор С_е в першому каскаді розраховується так же як і в кінцевому, але в формулі (50) треба замінити на і R_{вх V5} на R_вхV3 (38).

Фільтр  в колі живлення розраховується на основі даних про рівень завад, які  попадають в коло живлення, а також  з врахуванням коефіцієнта передачі напруги живлення в колі з мінімальним рівнем сигналу.

Ємність високочастотних конденсаторів  вибирають так, щоб частота зрізу  вхідного та вихідного кола перевищувала верхню робочу частоту f_в в 3 – 5 раз:

,

 розраховується за формулою (51).

;

,

R₁ розраховується за формулою (44).

Всі діоди в нормальному робочому режимі знаходяться в зачиненому стані. Вони не повинні помітно шунтувати  сигнальні ланцюги ємністю р-n переходів. Тому діоди вибираються  високочастотні, із прохідною ємністю при зворотному зсуві близько 0,5 пф, наприклад Д-220.

 
Література

1. Мурадян А.Г., Разумихин В.М., Тверецкий М.С. Усилительные устройства.-М.:Связь, 1976.