Расчет схемы широкополосного усилителя

   Поставленным  требованиям удовлетворяет транзистор КТ385А. Его параметры:

   f_b = 200 МГц

   I_{К доп}  = 400 мА >> I_Kmax=60 мА;

   U_{КЭ доп} = 40 В. Е_п = 15 В < 0.8U_{КЭ доп} = 32 В.

   P _доп = 0,3 Вт > I_K0 U_КЭ0=0,225 Вт.

   3. Расчет резисторов R_К  и R_Э.

   Значение  максимального напряжения на коллекторе U_Kмакс = Е_п = 15 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R_Э выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Е_п:

   U_RЭ = 0.2 Е_п

   При Е_п = 15 В, U_RЭ=3 В.

   

 

   Подставляя I_К0=30 мА, получаем:  R_Э=100 Ом.

   Сопротивление в цепи коллектора R_К рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем:

   

,

   Подставив полученные данные получим: U_RК= 4,5 В. Сопротивление R_К определяется по формуле:

   R_K = U_RК / I_K0 , 

   R_К = 150 Ом. 
 

   

   Промежуточный каскад: Выходные характеристики и нагрузочная прямая. 
 

   

   Промежуточный каскад: Входные характеристики.

   4.  Расчет сопротивления нагрузки  по переменному току R_Н~ :

   Сопротивление нагрузки по переменному току R_Н~ образовано параллельным соединением R_Н и R_К  и равно:

   

 

   Подставляя R_Н=R_вх3=146 Ом, R_К = 150 Ом, получим:  R_Н~=74,2 Ом.

   5.  Определение входной проводимости  транзистора:

   Определяем  ток базы в рабочей точке (рис. 1): I_oб=0,5 мА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:

   

   ∆I_Б=4 мА, ∆U_БЭ=0,3 В,  y₁₁=0,013 См.

   6.  Определение крутизны транзистора: 

   

   ∆I_К=30 мА, ∆U_БЭ=0,05 В S=0,45 А/В.

   7.  Расчет резисторного делителя:

   С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим U_0Б:

   U_0Б=U_0Э+U_0БЭ,

   По  входным характеристикам определяем U_0БЭ=0,64 В, U_0Э=U_RЭ= 3 В и подставляя получаем U_0Б=3,64 В.

   Номиналы  резисторов рассчитываются по формулам:

   

, ,

   Пренебрегая обратным током I_К0, выбирая I_Д=5I_0Б, рассчитываем номиналы резисторов:

   R1=360 Ом, R2=1456 Ом;

   8.  Рассчитываем входное сопротивление  каскада по переменному току:

   Его величина определяется как суммарное  сопротивление параллельно включенных R1, R2, и (1/y₁₁):

   R_ВХ≈=R1//R2//(1/y₁₁),

   

   Подставляя  числовые данные получаем: R_ВХ≈=71,6 Ом.

   9.  Определим коэффициент усиления  каскада:

   

,

   S=0,45 А/В, R_Н~=74,2 Ом : K_U=33,4. 

   Выбор сопротивления фильтра

   Выберем R_Ф так чтобы ослабление амплитуды сигнала делителем образованным R_Ф и R_вх2 было незначительным: R_Ф=5 Ом. 
 
 
 
 
 

   4.3 Расчет входного  каскада 

   1.  Напряжение питания E_п равно напряжению питания выходного каскада – 15 В:

   2. Выбор транзистора промежуточного каскада.

   Для выходного каскада транзистор выбирают аналогично транзистору выходного  и промежуточных каскадов: по верхней  граничной частоте f_b, максимальной величине тока коллектора Iк, максимальной рассеиваемой транзистором мощности и наибольшему допустимому напряжению коллектора U_{КЭ доп}. Различие в величине максимального тока. Максимальный ток коллектора выбирается из условия:

   

,

   Здесь K_U3=1,36 , K_U2=33,4 – коэффициенты усиления выходного и промежуточного  каскадов, R_н1=R_вх2+R_ф=76,6 Ом – сумма сопротивлений фильтра и входного сопротивления промежуточного  каскада по переменному току; подставляя данные получаем I_Kmax≥  3 мА. Определяем I_Kmax равным 10 мА. Ток I_К0 выберем равным половине I_Kmax:  I_K0 = 0.5 I_Kmax = 5 мА. Максимальная рассеиваемая транзистором мощность должна превышать величину    I_K0U_КЭ0=0,0375 Вт, где U_КЭ0 – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в рабочей точке, определяется по нагрузочной прямой: = 7,5 В.

   Поставленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ315В. Его параметры:

   f_b = 250 Мгц

   I_{К доп}  = 100 мА > 10 мА

   U_{КЭ доп} = 40 В. Е_п = 15 В < 0.8U_{КЭ доп} = 32 В.

   P _доп = 0,15 Вт > I_K0 U_КЭ0=0,0375 Вт.

   3.  Расчет резисторов R_К  и R_Э.

   Значение  максимального напряжения на коллекторе U_Kмакс = Е_п = 15 В. Величину сопротивления в цепи эмиттера R_Э выбирают исходя из условия, чтобы падение напряжения на нем не превышало величину 0,1-0,3 Е_п:

   U_RЭ = 0.2 Е_п

   При Е_п = 15 В, U_RЭ=3 В.

   

 

   Подставляя I_К0=5 мА, получаем:  R_Э=600 Ом.

   Сопротивление в цепи коллектора R_К рассчитываем аналогично, задавшись напряжением на нем:

   

,

   Подставив полученные данные получим: U_RК= 4,5 В. Сопротивление R_К определяется по формуле:

   R_K = U_RК / I_K0 , 

   R_К = 900 Ом. 
 

   

     Входной каскад: Выходные характеристики и нагрузочная прямая. 

   

   Входной каскад: Входные характеристики.

   4.  Расчет сопротивления нагрузки  по переменному току R_Н~ :

   Сопротивление нагрузки по переменному току R_Н~ образовано параллельным соединением R_Н и R_К  и равно:

   

 

   Подставляя  R_Н=R_н1=76,6 Ом, R_К = 900 Ом, получим:  R_Н~=70,6 Ом.

   5.  Определение входной проводимости  транзистора:

   Определяем  ток базы в рабочей точке (рис. 1): I_oб=0,12 мА, проводим касательную в этой точке на входной характеристике, и по касательной определяем входную проводимость:

   

   ∆I_Б=0,2 мА, ∆U_БЭ=0,15 В,  y₁₁=0,0013 См.

   6.  Определение крутизны транзистора:

   

   ∆I_К=10 мА, ∆U_БЭ=0,1 В S=0,1 А/В.

   7.  Расчет резисторного делителя:

   С помощью резисторного делителя задается положение рабочей точки; определим  U_0Б:

   U_0Б=U_0Э+U_0БЭ,

   По  входным характеристикам определяем U_0БЭ=0,56 В, U_0Э=U_RЭ=3 В и подставляя получаем U_0Б=3,56 В.

   Номиналы  резисторов рассчитываются по формулам:

   

, ,

   Пренебрегая обратным током I_К0, выбирая I_Д=5I_0Б, рассчитываем номиналы резисторов:

   R1=15888 Ом, R2=5933 Ом;

   8. Определение коэффициента глубины  ООС для переменного тока и входного сопротивления каскада по переменному току для получения требуемого коэффициента усиления устройства:

   Общий коэффициент усиления усилителя  равен произведению коэффициентов  усиления всех его каскадов:

   K_U= K_вх.дел K_U1 K_U2 K_U3, где

   

 

   Требуемый же коэффициент усиления равен K_UТ =60. В цепь эмиттера входного каскада включена цепочка ООС по переменному току, при этом коэффициент усиления будет равен:

   

,

   При этом глубина ООС выбирается исходя из соотношения:

   

   Величина  входного сопротивления каскада  по переменному току определяется как  суммарное сопротивление параллельно  включенных R1, R2, и (1/y₁₁)*γ_~, где γ_~=1+S(R_ос//R_Э) – глубина ООС:

   R_ВХ≈=R1//R2//[(1/y₁₁)( 1+S(R_ос//R_Э))],

   

   В итоге получаем систему уравнений:

   

,

   

   Решая которую, получаем  R_ВХ≈=2077 Ом, R_ос =45,1 Ом 

   5. Расчет эмиттерных  емкостей 

   Емкость  конденсаторов   С_э1 и С_э2 выбираются большими  исходя  из  того,  что  его  сопротивление цепочки R_ЭС_Э  по  переменному току  существенно только на  самой низкой  частоте должно :

            

   

     Подставляя, получаем: (С_э1≥37мкФ)=50мкФ, (С_э2≥15мкФ)=22мкФ. 

   6. Расчет фильтра 

   Фильтр  предназначен для обеспечения заданной верхней частоты. При этом f_в определяется по формуле:

   

,

   Где R_вых1 есть R_К1. R_Ф=5 Ом, тогда С_Ф=17,6 пФ.

   Производим  расчет С_Ф с учетом коэффициента частотных искажений на верхней рабочей частоте M_В.

   Коэффициент M_В в данной схеме определяется искажениями вносимыми цепочкой фильтра R_ФС_Ф :

   

,

   Выражаем  С_Ф с учетом заданного коэффициента частотных искажений M_В:

   

,

   С_Ф=13,2 пФ. 
 
 

   7. Расчет разделительных емкостей 

   Расчет  разделительных емкостей производится с учетом заданного коэффициента искажений на нижней рабочей частоте: