Расчет многокаскадного усилителя

Курсовая работа 

по усилительным устройствам.

ВАРИАНТ   № 7

Выполнил:  ст.гр.04 - 414    Уткин С.Ю.

Проверил:       Харламов А.Н.           

ЭТАП №1

Исходные данные для расчета .

Еп=10 В; Rи=150 Ом; Rк=470 Ом; Rн=510; Сн=15 пФ ;Tмин=-30град; Тmax=50град;

Требуемая нижняя частота : Fн=50 кГц.

Используемый тип транзистора:  КТ325В (Si ;  N-P-N ; ОЭ)

Нестабильность коллекторного тока  - 

Параметры транзистора:

Граничная частота - Fгр =  800Мгц.

Uкбо(проб)=15В.

Uэбо(проб)=4В.

Iк(мах)=60мА.

Обратный ток коллектора при Uкб=15В : Iкбо<0.5мкА  (при Т=298К).

Статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ: h21=70…210.

Емкость коллекторного перехода: Ск<2.5пФ.(при Uкб=5В)

rкэ(нас.)=40 Ом.

Постоянная времени цепи обратной связи: tк<125 нс.

Для планарного транзистора - технологический параметр  = 6.3

Предварительный расчет.

Исходя из значений Еп и Rк , ориентировачно выберем рабочую точку с параметрами Uкэ=4В и Iкэ=1мА.

Типичное значение , для кремниевых транзисторов: Uбэ=0.65В.

Uкб=Uкэ-Uбэ = 3.35В

=2.857 пФ.

=275Ом - Объемное сопротивление базы.

Iб = Iкэ/h21 = 8.264e-6 - ток базы.     Iэ = Iкэ - Iб = 9.9e-4 -  ток эмиттера.

rэ = 26е-3/Iэ = 26.217 - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Параметр  n = rэ/rб  +   1/h21 = 0.103  (Нормированное относительно Fгр значение граничной частоты)

Для дальнейших расчетов  по заданным искажениям  в области нижних частот  зададимся     коэффициэнтами  частотных искажений .

Пускай доля частотных искажений , вносимых на нижней  частоте разделительным конденсатором Ср , окажеться  в к=100  раз меньше  чем конденсатором  Сэ , тогда коэффициенты частотных искажений

равны: Мнр = 0.99 , а  Мнэ = 0.71( Определяются  по графику)

 = 2.281е-8  Ф;- емкость разделительного конденсатора.

Оптимальное напряжение на эмиттере  выбирается из условия :Uэ = Еп/3, это позволяет определить величину Rэ.

Rэ =  =3.361е3 Ом;

=3.361В - Напряжение  на  эмиттере.

Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 2.169е3  Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.

Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.

= 4.062е-9 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.

= 9.551е-10  Ф; -  емкость фильтра в цепи коллектора.

 = 7.889е-8 Ф;- Емкость эмиттера.

Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную  нестабильность коллекторного тока.

= 1.487е-6 А; - неуправляемый ток перехода коллектор-база.

=0.2 В; -сдвиг входных характеристик .

 =3.813е-5 А. -ток делителя.

 = 1.052e5 Ом

=1.291e5Ом

 Номиналы элементов, приведенные к  стандартному ряду.

Rф=2.2е3 Ом;  Rэ=3.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1.3е5 Ом; Cр= 4е-9 Ф; Cф= 1е-9 Ф; Cэ=7е-8Ф;

Оценка результатов в программе  «MICROCAB»

1. Оценка по   постоянному току.

2.1А.Ч.Х. -  каскада.

2.2 А.Ч.Х. - по уровню 07.

 Реализуемые схемой  - верхняя частота - Fв = 2.3Мгц   и коэффициент усиления  К = 22Дб = 12.6

ЭТАП №2

Задание: Обеспечить за счет выбора элементов либо модернизации схемы

 увеличение К в два раза(при этом Fв - не должно уменьшаться) и проверить правильность расчетов на Э.В.М.

РАСЧЕТ.

Требования к полосе частот и коэффициенту усиления:

 К = 44Дб = 158  Fн =50 Кгц  Fв =2.3Мгц

Uкб=Uкэ-Uбэ = 4.35В

=2.619 пФ.

=300Ом - Объемное сопротивление базы.

Оценка площади усиления и количества  каскадов

в усилителе.

=8.954 е7 Гц - Максимальная площадь усиления дифференциального каскада.

Ориентировачное количество каскадов определим по номограммам ,

так как  =39  , то усилитель можно построить на двух некорректированных каскадах.

Требуемая верхняя граничная частота для случая , когда N = 2 ( с учетом , что фn =  =0.64)

Fв(треб)=Fв/фn = 3.574е6 Гц

Требуемый коэффициент усиления одного каскада К(треб)== 12.57

Требуемая нижняя граничная частота Fн(треб)=FнХфn =3.218e4

Реализуемая в этом случае  площадь усиления =4.5е7 Гц

Расчет первого (оконечного) каскада.

Определим параметр  = 1.989

Оптимальное значение параметра =0.055

Этому значению параметра  соответствует ток эмиттера равный:

Iэ = =2мА

Соответственно  Iкэ =  = 2мА                        и                     Iб = = 1.5е-5 А .

rэ =  = 14.341 Ом  - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

  = 1.388е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.

 = 1.75е3 Ом

= 3.562е-9 сек  -  постоянная времени транзистора.

 = 0.008 - относительная частота.

Высокочастотные Y- параметры  оконечного каскада.

 = 0.061 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).

 = 3е-14 Ф- Входная емкость транзистора .

 = 5.02 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.

 =  5.456 е-6 См  -  Проводимость обратной передачи.

 = 5.027 е-4 См - Входная проводимость транзистора.

 = 4.5е-11 Ф - Входная емкость транзистора.

Реализуемая  в этом случае площадь усиления :

 = 1.165е8 Гц 

Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:

= 347.43 Ом

Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.

 = 3.294е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.

Rэ =  =1.68е3 Ом;

=3.077В - Напряжение на эмиттере.

Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 704.5  Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.

Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.

= 1.088е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.

= 7.87е--9 Ф; -  емкость фильтра в цепи коллектора.

 = 2.181е-7 Ф;- Емкость эмиттера.

Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную  нестабильность коллекторного тока.

  =4.351е-5 А. -ток делителя.

 = 8.566е4 Ом

=1.07е5 Ом

Расчет второго (предоконечного) каскада.

Реализуемая площадь усиления и параметр  для  предоконечного  каскада.

=9е7 Гц                                     =0.04

Этому значению параметра  соответствует ток эмиттера равный:

Iэ = =3мА

Соответственно  Iкэ =  = 3мА     и    Iб = = 2.2е-5 А .

rэ =  = 9.8 Ом  - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

  = 2.03е-11Ф; - емкость эмиттерного перехода.

 = 1.196е3 Ом

= 4.878е-9 сек  -  постоянная времени транзистора.

Высокочастотные Y- параметры  предоконечного каскада.

 = 0.083 См- Проводимость прямой передачи ( крутизна транзистора).

 = 2.1е-14 Ф- Входная емкость транзистора .

 = 6.8 е-11 Ф -Выходная емкость транзистора.

 =  5.466 е-6 См  -  Проводимость обратной передачи.

 = 1.909е3 См- Входная проводимость первого каскада.

Заданный коэффициент усиления обеспечивается при сопротивлении коллектора:

= 164.191 Ом

Расчет элементов по заданным искажениям в области нижних частот.

 = 1.362е-8е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора.

Rэ =  =1.247е3 Ом;

=3.33В - Напряжение на эмиттере.

Rф=(Еп - Uкэ)/Iкэ - Rк - Rэ = 459.2  Ом;- сопротивление RC - фильтра в коллекторной цепи.

Применение Н.Ч. - коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости.

= 3.58е-8 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора.

= 1.5е-8 Ф; -  емкость фильтра в цепи коллектора.

 = 2.98е-7 Ф;- Емкость эмиттера.

Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную  нестабильность коллекторного тока.

 =3.771е-5 А. -ток делителя.

 = 1е5 Ом

=1.06е5 Ом

Номиналы элементов, приведенные к  стандартному ряду.

Номиналы элементов первого каскада.

Rф=700 Ом;  Rэ=1.6е3Ом; Rб1=8.5е4Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 1е-8 Ф; Cф= 8е-9Ф; Cэ=2е-7Ф; Rк=350 ;

Номиналы элементов второго каскада.

Rф=450 Ом;  Rэ=1.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1е5 Ом; Cр= 2.6е-9Ф; Cф= 1.5е-8 Ф; Cэ=3е-7Ф; Rк=160 ;

Оценка входной цепи .

Определим коэффициент передачи входной цепи в области средних частот

 и ее верхнюю граничную частоту.

Зададимся    g = 0.2

=  1.124  -  Коэффициент передачи входной цепи .

  = 1.1е7 Гц

Верхняя граничная частота входной цепи значительно больше

 верхней требуемой частоты   каждого из каскадов.

При моделировании на ЭВМ учитывалось влияние входной цепи.

Оценка результатов в программе  «MICROCAB»

1.   Оценка по   постоянному току.

2.  А.Ч.Х. усилителя.

3.  А.Ч.Х. - по уровню -07.

Реализуемые схемой  - верхняя частота Fв = 2.3Мгц , нижняя частота Fн = 50кГц

 и коэффициент усиления  К = 44Дб = 158 - полностью соответствуют  заданным

требованиям по полосе  и усилению.

 FIN.