Распределение случайных величин и их числовые характеристики

Германиевые сплавные р-п-р транзисторы предназначены для работы в схемах переключения, выходных каскадах низкочастотных усилителей, преобразователях и стабилизаторах постоянного напряжения и в другой радиоэлектронной аппаратуре. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ:

Разработать низкочастотный усилитель напряжения со следующими характеристиками:

 

Амплитуда входного сигнала	1 мВ
Сопротивление генератора входного сигнала	3 кОм
Амплитуда выходного  сигнала	5 В
Сопротивление нагрузки	5 кОм
Нижняя граница усиления	50 Гц
Верхняя граница усиления	15000 Гц
Кооэфицент частотных искажений	1.4

 

Исходя из исходных данных кооэфициент усиления должен составлять:

Обеспечить такой кооэфициент  усиления на одном каскаде невозможно, по этому реализуем усилитель последовательным  включением идентичных усилительных каскадов на основе полевых транзисторах, показоно на

Рис1.1 a) Схема усилительного каскада ОИ б) Графическое определение  режима

 

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО  КАСКАДА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ  ПО СХЕМЕ С ОИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис1.1 a) Схема усилительного каскада ОИ б) Графическое определение  режима

 

Основными элементами каскада являются источник питания +Е_с, транзистор Т и резистор R_с. Нагрузка подключена через разделительный конденсатор С_р2 к стоку транзистора. Основные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Элементы R_з, R_и предназначены для задания Uзип в режиме покоя. Резистор R_и создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора. Конденсатор С_и предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Разделительный конденсатор С_р1, обеспечивает связь каскада с источником входного сигнала.

Для исключения возможных искажений усилиемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять cследующим условиям:

Точка покоя П размещается  на липни нагрузки по постоянному  току, которая проходит через точки  а и б (см. рис). Для точки (а)  Iс = 0, Uси = +Ес; для точки (б) Uси=0, Iс = Ес/(Rc + Rи). Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением Rн~= Rc||Rн. В многокаскадных усилителях нагрузкой каскада является входная цепь последующего каскада, обладающая достаточно высоким входным сопротивлением Rвх. В таких случаях нагрузка каскада по переменному току в значительной степени определяется сопротивлением Rс выбираемым по меньшей мере на порядок меньше Rвх. По этой причине для каскадов предварительного усиления наклон линии нагрузки по переменному току (прямая а—г) незначительно отличается от линии нагрузки по постоянному току и в ряде случаев их учитывают одной прямой а—б.

Элементами, предназначенными для  создания напряжения Uзип  в режиме покоя, являются резисторы Rи и Rз. Необходимые величины и полярность напряжения получаются на резисторе Rи в результате протекания через него тока Iип == Iсп. В связи с этим выбор Rи производят по величине:

Резистор Rз предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора Rи, т. е. для подачи напряжения Uзип с резистора Rи между затвором и истоком транзистора. Сопротивление  Rз, выбирают на несколько порядков меньше входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзисторов на величину входного сопротивления каскада. Значение Rз принимают равным 1-2 MOм.

Помимо обеспечения требуемого напряжения Uзип резистор Rи создает отрицательную обратную связь в каскаде, препятствующую изменению тока Iсп под действием температуры и разброса параметров транзистора.. Тем самым функция резистора Rи сводится также к стабилизации режима покоя каскада.

При определении величины  напряжения Uип исходят из следующих соображений. Повышение напряжения Uип благоприятно сказывается на стабильности точки покоя вследствие увеличения сопротивления Rи, однако при этом возрастает требуемое напряжение источника питания Ес. В связи с указанным, напряжение  Uип выбирают порядка (0,1—0,3)Ес.

Выбор типа транзистора производят с учетом максимального тока стока Iсmax, максимального напряжение Uси max и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе Рр max.

Каскад ОИ осуществляет поворот по фазе на 180° усиливаемого сигнала Поступление на вход, например, положительной полуволны напряжения  вызывает увеличение тока стока и соответственно повышение напряжения на резисторе и уменьшение напряжения стока. На выходе будет выделена полуволна напряжения отрицательной полярности.

Проведем анализ каскада  по переменному току. Поскольку паразитные емкости каскада определяются межэлектродными емкостями полевого транзисюрз и зависят от схемы включения, анализ каскада будем проводить по полной схеме замещения транзистора, учитывающей и межэлектродные емкости. Схема замещения каскада ОИ показана на рисунке.

Схема замещения основана на использовании источника тока SUвых в выходной цели. Сопротивления Rс, Rн включенные параллельно в выходной цепи, определяют сопротивление нагрузки Rн~ =Rс||Rн. Поскольку входное сопротивление каскада, как правило, существенно больше Rг, входное напряжение каскада принимают равным Ег. Емкости разделительных конденсаторов Cр1,Cp2 и конденсатора Си достаточно велики и их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому на схеме замещения эти конденсаторы, как и блокированный конденсатором Си резистор Rи, не показаны.

Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот, когда сопротивления оставшихся в схеме замещения конденсаторов еще достаточно велики, записывается в виде:

 

В случае, когда схема  ОИ является каскадом предварительного усиления в многокаскадном усилителе,

Rн~ =Rc||Rвх » Rс. Если учесть к тому же, что Rс<< ri, то коэффициент усиления каскада по напряжению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходя из этого:

Выберем для каскада  транзистор КП303Г со следующими характеристиками показанное на рис 1.2

 

Наименование	Обозначение	Значение		Режим измерения
		Min.	Max.	Uси,В	Uзи,В	f,MГц
Начальный ток стока, мА	Ic нач	3	12	10	0
Ток утечки затвора, нА	Iз ут		0.1	0	10
Крутизна характеристики, мА/В	S	3	7	10	0	10-3
Напряжение отсечки, В	Uзи отс		8		10
Входная емкость, пФ	С11И		6	10	0	10
Проходная емкость, пФ	С12И		2	10	0	10

 

Максимально допустимые параметры:

Наименование	Обозначение	Значение
Постоянный ток стока, мА	Ic max	20
Постоянный прямой ток  затвора, мА	Iз пр max	5
Постоянное напряжение затвор-исток, В	Uиз max	30
Постоянное напряжение затвор-сток, В	Uзс max	30
Постоянное напряжение сток-исток, В	Uси max	25
Постоянная рассеиваемая транзистором мощность, мВт*	Pmax	200
Допустимая температура окружающей среды, 0С	Тдоп	-40..+85

 

Рисунок 1.2 График характеристик транзистора

 

 

 

 

 

 

 

Выберем:

• напряжение питания усилителя:
• рабочую точку транзистора 

Так как Rc выбирают порядка Rн, то Rн~=1/2Rн

 

 

 

 

 

 Рисунок 1.3 Выходные характеристики транзистора

Выходной каскад работает на нагрузку Rн=3кОм. Коофициент усиления этого каскада по напряжению составит:

Так как каскад с ОИ имеет очень  большое входное сопротивление  равное Rз и Rн~ ® Rc.  Каскады, которые работают друг на друга имеют коэфициент усиления

Для того, чтобы получит требуемый коэфициент усиления усилителя необходимо включить последовательно 3 каскада, причем первые два имеют коэфициент усиления  Ku»23, а последний Ku»11. В итоге общий коэфициент усиления усилителя составит К = 20*20*12=4800

Рассчитаем блокировочные и  разделительные умкости усилителя  исходя из заданного коофициента  нелинейного искажения Мн=1.4 нижней частоты усилиемого сигнала. Примем, что искажения вносимые каждой емкостью одинаковы

Отсюда 

Сp1 > 0.01 / 1MOм =100пФ

Сp2 > 0.01 / 1MOм =100пФ

Си>0.01/0.3kOм=33мкФ

Cн>0.01/(3+3ю3)kOм=1.5мкФ

Примем Cp1=Cp2=1мкФ, Си=50мкФ, Сн=2мкФ

 

Полученная схема была смоделирована на программном пакете “Electronics Workbench EDA v5.0a”

оказала расчетные результаты

рис 1.4 Схема, построенная программной среде “Electronics Workbench EDA v5.0a”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               РАССЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОЭ

Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый  элемент – транзистор Т и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада которое показанно на рисунке 2.1, в которой за счет протекания управляемого по цепи по цепи базы коллекторного тока создаётся усиленное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную

Рисунок 2.1 схема усилительного каскада с ОЭ

роль. Конденсаторы Cp1 и Cp2 являются разделительными. Конденсатор Cp1  исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Ек –R1 – Rг  и во-вторых обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника  Rг напряжения на базе Uбп в режиме покоя. Функция конденсатора Cр2 к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержания постоянной составляющей.

Резисторы R1, R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляющего элемента (Iкп) создается заданием соответствующей величины тока базы Iбп. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока Iбп. Совместно с R2 резистор  R1 обеспечивает исходное напряжение на Uбп относительно зажима «+» источника питания.

Резистор Rэ является элементом отрицательной  обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ  по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи по переменным состовляющим.

Принцип действия каскада  ОЭ заключается в следующем. При  наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_k создается переменная составляющая напряжения на коллекторе,  которая создает конденсатор C_p2  передается  на выход каскада – в цепь нагрузки.