Расчёт усилителя гармонических сигналов до 3,5 В при амплитуде входного сигнала Е = 4 мВ

1.  Исходные  данные

ЭДС входного сигнала: Е,  мВ                                                                   4;

Нагрузка: активная R_н,  кОм                                                                   100;

                 емкость С_н,  пФ                                                                         20;

Частотные искажения: М_н,  дБ                                                                   1,8;

                                        М_в,  дБ                                                                   1,5;

Температура: минимальная Т_н,  °С                                                            0;

                       максимальная Т_в, °С                                                           50;

Сопротивление источника R_ист,  Ом                                                       300;

Граничные частоты: нижняя f_н,  Гц                                                        250;

                                    верхняя f_в,  МГц                                                        8;

Нелинейные искажения: К_г,  %                                                                   4;

Амплитуда выходного сигнала: Е_вых,  В                             3,5 (а мой 2,5)

2.  Выбор  и  обоснование  структурной  схемы  и параметров  каскадов.

2.1  Задаваясь  коэффициентом  запаса  К_з=1,5  и  R_вх=1,5 кОм,  расчитываем  коэффициент  усиления

                              К_р=(Е_вых/Е_вх)К_з(1+(R_ист/R _вх))                                     (2.1)

                              К_р=(2,5·10³/8) ·1,5·(1+(400/1500))= 593,9 » 594

         2.2  Находим  необходимое число каскадов при К_m = 40

                              N=l_nK_p/(l_nK_m/2)                                                           (2.2)

                              N=l_n 594/(l_n 40/2)= 29,7

                              N=30

         2.3  Рассчитываем  требования к отдельным каскадам:

а) коэффициент усиления каскада:

                              К_i=³√К_р                                                                                                                (2.3)                              

                              К_i=³√3940=15,8;

б) коэффициент частотных искажений на верхних частотах:

                              М_вi= 10^{(Мв/(N·20))},  дБ                                                    (2.4)

                              М_вi= 10^{(1,5/(3·20))}=1,059 дБ;

в) коэффициент частотных искажений на нижних частотах:

                              М_нi= 10^{(Мн/(N·20))},  дБ                                                   (2.5)

                              М_нi= 10^{(1,8/(3·20))}=1,072  дБ;

г) нестабильность усиления:

                              δK_i=δK/N, %                                                              (2.6)                              

δK_i=10/3=3.3 %;

д) нелинейные  искажения целиком относятся к выходному каскаду:

                              К_гвых=К_г=4%

         2.4  Определяем  необходимую  площадь   усиления  каждого каскада. Глубина обратной связи, необходимая для получения заданного усиления

                               А=К_m/K_i                                                                     (2.7)

                               A=40/15,8=2,53

         2.5  По  графику  (рис.1)  находим  проигрыш  в  площади  усиления по сравнению с простой параллель­ной коррекцией: К' = 0,43

         2.6  Определяем выигрыш от простой параллельной коррекции по графику рис.1. Значение К_k/К_i  прини­маем  равным  0,9 γ'_κ=2,3.  Находим   выигрыш при эмитторной  коррекции

                               γ_κ=1+(γ'_κ-1)·К'                                                            (2.8)

                               γ_κ=1+(2,3-1)·0,43=1,56

         2.7   Находим  необходимую верхнюю граничную частоту каждого каскада

                               f_вi=f_в/( γ'_κ·(√M²_вi-1)),  МГц                                        (2.9)

                               f_вi=8/(1,56·(√(1,059)² –1)=14,71 МГц

         2.8  Находим  площадь усиления  каждого  каскада

                               П_mpi=K_i·f_вi ,  МГц                                                       (2.10)

                               П_mpi= 15,8·14,71=232,4  МГц

         Такая площадь усиления может быть обеспечена каскадом с общим эмиттером на микросхеме К256УВ1. Так как сопротивление источника отпала невелико, то входной подаётся непосредственно на первый каскад усиления на микросхеме.

3. Расчёт промежуточных каскадов усиления.

         3.1  Уточняем сопротивление эквивалентного генератора

                              R_г=(R_к·R_б)/(R_к+R_б),  Ом                                             (3.1)

где R_б - сопротивление в цепи базы, R_к - коллекторное сопротивление предыдущего каскада.

                              R_г=(670·6200)/(670+6200)=605  Ом

         3.2  Рассчитываем  эквива­лентную емкость нагрузки

                              С_о =С_нд+С_б'к+С_м,  пФ                                                 (3.2)

                              С_о =5+3,4+5=13,4 пФ        

         3.3  Находим  входное сопротивление каскада

                              R_вхmp=β·(R_нi/K_i),  Ом                                                  (3.3)

 где                        R_нi=(R_k· R_вхmp) /(R_k+ R_вхmp),  Ом                               (3.4)

         Так  как  сопротивление  нагрузки  каскада  зависит  от  входного сопротивления  следующего  каскада,  кото­рое  неизвестно,  то первоначально  задаем  R_нi  равным  коллекторному  сопротивлению  R_k, рассчитываем  R_вхmp,  а  затем  уточняем  R_нi,  и  R_вхmp .

                              R_вхmp =120·(670/15,8)=5089  Ом;

                              R_нi=(670·5089)/(670+5089)=592  Ом;

                              R_вхmp=120·(592/15,8)=4496  Ом

         3.4  Рассчитываем  площадь усиления каскада

                               П_i= (R_нi/(R_г+r_б'б))·(fт/(√1+[((2πfтC₀R_нi )/β)·              (2.4)

                               ·(1+(rб'э/ R_г+r_б'б))]²),  МГц

                               П_i=(592/(605+36)·450/√1+[((2·3,14·450·10⁶·

                               ·13,4·10^-12·592)/120) ·(1+(400/(605+36))]²)=397,7 МГц

         Площадь усиления больше требуемой П_mpi=232,4 МГц, требования к частотным свойствам выполнены.

         3.5  Рассчитываем  величину сопротивления эмиттерной обратной связи

                              R_эi=(R_вхmp-r_б'б-r_б'э)/(β+1),  Ом                                     (3.5)

                              R_эi=(4496-36-400)/(120+1)=33,6 Ом

         3.6  Оценка температурной нестабильности каскада.

1)  находим  максимальное относительное приращение коэффициента передачи по току:

                              δβ=4·10^-3(Т_в-20)                                                          (3.6)

                              δβ=4·10^-3(50-20)=0,12

2) рассчитываем  нестабильность усиления каскада: