Електричний розрахунок каскадів пристрою з вхідним опором не менше 100 кОм

3. Електричний розрахунок каскадів пристрою

3.1 Розрахунок попереднього підсилювача на польовому транзисторі

Згідно з технічним завданням вхідний опір підсилювача повинен бути не менше 100 кОм. Це значення вхідного опору буде визначатися регулятором гучності який знаходиться на вході підсилювача але після нього стоїть каскад з дуже великим вхідним опором на польовому транзисторі з керуємим переходом КП303А. Транзистор буде включений за схемою загальний витік з наявністю послідовного від’ємного зв’язку в колі витока.

На рис.3.1.1 зображено схему попереднього підсилювача. При використанні польового транзистора вхідний опір має майже нескінченне значення тобто вхідний опір підсилювача визначається резистором R1. Який потрібен для з’єднання затвора з загальним виводом тобто з мінусом живлення. Так як затворний струм можна  прирівнювати до нуля то потенціал його теж дорівнює нулю. Напругу зміщення транзистора визначає падіння напруги на резисторах R3 та R4. Положення робочої точки визначають елементи схеми R2, R3, R4. Резистор R2 являє собою навантаження для транзистора та ще він визначає значення напруги стоку так як через нього протікає струм стоку. Від’ємне значення напруги затвор-витік утворюється за рахунок протікання струму стоку через резистори R3 та R4 тобто якщо відняти від потенціалу затвора потенціал витока то отримане значення має знак мінус. Резистор R3 забезпечує зворотній зв’язок послідовний за струмом чи більше його значення тим більший зворотній зв’язок. Конденсатор С3 ліквідує появу зворотнього зв’язку за рахунок резистора R4. Конденсатори С1 та С2 виконують роль розділення постійних та змінних напруг на вході та виході.

Вхідні данні для розрахунку згідно технічного завдання та розробленої структурної схеми:

1.  Коефіцієнт підсилення за напругою Ku = 4.

2.  Вхідний опір каскаду Rвх = 100 кОм.

3.  Частотні спотворення на низьких частотах Мн = 0.41 дБ.

4.  Частотні спотворення на високих частотах Мв = 0.2 дБ.

Схема для розрахунку приведена на рис.3.1.2.

Параметри транзистора КП303А приведені в таблиці 3 

Схема на рис.3.1.2 відрізняється від попередньої наявністю фільтруючого кола по живленню. При наявності напруги фона та різних завад в колі живлення ця ланка значно зменшує амплітуду сторонніх завад.

Починається розрахунок з визначення потенціалів на електродах транзистора виходячи з його перехідної та вихідної характеристики які наведенні в [8]. Основні формули для розрахунку беруться з [9].

                                                        Таблиця 3

Крутизна характеристики при Uсв = 10В	4..7 мА/В
Коефіцієнт шуму на частоті 100 МГц	4 дБ
Напруга відсічки при Uсв = 10 В	0.5..3В
Напруга стік – витік	25 В
Напруга затвор – витік	30 В
Постійний струм стоку	20 мА
Постійна розсіювана потужність	200 мВт
Гранична частота підсилення	800 МГц

 Розрахунок схеми

Використовуючи прохідну та вихідну характеристики визначається значення потенціалів на електродах при значеннях яких досягається максимальне значення крутості транзистора. Максимальна крутість транзистора ( Sмакс = 4 мА/В ) досягається при значенні струму стоку 4 мА. Значення напруги живлення дорівнює 15 В тобто шина живлення єдина для всього підсилювача.

Визначення параметрів фільтруючого кола:

Падіння напруги живлення на резисторі Rф = 0.1*Еж = 0.1*15 = 1.5 В. При струмі стоку Іс = 4 мА (струм стоку є струм споживання каскаду) значення резистора визначається по формулі: Rф = Uф/Іс₀ = 1.5/4*10^-3 = 375Ом, це значення опору можна отримати з’єднав послідовно два резистора номіналами 360 Ом та 15 Ом. Значення ємності фільтра визначається виходячи з значення його опору на нижній граничній частоті тобто Хс_ф << Rф. Згідно технічного завдання нижня гранична частота 30 Гц. Тобто 1/2pFнСф = Rф/(10..50). Звідси значення ємності визначається по формулі С = 30/(Rф*2*p*Fн) = 50/(375*2*3.14*30) = 4.2*10^-4Ф = 420 мкФ. Приймаємо стандартне значення ємності 500 мкФ.  Таке велике значення ємності пов’язано з тим, що якщо на вхід першого каскаду попаде напруга фону та значення то значення її буде максимальне на виході.

Як було визначено вище при струмі стоку Іс = 4мА крутість транзистора має значення: S = 4мА/В згідно з прохідною та вихідною характеристиками визначаються потенціали схеми при яких досягається необхідне значення крутості тобто: напруга затвор-витік Uзв = - 0.62 В (це значення напруги досягається при нульовому потенціалі затвору, резистор R1 з’єднан з нульовою точкою , та падінні напруги на витоковому резисторі Uв = 0.62 В), напруга стоку відносно загального виводу Uс₀ = 7.5 В утворюється за рахунок протікання стокового струму через резистор навантаження.

Розрахунок опору навантаження: Rн = R2 = (Еж – Uф – Uс₀)/Іс₀ = (15 – 1.5 –  7.5)/4*10^-3 =  1500 Ом. Приймаємо стандартне значення резистора 1.5кОм.

Розрахунок опору в колі витоку: Загальне значення опору  визначається по формулі Rв = Uв/Іс₀ = 0.62/4*10^-3 = 155 Ом. Це опір складається з двох резисторів R3 та R4.

Коефіцієнт підсилення визначається по формулі Кu = S*Rн = S*R2 = 4*10^-3*1.5*10³ = 6 (необхідний коефіцієнт підсилення 4, тому зменшення його відбувається за рахунок введення зворотнього зв’язку тобто К_b = 4)

Вхідний опір визначається резистором R1 який являє собою регулятор гучності тому Rвх = R1 = 100 кОм. (розрахунок регулятора ведеться окремо).

Коефіцієнт зворотнього зв’язку вираховується з формули для коефіцієнта підсилення з зворотнім зв’язком, тобто: К_b = К/(1+К*b), в цій формулі К = 6, а К_b = 4, а b =  = 0.083. (Глибина зворотнього зв’язку дорівнює 1+b*К = 1+0.083*6 = 1.5 значення прийняте при розрахунку структурної схеми = 1.2 тому при 1+b*К = 1.5 частотні та нелінійні спотворення ще більше зменшуються)