Функціональні пристрої телекомунікацій

Контрольне завдання № 1

Вихідні дані (Варіант № 4):

Зобразимо повну принципову схему попереднього каскаду елементами зв'язку з джерелом сигналу і подальшим каскадом.

Виберемо тип транзистора виходячи із заданого режиму його роботи і частоти верхнього зрізу підсилювача f _У

Еп = 9В; I _0K = 12 мА; f _В = 10кГц

Візьмемо низькочастотний транзистор малої потужності. Наприклад ГТ108А [3]. Це германієвий сплавний транзистор pnp типу.

Випишемо його основні параметри з довідника [3]:

Розрахуємо параметри малосигнальний моделі біполярного транзистора [1].

Середнє значення коефіцієнта передачі струму дорівнює:

(1.1)

h _21Е = 33,2.

Вихідна провідність визначається як

(1.2)

h _22Е = 1,2 * 10 ^-4 Див

Тут U _A - напруга Ерлі, рівне 70 ... 150 В у транзисторів типу р-n-р.

Об'ємний опір області бази r _Б можна визначити з постійного часу τ _До колекторного переходу:

(1.3)

r _Б = 100 Ом

Диференціальний опір емітерного переходу визначається за формулою:

(1.4)

r _Б'Е = 74 Ом

де = 2,2 Ом диференціальний опір емітера;

0,026 В - температурний потенціал при Т = 300 К;

m = 1 - поправочний коефіцієнт, що приймається приблизно дорівнює 1 для германієвих транзисторів.

Вхідний опір транзистора:

(1.5)

h _11Е = 174 Ом

Ємність емітерного переходу дорівнює:

(1.6)

З _Б'Е = 4,3 нФ

Провідність прямої передачі:

(1.7)

Y _21Е = 0,191 См

Розрахуємо параметри еквівалентної схеми біполярного транзистора по дрейфу [1].

Мінімальна температура переходу транзистора

(1.8)

де P _K - потужність, що розсіюється на колекторі транзистора;

(1.9)

P _K = 48 мВт,

R _ПС = 0,5 ° С / мВт,

t _Пmin = 14,4 ° С.

Максимальна робоча температура переходу:

t _Пmax = t _Сmax + R _ПС P _K (1.10)

t _Пmax = 49,4 ° С

Значення параметра h ^/ _21Е транзистора при мінімальній температурі переходу:

(1.11)

h ^/ _21Е = 26,4.

Значення параметра h ^{/ /} _21Е транзистора при максимальній робочій температурі переходу:

(1.12)

h ^{/ /} _21Е = 52,3.

Зміна параметра Δ h _21Е в діапазоні температур:

(1.13)

Δ h _21Е = 26

Зміна зворотного струму колектора в діапазоні температур:

(1.14)

Δ I _КБ0 = 81 мкА,

де α - коефіцієнт, який приймається для германієвих транзисторів в інтервалі 0,03 - 0,035

Еквівалентна зміна струму в ланцюзі бази в діапазоні температур:

(1.15)

Δ I ₀ = 0,4 мА

Еквівалентна зміна напруги в ланцюзі бази, викликане зміною температури навколишнього середовища:

(1.16)

Δ U ₀ = 0,12 В

Розрахуємо елементи еммітерной стабілізації струму спокою транзистора:

Задамося падінням напругою на опорі R _Е в ланцюзі емітера транзистора рівним

U _RЕ = 0,2 Eп = 1,8 В (1.17)

Визначимо опір цього резистора:

(1.18)

R _Е = 150 Ом

а також опір резистора в ланцюзі колектора:

(1.19)

R _До = 267 Ом

Округлимо їх значення до найближчих стандартних, вони будуть рівні відповідно 150 Ом і 270 Ом

Задамося допустимим зміною струму колектора в діапазоні температур з умови

(1.20)

Δ I _0К = 0,5 I _0K = 6 мА

При цьому необхідно враховувати, що менше значення зміни цього струму призводить до збільшення струму, споживаного резистивним дільником у ланцюзі бази, до зниження вхідного опору і погіршення ККД каскаду.

Виходячи з необхідної стабілізації струму спокою каскаду, визначають еквівалентний опір в ланцюзі бази транзистора:

(1.21)

R _Б = 4,2 кОм (стандартна величина - 4,3 кОм)

Розрахуємо струм бази в робочій точці:

(1.22)

I _ПРО = 0,36 мА

Нехай U _0БЕ = 0,3 В

Напруга на нижньому плечі резистивного дільника в ланцюзі бази:

(1.23)

U _Rб2 = 2,1 В

Опір верхнього плеча резистивного дільника в ланцюзі бази:

(1.24)

R _Б1 = 10 кОм (стандартна величина - 10 кОм)

Опір нижнього плеча дільника в ланцюзі бази:

(1.25)

R _Б2 = 4,2 кОм (стандартна величина - 4,3 кОм)

Вхідні опору розраховується R _ВХ і наступного R _ВХ2 = R _Н каскадів:

(1.26)

R _ВХ1 = 167 Ом

Вихідний опір каскаду:

(1.27)

R _ВИХІД = 260 Ом

Визначимо ємності розділових (С _Р1 і С _Р2) і блокувального (С _Е) конденсаторів. Ці конденсатори вносять частотні спотворення в області нижніх частот приблизно в рівній мірі. У зв'язку з цим задані на каскад частотні спотворення М _Н (дБ) в децибелах доцільно розподілити порівну між даними елементами:

М _НСР1 = М _НСР2 = М _НСЕ = 0,33 дБ

Ємність першого розділового конденсатора:

(1.28)

З _Р1 = 6,1 мкФ (стандартна величина - 6,2 мкФ)

Ємність другий розділового конденсатора:

(1.29)

З _Р2 = 11 мкФ (стандартна величина - 10 мкФ)

Ємність блокувального конденсатора в ланцюзі емітера:

(1.30)

де

(1.31)

М ₀ = 7,7;

З _Е = 238 мкФ (стандартна величина - 240 мкФ);

Опір навантаження каскаду по змінному струму:

(1.32)

= 103 Ом

Коефіцієнт передачі каскаду по напрузі:

(1.33)

До _U = 20

Наскрізний коефіцієнт передачі по напрузі:

(1.34)

До _Є = 4,2

Вихідна напруга каскаду:

(1.35)

U _ВИХІД = 213 мВ

Коефіцієнт передачі струму:

(1.36)

K _i = 20

Коефіцієнт передачі потужності:

(1.37)

K _P = 383

Верхня гранична частота каскаду визначається за формулою:

(1.38)

де - Еквівалентна постійна часу каскаду в області верхніх частот.

Постійну часу можна визначити з виразу

(1.39)

де і - Постійні часу вхідний і вихідний ланцюгів відповідно.

Ці постійні часу визначаються за формулами

(1.40)

(1.41)

де С ₀ - еквівалентна вхідна ємність каскаду,

З _н - Ємність навантаження.

Еквівалентна вхідна ємність каскаду включає ємність переходу база - емітер і перераховану на вхід ємність переходу база - колектор С _до:

(1.42)

З ₀ = 5,3 нФ;

= 0,7 мкс; = 0,5 мкс;

= 0,9 мкс.

f _У = 180 кГц.

Визначимо частотні спотворення в області верхніх частот

(1.40)

М _В = 0,013

і порівняємо їх з заданим значенням М. Оскільки умова виконується, тобто М _В (дБ) <М (дБ), отже розрахунок зроблений вірно.

Контрольне завдання № 2

тип схеми: 7;

тип транзистора: pnp - КТ363Б

Випишемо основні параметри заданих транзисторів:

Eг = 1мВ; fc = 10кГц; Rг = 1кОм; Rн = 1кОм Сн = 100пФ; Ср2 = 10мкФ.

Принципова схема аналізованого каскаду з підключеними до неї джерелом сигналу і навантаженням має вигляд:

Розрахуємо режим роботи транзисторів по постійному струму, нехай Еп = 10 В.

Розрахунок схеми по постійному струму проводиться в наступному порядку. Розрахуємо струм дільника в базових колах транзисторів:

(2.1)

Визначити потенціали баз транзисторів:

(2.2)

(2.3)

Знайдемо потенціали емітерів транзисторів:

(2.5)

(2.6)

Напруга U _0БЕ вибирається в інтервалі 0.5 ... 0,7 В для кремнієвих транзисторів, виберемо U _0БЕ = 0,5 В.

Розрахуємо струм в резисторі, підключеному до емітер першого транзистора:

(2.7)

Розрахуємо струм колектора в робочій точці, для цього знайдемо спочатку знайдемо з реднє значення коефіцієнта передачі струму:

(2.8)

h _21Е = 69,

тоді:

(2.9)

(2.10)

Визначимо напругу на колекторі в робочій точці:

(2.11)

(2.12)

За результатами розрахунку статичного режиму визначаються параметри моделей першого і другого транзисторів:

Вихідна провідність визначається як

(2.13)

h ₂₂ 1 = 1,3 * 10 ^-5 См, h ₂₂ 2 = 1,2 * 10 ^-5 Див

Тут U _A - напруга Ерлі, рівне 100 ... 200 В у транзисторів типу n-р-n. Приймемо U _A = 100В.

Гранична частота підсилення транзистора по струму визначається за одиничною частоті посилення f _Т:

(2.14)

Гранична частота f _Т знаходиться за формулою:

(2.15)

f _{Т1, 2} = 1,5 ГГц;

= 22 МГц.

Об'ємний опір області бази r _Б можна визначити з постійної часу τ _До колекторного переходу транзистора, що приводиться в довідниках:

(2.16)

r _{Б1, 2} = 2,5 Ом.

Диференціальний опір емітерного переходу визначається за формулою:

(2.17)

r _Б'Е1 = 2,2 кОм, r _Б'Е2 = 2,2 кОм.

де диференціальний опір емітера;

0,026 мВ - температурний потенціал при Т = 300 К;

m - поправочний коефіцієнт, що приймається приблизно рівним 1.5 для кремнієвих транзисторів.

r _Е1 = 31 Ом, r _Е2 = 31 Ом.

Ємність емітерного переходу дорівнює:

(2.18)

З _Б'Е1 = 3,4 пФ; З _Б'Е2 = 3,3 пФ

Визначимо коефіцієнт передачі по напрузі, вхідний і вихідний опір кінцевого каскаду, побудованого за схемою з ОЕ.

Вхідний опір транзистора VT2:

h _{11 лютого} = r _Б2 + r _{Б 'Е2} = 2,2 кОм (2.19)

Вхідний опір каскаду:

(2.20)

Вихідний опір каскаду:

(2.21)

Опір навантаження каскаду по змінному струму:

(2.22)

Коефіцієнт передачі каскаду по напрузі:

(2.23)

K _U2 = 16

Визначимо коефіцієнт передачі по напрузі, наскрізний коефіцієнт передачі по напрузі, вхідний і вихідний опору вхідного каскаду. При цьому необхідно враховувати, що навантаженням вхідного каскаду є вхідний опір кінцевого каскаду. Вхідний каскад побудований по схемі з ОЕ.

Вхідний опір транзистора VT2:

h _{11 Січня} = r _Б1 + r _{Б 'Е1} = 2,2 кОм (2.24)

Вхідний опір каскаду:

(2.25)

Вихідний опір каскаду:

(2.26)

(2.27)

Опір навантаження каскаду по змінному струму:

(2.28)

Коефіцієнт передачі каскаду по напрузі:

(2.29)

K _U1 = 32

Наскрізний коефіцієнт передачі по напрузі:

(2.30)

Коефіцієнт передачі по напрузі всього підсилювача визначається за формулою

K _U = K _U1 * K _U2 = 500 (2.31)

Наскрізний коефіцієнт передачі по напрузі K _E всього підсилювача визначається аналогічно:

K _Е = K _Е1 * K _U2 = 310 (2.32)

Вхідний опір підсилювача визначається вхідним опором вхідного каскаду, а вихідний - вихідним опором кінцевого каскаду.

Постійні часу в області нижніх частот, пов'язані з розділовими конденсаторами СР1, Ср2, визначаються за формулами:

τ _Н1 = СР1 * (Rг + R _ВХ1) = 13 мс (2.33)

τ _Н2 = Ср2 * (R _ВИХ2 + Rн) = 20 мс (2.34)

Постійна часу в області нижніх частот, пов'язана з блокувальним конденсатором Се, визначається за формулою:

τ _Н3 = СеRе = 30 мс (2.35)

Еквівалентна постійна часу в області нижніх частот дорівнює

(2.36)

де τ _Нi, τ _Нj - еквівалентні постійні часу каскаду в області нижніх частот пов'язані з i-м розділовим і j-м блокувальним і конденсаторами відповідно. τ _Н = 10 мс

Нижня частота зрізу визначається за формулою:

(2.37)

У підсилювачі є три постійних часу в області верхніх частот, пов'язані з вхідними ланцюгами вхідного і кінцевого транзисторів і ємністю навантаження:

τ _Вi = Сi * Ri, (2.38)

де Сi - ємність i-го вузла відносно загального проводу,

Ri - еквівалентний опір i-го вузла відносно загального проводу.

Вхідна ємність транзистора в схемі з загальним емітером дорівнює:

(2.39)

(2.40)

З ₀₁ = 70 пФ, З ₀₂ = 37 пФ.

n (2.41)

(2.42)

(2.43)

Еквівалентна постійна часу в області верхніх частот дорівнює

(2.44)

τ _У = 75 нс

Верхня частота зрізу визначається за формулою:

(2.45)

f _В = 2 МГц

Література

1. . Войшвилло. Г. В. Підсилювальні пристрої / Г. В. Войшвилло. - М.: Радіо і зв'язок, 1983.

2. . Тітце, У. Напівпровідникова схемотехніка. / У. Тітце, К. Шенк. - М.: Світ, 1982.

3. . Галкін, В. І. Напівпровідникові прилади: довідник / В. І. Галкін, А. Л. Буличов, В. А. Прохоров. - 2-е вид. - Мінськ: Білорусь, 1987.