Расчет и моделирование усилителя по переменному току

Расчет усилительного каскада по переменному току состоит в получении номиналов всех необходимых элементов схемы, по которым протекает переменный, то есть сигнальный ток, частота которого отличается от 0. Для выполняемого задания эта частота равна 1.075 МГц.

Расчёт усилителя по переменному току (рисунок 2.4.2.1) базируется на расчёте схемы по постоянному току (пункт 2.4.1), из которой получены следующие значения номиналов сопротивлений:

R₁ = 26364 Ом

R₂ = 3565 Ом

R_Э= 150 Ом

R_К = 1500 Ом

R_Н = 1500 Ом

поэтому расчет усилителя по переменному току сводится к расчету разделительных и шунтирующих конденсаторов С_Р1, С_Р2, С_Э, С_Ф, и индуктивности фильтра L_Ф.

Рисунок 2.4.2.1 Схема усилителя по переменному току

Разделительные конденсаторы С_Р1, С_Р2 обеспечивают большое сопротивление постоянному току на входе и выходе усилителя, значит их сопротивления должны быть много меньше с одной стороны входного, а с другой – выходного сопротивления усилительного каскада:

X_C1 << R_ВХ; X_C2 << R_ВЫХ

Сопротивления разделительных конденсаторов выбираются, приняв, что омическое сопротивление емкости должно быть меньше сопротивления названных резисторов в 10-100 раз.

X_C1 = 0.0001R_ВХ; X_C2 =0.001 R_ВЫХ

Для разделительных конденсаторов: сопротивление входного разделительного конденсатора должно быть на порядок меньше, чем входное сопротивление усилителя, чтобы на нем, при передаче полезного сигнала не создавалось падения напряжения, уменьшающего уровень входного сигнала. Иными словами этот конденсатор не должен вносить потери во входной цепи при подаче входного сигнала.

Для нахождения С_р1 необходимо рассчитать входное сопротивление каскада. Оно представляет собой три параллельно включённых сопротивления (R1||R2||Rбэ). Сопротивление Rбэ = β Rэ; коэффициент усиления транзистора β = 100.

Для предотвращения влияния переменного сигнала на источник питания, в цепь питания усилителя включается LC фильтр, в котором катушка индуктивности представляет большое сопротивление для переменного тока (X_L, = ωL), а конденсатор - для постоянного, значит:

X_L > R_К; X_CФ >> X_L;

Такое соотношение омических сопротивлений индуктивности и емкости выбирается для того, чтобы:

1) переменный ток на сигнальной частоте не поступал в источник постоянного напряжения питания через резистор в цепи коллектора, а шунтировался на «землю» через конденсатор фильтра.

2) вследствие малого сопротивления индуктивности на частоте постоянного тока, частота равна нулю, все напряжение постоянного тока без потерь подается на коллектор. Через конденсатор фильтра постоянный ток также не будет протекать, вследствие его большого сопротивления на постоянном токе:

Обычно в практической реализации схем усилителей, эмиттерный резистор делится на два в пропорции , сохраняя его общее сопротивление. И лишь одна его часть шунтируется конденсатором, с целью частичного уменьшения отрицательной обратной связи по переменному току. Этим методом обычно пользуются для получения требуемого коэффициента усиления усилителя.

Поделим начальную величину сопротивления Rэ на два в соответствии с приведенным соотношением; R_Э1 = 15 Ом, а значение R_Э2 = 135 Ом. То есть суммарное сопротивление, принятое в расчете по постоянному току, сохранилось равным 150 Ом и не изменило режимов работы по постоянному току.

Конденсатор С_Э шунтирует резистор R_Э по переменному току, чтобы исключить влияние отрицательной обратной связи на частоте сигнала.

Следовательно, сопротивление конденсатора Сэ должно быть близко к нулю на частоте усиливаемого сигнала, т.е. Хсэ << Rэ. Как известно:

Собрав полностью рассчитанную схему усилителя (рисунок 2), определяют ее параметры в соответствии с заданием, в том числе оценивая и форму сигнала на выходе.

Рисунок 2.4.2.2 Схема усилительного каскада по переменному току

Целью является определение параметров усилителя по сдвигу фаз. Смоделированный усилитель должен обеспечивать сдвиг выходного сигнала по отношению к входному на 180° ± 1°; кроме того коэффициент усиления усилителя должен быть равен: К_у > 30. В соответствии с этим для определения сдвига фаз и определения коэффициента усиления воспользуемся осциллографом и измерителем АЧХ и ФЧХ.

В результате моделирования получены осциллограммы (рисунок 2.4.2.3) усиленного сигнала (чёрный луч) в сравнении со входным (красным луч).

Рисунок 2.4.2.3 Осциллограмма сигналов на входе и выходе усилительного каскада

С помощью функции bode plotter получены основные характеристики (коэффициент усиления и фазовый сдвиг) усилительного каскада. На рисунке 2.4.2.4 приведены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилительного каскада. С их помощью определен коэффициент усиления К_у =36.2 и сдвиг фаз между входным и выходным сигналами транзистора на заданной частоте, который составляет 179.8°, т. е практически 180 градусов, что удовлетворяет требованиям, предъявленным в задании.

а)

б)

Рисунок 2.4.2.4 Коэффициент передачи а) и ФЧХ б) усилителя

Анализ схемы усилительного каскада с помощью встроенных средств контроля показывает, что полученные параметры схемы каскада при моделировании отличаются от расчетных. Сравнительные данные приведены в таблице 2.4.2.1:

Таблица 2.4.2.1

Сравнительная таблица схемы усилительного каскада по переменному току.

Параметры	Рассчитанные значения	Полученные значения
СР1	570.2 нФ	570.2 нФ
СР2	98.761 нФ	98.761 нФ
СЭ	0.987 μФ	0.987 μФ
СФ	9.87 нФ	9.87 нФ
LФ	22.21 мГн	22.21 мГн
RЭ1	15 Ом	35 Ом
RЭ2	135 Ом	115 Ом

Отличия в величине С_Р1 и L_Ф обусловлены необходимостью получения заданного сдвига фаз, а отличия в величине R_Э1 и R_Э2 – необходимостью получения требуемого коэффициента усиления. Таким образом, расчет усилителя по переменному току является законченным.