КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Проектирование усилителя-фотоприёмника ВОСПИ. Куликовская Альбина_ИКТЗ-93. Курсовой проект проектирование усилителяфотоприёмника воспи вариант 155 Куликовская А. П. Группа иктз93
 Скачать 0.75 Mb.
|
2. Описание принципиальной схемы.Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 1. Усилитель состоит из предварительных каскадов и основного усилителя [1,2]. Источником сигнала является ток фотодиода – V1. Даже когда свет падает на фотодиод V1, его внутреннее сопротивление при фототоке Im1=1мкА остаётся большим. Вследствие этого источник сигнала является генератором тока. Элементы С1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е0).  Рис.1 Принципиальная схема усилителя. В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор, так как он обладает меньшим уровнем собственных шумов. Входная цепь устройства образована входным сопротивлением каскада V2 и суммарной емкостью С, состоящей из проходной емкости Сд фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См. Хотя входное сопротивление полевого транзистора V2 - rзи велико, входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе (параллельным соединением резисторов R3 и R4). Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза fВХ  .Биполярный транзистор V3, включенный по схеме c общим коллектором (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлениями. Транзистор V4 включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Его нагрузкой является делитель напряжения на резисторах R12 и R13, обеспечивающий потенциал средней точки однополярного напряжения питания Е0 операционного усилителя AD1. По этой причине R12=R13. Чтобы коэффициент усиления каскада на V4 не снижался из-за шунтирования его нагрузки R10 резисторами R12 и R13 их следует выбирать равными (10…20) ∙R10 и более (в случае использования более мощных схем), поскольку входные токи ОУ малы (от единиц фемтоампер), но не превышают десятков микроампер (обычно являются справочными данными, которые указываются в спецификациях - Data Sheets – на ОУ на сайтах фирм-производителей и справочных материалов для разработчиков). Для расширения полосы пропускания в области верхних частот в каскаде ОЭ (ОИ) может быть применена индуктивная коррекция в цепи коллектора транзистора V4 (стока транзистора V2), либо отрицательная обратная связь (ООС) и основанная на ней эмиттерная коррекция (R11, C5) в каскаде на V4 или истоковая коррекция (R6, C3) в каскаде на полевом транзисторе V2. В области нижних частот спад АЧХ определяется дифференцирующими цепочками на разделительных конденсаторах С2, С4, C6, С7, С8. Конденсаторы С3 и С5 устраняют местную отрицательную обратную связь по сигналу в транзисторных каскадах и также могут использоваться для частотной коррекции полосы рабочего диапазона частот. Основное усиление сигнала по напряжению выполняет транзисторный каскад на транзисторе V4 и каскад на ОУ AD1. Операционный усилитель должен довести выходное напряжение на средней частоте рабочего диапазона до заданного (действующего значения) U2Н (табл. 3). Сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ AD1. На этот же вход подаётся напряжение смещения с делителя R12, R13. Оно необходимо для получения симметричного питания ОУ в схеме с однополярным источником Е0. Для того, чтобы ОУ не усиливал постоянное напряжение, искусственной средней точки Е0/2 в схему введен конденсатор С7. На постоянном токе его сопротивление равно бесконечности (разрыв цепи) и ОУ на своем выходе повторяет постоянную составляющую входного напряжения Е0/2, но усиливая в заданное число раз сигнал в рабочей полосе частот. 3.Расчет элементов схемы по постоянному токуРасчет элементов необходимо начать с обеспечения режимов работы фотодиода и транзисторов по постоянному току. Схема усилителя по постоянному току представлена на рис. 2. На этом рисунке показаны только те элементы схемы, по которым протекают постоянные токи.  Рис.2 Схема транзисторной части усилителя по постоянному току. В связи с тем, что конденсаторы не пропускают постоянный ток, рис.2 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы: фрагмент с фотодиодом, c полевым транзистором и с биполярными транзисторами. 3.1. Предварительный расчет3.1.1 Предварительный расчет резисторов диода V1 Параметры фотодиода V1-ФДК-227: рабочее напряжение Uраб. = 10В, темновой ток Iтем. = 0,1 мкА, амплитуда фототока Im1 = 1 мкА. Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольт-амперная характеристика приведены на рис.3. Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода. На рис.3, б показана также нагрузочная линия. При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток. Он практически не создаёт падения напряжения на резисторах R1, R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается всё напряжение питания Е0. При заданном уровне фототока исходная рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в точку А. Напряжение анод-катод фотодиода должно быть  . Выбираем  . Напряжение на аноде:  По закону Кирхгофа напряжение на катоде:  Сопротивление резисторов R1 и R2:    Рис.3 Вольтамперная характеристика диода и рабочая точка. В соответствии с номинальным рядом получаем: R1 = 1.0 МОм R2 = 3.0 МОм. 3.1.2 Предварительный расчет по постоянному току каскада на полевом транзисторе V2 Транзистор КП 307Б имеет следующие справочные данные: Ток стока начальный – Iс нач = 5 мА; Максимальная крутизна – Smax = 2 мА/В; Напряжение отсечки – Uотс. = -4.0 В; Другие показатели: Ёмкость затвор-исток – Cзи = 2 пФ; Ёмкость проходная – Сзс = 1.5 пФ; Ток утечки затвора – IУТ.З = 1 нА; Сопротивление затвор – исток - rЗИ = UЗИ / IУТ.З =1000 МОм; Принципиальная схема каскада на полевом транзисторе V2 по постоянному току представлена на рис.4.  Рис.4 а) Принципиальная схема по постоянному току каскада V2 б) Типовая вольт-амперная характеристика полевого транзистора с n-каналом. Для расчета резисторов R3, R4, R5 и R6 необходимо для начала рассчитать точку покоя полевого транзистора V2, исходя из его параметров: начального тока стока Iс нач, максимальной крутизны Smax и напряжения отсечки Uотс. Напряжение затвор-исток выберем UЗИ = -1 В. Ток покоя стока определяется по формуле:  Крутизна:  Напряжение на истоке:  Напряжение сток-исток:  Тогда напряжение на стоке равно:  Отсюда находим сопротивления в цепи истока и стока:   По номинальному ряду получаем: R5 =1,1 кОм, R6= 680 Ом. Напряжение на затворе равно:  Сопротивление R4 находится, исходя из заданной верхней частоты fв . Так как частота верхнего среза входной цепи fвх должна быть больше fв , а она определяется сопротивлением R4 и суммарной емкостью: , где  – проходная емкость диода, равная 1 пФ,  – входная емкость транзистора V2, которая определяется по формуле:  – емкость монтажа. равная 1 пФ. Отсюда получаем: Следовательно:  Выберем значение по шкале номинальных значений: R4 = 1,1 кОм. Тогда ток делителя:  Сопротивление резистора:  По шкале номинальных значений: R3 = 10 кОм.  Рис.6 Вольт-амперная характеристика полевого транзистора. Данная ВАХ получена по эквивалентной схеме, и соответствует теоретическому расчету. Проверяем результаты в программе FASTMEAN  Рис.6 Полевой транзистор в программе FASTMEAN.  Рис.7 Результаты проверки в FASTMEAN.
Таблица 5. Проверка аналитических и экспериментальных расчетов каскада на полевом транзисторе. 3.1.3 Расчет по постоянному току каскадов на биполярных транзисторах V3, V4 Биполярные транзисторы КТ316А имеют следующие параметры: - транзистор биполярный кремниевый; - Uбэ=0.7 В; - коэффициент усиления по току минимальный h21min=20; - коэффициент усиления по току максимальный h21max=60; - частота единичного усиления fт =600 МГц; - максимальный постоянный ток коллектора Iкmax=50 мА; - максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэmax= 10 В; - постоянная времени цепи обратной связи τк= 10 (пс); - ёмкость коллекторного перехода Ск= 3 (пФ); - допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк доп= 150 (мВт).  Рис.8 Принципиальная схема каскадов на биполярных транзисторах по постоянному току. Для расчета сопротивлений резисторов R7, R8, R9, R10 и R11 необходимо выбрать режимы работы транзисторов V3 и V4. Выберем коллекторный ток транзистора V4: IK4 < IKmax4; IK4 = 1,5 мА. Выберем коллекторный ток транзистора V3: IК3≤IК4; IK3 = 0,5 мА. Напряжение коллектор-эмиттер V4:  ;Напряжение на эмиттере V4:  ;Напряжение на базе V4 и на эмиттере V3:  Напряжение на базе V3:  Напряжение на коллекторе V4:  Коэффициенты передачи по току  Определим токи транзисторов:   = =0,043 мАТогда:   Найдем сопротивления    Во всех схемах ток делителя не должен зависеть от тока базы, поэтому ток делителя выбирается  Сопротивления резисторов:   По шкале номинальных значений (5%) выберем R7 = 51 кОм, R8 = 18 кОм, R9 = 3,3 кОм, R10 = 3.3 кОм, R11 = 620 Ом 3.1.4 Расчёт по постоянному току в схеме на ОУ Этот расчёт сводится к определению номинальных значений резисторов R12 и R13. С одной стороны, они должны обеспечить “среднюю точку” напряжения питания  на ОУ и потому R12 = R13, с другой стороны их параллельное соединение на переменном токе не должно сильно шунтировать нагрузку транзистора V4. Вследствие этого: По шкале номинальных значений получаем: R12= R13= 33 кОм. 3.1.5 Проверка расчета по постоянному току с помощью компьютераПравильность расчетов сопротивлений можно проверить с помощью компьютера. Для этого принципиальную схему каскадов на транзисторах V3 и V4 (рис. 8) необходимо преобразовать в эквивалентную схему по постоянному току, заменяя биполярные транзисторы активными четырехполюсниками типа ИТУТ (рис.9), где  -входное сопротивление биполярного транзистора на постоянном токе. а) б) Рис.9. Определение входного сопротивления, а) и эквивалентная схема биполярного транзистора б) по постоянному току Далее составляем эквивалентную схему усилителя на биполярных транзисторах (рис.10) и с помощью программы Fastmean произведем расчет. При расчете используются сопротивления резисторов, выбранные по номинальному ряду. Сопротивления R6 и R12 не являются резисторами, они отражают эквиваленты входных сопротивлений переходов база-эмиттер транзисторов V3 и V4  и  по постоянному току (рис. 9). Их величины равны:    Рис.10 Эквивалентная схема усилительного каскада на V3, V4 по постоянному току.  Рис.11 Полученные с помощью программы FASTMEAN токи и напряжения. Таблица 6
Полученные аналитически значения совпадают с полученными в ходе проверки с точностью до 10%, отсюда следует, что расчеты выполнены верно. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||