4. Расчет и моделирование усилителя

Расчет схемы усилителя независимо от его функционального назначения может быть сведен к двум этапам: расчет схемы по постоянному току и расчет схемы по переменному току. На первом этапе нагрузочная цепь заменяется активной нагрузкой (резистором), сопротивление которого либо равно сопротивлению нагрузки следующего каскада, к которому подключается рассчитываемый каскад, либо эквивалентно сопротивлению реальной нагрузки на заданной частоте (диапазоне рабочих частот).

Выбирается расчетная схема усилительного каскада (включение транзистора, класс работы, требуемые элементы схемы: резисторы, конденсаторы, индуктивности, схема включения источника питания и т.п.). В результате останавливаются обычно на одной из типовых схем усилителя сигналов, например, рис. 3.2.1.1.

1. Расчет и моделирование усилителя по постоянному току

Цель расчета состоит в нахождении номиналов всех элементов схемы, обеспечивающих получение заданных параметров, согласно исходному заданию. Типовым расчетом усилителя является его расчет с резистивной нагрузкой. Причем, независимо от частоты входного сигнала расчеты включают два этапа: расчет усилителя по постоянному току, в результате которого находятся параметры элементов схемы, по которым протекает постоянный ток и второй – расчет схемы по переменному току, в результате которого определяются величины элементов, по которым протекает переменный ток.

Разновидности всех схем усилителей состоят в отличиях нагрузки в выходных цепях. Поэтому базовый, типовой инженерный расчет для каждого типа усилителя дополняется расчетами нагрузочных цепей: трансформаторной, контурной или многоконтурной и т.п.

Выбор типа транзистора

Поскольку сопротивления коллекторной и эмиттерной цепи были рассчитаны в пункте 3.2, из которого были получены следующие данные:

Ток базы покоя: I_БП=47.34μА

Ток коллектора покоя: Iкп=4.660mA

Напряжение базы покоя: U_БП=1.519В

Напряжение база–эмиттер покоя U_БЭП=814.0mВ

Напряжение коллектора покоя: U_кп=7.01В

то расчет усилителя по постоянному току сводится к расчету оставшихся сопротивлений R1 и R2.

Расчет усилителя по постоянному току

Расчет произведём согласно рисунка 2.4.1.1. На нем приведены некоторые условные обозначения:

I_Д–ток делителя протекающий через R₁

I_Д*–ток делителя протекающий через R₂

I_Б–ток базы.

Рисунок 2.4.1.1 Делитель напряжения

Используя расчетные формулы получим:

Таким образом, найдены номиналы всех элементов в схеме усилителя для его работы в режиме по постоянному току.

Теперь, используя найденные значения всех элементов собираем схему усилительного каскада обеспечивающую режим его работы по постоянному току. Данная схема представлена на рисунке 2.4.1.2.

Рисунок 2.4.1.2 Схема рассчитанного усилительного каскада сигналов постоянного тока с резистивной нагрузкой

Проведя моделирование работы схемы по постоянному току, включением всех рассчитанных номиналов элементов, поместив в цепи схемы измерительные приборы (вольтметры, амперметры) для проверки рассчитанных режимов и подключив напряжение источника питания, получаем демонстрационную модель имитируемых рабочих параметров схемы.

Кроме того, для проверки полученных значений мы можем воспользоваться встроенной функцией Electronics Workbench: расчет схемы по постоянному току, которая показывает потенциалы всех точек схемы относительно нуля и вызывается командой Analysis → DC Operation Point (рисунок 2.4.1.3). Нетрудно убедиться, что полученные расчетные значения совпадают со значениями, рассчитанными программой: например напряжение U_БЭ=φ₅- φ₁, получается равным:

U_БЭ=1.519-704.97793×10^-3= 0,8140221В = 814,02mВ

Рисунок 2.4.1.3 Расчет схемы по постоянному току

Анализ схемы усилительного каскада с резистивной нагрузкой показывает, что полученные расчетным путем токи и напряжения каскада при моделировании отличаются от расчетных токов и напряжений покоя не более чем на 10%, что является приемлемым для инженерных расчетов. Следует учитывать, что приборы (вольтметры, амперметры) имеют свое внутреннее сопротивление, которое не учитывалось при расчете.

Таблица 2.4.1.1