Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Разработка и расчет принципиальной схемы предусилителя приемного оптического модуля
|
|
В приемном оптическом модуле используется высокоимпедансная схема предварительного усилителя с каскадным включением транзисторов на входе и эмиттерным повторителем на выходе
Принципиальная схема приемного оптического модуля приведена на рисунке 5.2.
Нагрузкой фотодетектора VD 1 (PD 8042) [6] в схеме является параллельное соединение сопротивлений R 1, R 2 и входного сопротивления транзистора VT 1.
Так как полевой транзистор имеет высокое входное сопротивление, в параллельном соединении им можно пренебречь, и сопротивление нагрузки фотодетектора определяется:
R н = R 1 || R 2 (5.1)
С другой стороны сопротивление нагрузки фотодетектора можно найти, проанализировав эквивалентную схему входной цепи транзистора (рисунок 5.1), где фотодиод представлен в виде источника тока.
Коэффициент передачи входной цепи определяется выражением:
(5.2)
где С Σ = С д+ С м+ С ЗИ(1+К)∙ С д+ С м+ С ЗИ+ С ЗС (5.3)
С Σ = 0, 9+0, 5+1+0, 2 = 2, 6 пФ
С д = 0, 9 пФ – емкость фотодиода PD 8042;
С м = 0, 5пФ – емкость монтажа;
С ЗИ = 1 пФ, С ЗС = 0, 2 пФ – емкости затвор-исток и затвор-сток полевого транзистора VT 1;
К< < 1 — коэффициент усиления по напряжению входного транзистора VT 1, в каскадной схеме, так как нагрузкой VT 1 является малое входное сопротивление транзистора VT 2, включенного по схеме с ОБ.
Рисунок 5.1 – Эквивалентная схема входной цепи транзистора
Рисунок 5.2 – Принципиальная схема предусилителя ПрОМ
Модуль коэффициента передачи входной цепи:
(5.4)
В результате интегрирования сигнала во входной цепи происходит искажение его частотной характеристики в области ВЧ. Для компенсации этих искажений на выходе предусилителя имеется корректирующее устройство (R к, С к). Для того, чтобы корректор не был очень сложным, завал верхних частот не выходе не должен превышать 20 — 40 дБ (10 — 100 раз). Тогда из равенства:
(5.5)
можно определить сопротивление нагрузки фотодетектора:
(5.6)
где ω в=2π 0, 7 В л – верхняя частота фотоприемного модуля;
ω в = 2∙ 3, 14∙ 0, 7∙ 6, 8∙ 107 = 2, 991∙ 108;
В л=6, 8∙ 107 бит/с – скорость передачи с учетом линейного кода CMI.
кОм
Теперь, зная сопротивление нагрузки можно, определить значения сопротивлений R 1, R 2. Сопротивление нагрузки фотодетектора по постоянному току R 1 выбирается намного больше сопротивления R 2 в цепи затвора полевого транзистора.
Пусть R 1 = 10∙ R 2, тогда:
R 2 = (11/10)∙ R н = 14, 15…141, 5 кОм (5.7)
R 1 = 10∙ R 2 = 141, 5…1415 кОм (5.8)
По шкале сопротивлений выбираем: R 1=1, 3 МОм и R 2=130 кОм. Тогда значение сопротивления нагрузки фотодетектора будет равно:
R н = R 2/1, 1 (5.9)
R н = 130∙ 103/1, 1 = 118, 2 кОм
Нами был выбран в качестве активного элемента полевой транзистор КП312А [7].
Выберем рабочую точку полевого транзистора VT 1, то есть зададимся напряжением сток-исток и током стока, которые выбираются в точке максимальной крутизна транзистора, но в пределах (1 — 10) мА.
U СИ0 = 2, 5 В, I С0 = 10 мА
Как видно из схемы, ток стока транзистора VT 1 является током эмиттера транзистора VT 2 I э0 = 10мА = IС0. Ток в цепи коллектора VT 2: Iк0 = Iэ0 = 10 мА. Постоянное напряжение на коллекторе VT 2 выберем U к0 = 4 В.
Определим мощность, рассеиваемую на транзисторах:
Р к = I к0 ∙ U к0 = 10∙ 10-3∙ 4 = 40 мВт (5.10)
Выберем транзистор VT 2, исходя из следующих условий:
• так как полевой транзистор VT 1 имеет канал n -типа, то биполярный транзистор VT 2 должен иметь тип проводимости n-p-n;
• допустимая рассеиваемая мощность транзистора VT 2 должна быть больше Р к, рассчитанной выше.
• граничная частота f гр транзистора VT 2 должна удовлетворять условию:
f гр > (10... 20) f в = (140…280) МГц
где верхняя частота фотоприемного модуля:
Гц (5.11)
• паразитные емкости должны быть минимальны.
• транзистор должен быть малошумящим.
Таким требованиям удовлетворяет кремниевый транзистор КТ 371А, имеющий следующие параметры:
• граничная частота f гр = 3, 6 ГГц;
• статистический коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером β = 30…240;
• обратный ток коллектора I к. об ≤ 0, 5 мкА, при напряжении коллектор-база U = 10 В;
• емкость коллекторного перехода С кб ≤ 0.9 пФ при U кб = 5 В;
• постоянная времени цепи обратной связи τ = 15 пс при U кб = 5 В, I э = 5 мА.
Предельные эксплуатационные данные:
• постоянное напряжение коллектор-база U кб max = 10 В;
• постоянное напряжение коллектор-эмиттер U кэ.max = 10 В при R б = 10 кОм;
• постоянное напряжение эмиттер-база U эб max = 3 В;
• постоянный ток коллектора и эмиттера I кmax = I э max = 20 мА;
• постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р к max = 100 мВт;
• температура окружающей среды –65…+85 ˚ С;
• сопротивление переход – окружающая среда 1000 ˚ С/Вт.
Нагрузкой каскада является параллельное включение сопротивления R 3 и входного сопротивления следующего каскада R вх3:
R н1 = R 3 || R вх3 (5.12)
Следующим каскадом является эмиттерный повторитель, который имеет высокое входное сопротивление, поэтому в параллельном соединении им можно пренебречь, значит R н1 ≈ R 3. В этом случае сопротивление нагрузки каскада определяется по формуле.
(5.13)
где С о = С бк2+ С бк3 = 0, 9∙ 10-12+0, 9∙ 10-12 = 1, 8 пФ (5.14)
С бк2 и С бк3 – емкости коллекторных переходов транзисторов VT 2 и VT 3.
кОм
Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R 3 = 1, 8 кОм
Определим напряжение питания:
Е к = U СИ0 + U к0 + U ф (5.15)
где U ф = (0, 1…0, 5) Е к – падение напряжения на фильтре R ф2 С ф2.
Выбираем U ф = 0, 5∙ Е к
В (5.16)
Из ряда стандартных источников напряжений выбираем Е к = 12 В.
Рассчитаем сопротивление фильтра
U ф = 0, 5 ∙ E к = 0, 5 ∙ 12 = 6 В (5.17)
R ф = U ф/ I КО = 6/(10∙ 10-2) = 600 Ом (5.18)
Из ряда стандартных сопротивлений выбираем R ф = 620 Ом.
По известным значениям токов I к0 = I С0 = 10 мА и используя входные характеристики транзисторов определим напряжение на базе VT 2 и затворе VT 1.
U бэ0 = 0, 7 В U ЗИ0 = 1, 2 В
Приведем расчет элементов каскада, обеспечивающих стабильность выбранной рабочей точки. Нестабильность рабочей точки зависит от изменения обратного тока коллектора и температурного смещения характеристики i к0 = f (U бэ).
I 1коб = I коб ∙ 
(5.19)
I 2коб = I коб ∙ 
(5.20)
∆ I коб = I 2коб – I 1коб (5.21)
где А=3 для кремниевых транзисторов.
I коб = 0, 5∙ 10-6 обратный ток коллектора транзистора VT 2;
t п min = -θ min + Р к∙ 1000 – минимальная температура p-n перехода;
t п max = θ max + Р к∙ 1000– максимальная температура p-n перехода;
θ min = -50 – минимальная температура окружающей среды;
θ mах = 50 – максимальная температура окружающей среды.
t п min = -50+50∙ 10-3∙ 1000 = 0 ˚ С
t п mах = 50+50∙ 10-3∙ 1000 = 100 ˚ С
I 1коб = 0, 5∙ 10-6 ∙ 
= 7, 8∙ 10-6 А
I 2коб = 0, 5∙ 10-6 ∙ 
= 1, 89∙ 10-3 А
∆ I коб = 1, 89∙ 10-3 – 7, 8∙ 10-6 = 1, 88 мА
∆ U бэ = 2, 2∙ 10-3∙ (θ mах -θ min)+0, 04
∆ U бэ = 2, 2∙ 10-3∙ (50-(-50))+0, 04=0, 26 В
Влияние вышеперечисленных факторов приводит к изменению тока коллектора под воздействием температуры. Нормальная работа каскада сохраняется при изменении коллекторного тока на 10 — 15 %. Исходя из этого, приращение коллекторного тока берется равным:
∆ I к0 = (0, 1…0, 5) I к0 = 0, 2∙ I к0 = 2 мА
Стабильность рабочей точки транзистора в данной схеме обеспечивается делителем напряжения (резисторы R 4 и R 6) в цепи базы транзистора VT 2.
Определим сопротивление делителя и значение сопротивлений R 4, R 6.
R 4 = 
(5.22)
R 6 = 
(5.23)
где
R б = 
(5.24)
где выходная проводимость транзистора VT 1:
g = 
∙ R и ∙ С ЗИ ∙ C СИ (5.25)
g = 1/105 + (2, 991∙ 106)2 ∙ 50 ∙ 1 ∙ 10-12 ∙ 0, 6 ∙ 10-12 = 12, 68 мкСм
R СИ ≈ (104…106) Ом – сопротивление участка полупроводникового сток исток;
R и ≈ (30…50) Ом – сопротивление полупроводника между контактами стока и областью канала;
внутреннее сопротивление эмиттера:
r э = 
= (25∙ 10-3)/(10∙ 10-3) = 2, 5 Ом (5.26)
внутреннее сопротивление базы:
r б = τ / С КБ = (15∙ 10-12)/(0, 9∙ 10-12) = 16, 6 Ом (5.27)
коэффициент передачи тока:
β = 
= 
= 85 (5.28)
R б = 
= 5, 958 кОм.
Напряжение в плече делителя определяется:
UR 5 = U СИ0 + U бэ0 = 2, 5+0, 7 = 3, 2 В (5.29)
I б0 = I к0/β = (10∙ 10-3)/85 = 0, 12 мА (5.30)
R 4 = 
= 9, 131 кОм
Выбираем из ряда номинальных сопротивлений R 4 = 10 кОм.
R 6 = 
= 14, 74 кОм
Выбираем из ряда номинальных сопротивлений R 6 = 15 кОм.
Рассчитаем коэффициент усиления каскада:
К1 = S ’экв ∙ R н1 (5.31)
где
S ’экв = S ∙ 
(5.32)
– крутизна эквивалентного транзистора при каскадном соединении (ОИ-ОБ) полевого транзистора VT 1 с крутизной S и биполярного транзистора VT 2 c коэффициентом передачи тока β.
S’экв = (15∙ 10-3 ∙ 85)/(85+1) = 14, 8 мА/В
К1 = 14, 8∙ 10-3 ∙ 1800 = 26, 686
Рассчитаем значения емкостей разделительного конденсатора С р1, конденсаторов в цепи фильтров С ф1 и С ф2 и емкость в цепи базы VT 2 C:
С р1 = 50/(2π ∙ f н∙ (R 1+ R 2)) (5.33)
С р1 = 50/(2π ∙ 104 ∙ (130+1300) ∙ 103) = 556, 5 пФ
С ф1 = 50/(2π ∙ f н∙ R ф1) (5.34)
С ф1 = 50/(2π ∙ 104 ∙ 20∙ 103) = 39, 8 нФ
С ф2 = 50/(2π ∙ f н∙ R ф2) (5.35)
С ф2 = 50/(2π ∙ 104 ∙ 620) = 1, 3 мкФ
С = 50/(2π ∙ f н∙ R б) (5.36)
С = 50/(2π ∙ 104 ∙ 7, 42∙ 103) = 133, 6 нФ
где нижняя частота спектра сигнала и сопротивление фильтра выбраны f = 10 кГц и R ф1 = 20 кОм.
Из ряда номинальных конденсаторов выбираем: С р1 = 560 пФ, С ф1 =
39 нФ, С ф2 = 1 мкФ, С = 0, 12 мкФ.
Выходной каскад предварительного усилителя представляет собой эмиттерный повторитель. Для эмиттерного повторителя характерно наличие 100% отрицательной обратной связи по напряжению, последовательной по входу. Глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению входного и уменьшению выходного сопротивления каскада.
Выберем рабочую точку транзистора VT 3: I э0 = I к0 = 5 мА; U к03 = 4 В.
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
Р к = I к0∙ U к0 (5.37)
Р к = 5∙ 10-3∙ 4 = 20 мВт
Транзистор VT 3 выбирается исходя из тех же соображений, что и транзистор VT 2, поэтому будем использовать транзистор КТ371А.
Используя входную и выходную характеристики транзистора VT 3 (рисунки 5.4, 5.5) определим напряжение эмиттер-база: U эб = 0, 65 В.
Рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера:
R 7 = (U ко2 + U CИ0 + U эб3)/ I эо3 (5.38)
R 7 = (4+2, 5-0, 65)/(5∙ 10-3) = 1, 17 кОм
Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R 7 = 1, 2 кОм.
Найдем коэффициент передачи каскада:
К2 = S ∙ R 6/(1+ S ∙ R 6) (5.39)
где
S = β ∙ γ ∙ I к0 / (1+β) = (82 ∙ 25 ∙ 5∙ 10-3)/(1+85) = 123 мА/В (5.40)
– чувствительность транзистора VT 3.
K2 = (123∙ 10-3 ∙ 1, 2∙ 103)/(1+123∙ 10-3 ∙ 1, 2∙ 103) = 0, 999
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется:
R вых = (1+ y 11∙ R ну)/(y 11+ S) (5.41)
где
y 11 = 1/(rб + rэ∙ (1+β)) = 1/(16, 6+5∙ (1+85)) = 6, 2 мСм (5.42)
– входная проводимость транзистора;
r э = 
= (25∙ 10-3)/(5∙ 10-3) = 5 Ом (5.43)
– сопротивление эмиттера транзистора VT 3;
R ну – сопротивление нагрузки каскада. Нагрузкой каскада является входное сопротивление следующего каскада, транзистор которого включен по схеме с общим эмиттером. Входное сопротивление каскада с общим эмиттером определяется R вх оэ = rб+rэ(1+β). Если далее используется транзистор КТ371А, то:
Rвх оэ = 16, 6+5∙ (1+85) = 446 Ом
Rвых3 = (1+6, 2∙ 10-3 ∙ 446)/(6, 2∙ 10-3 + 123∙ 10-3) = 29 Ом
Рассчитаем корректор на выходе предусилителя.
Коэффициент передачи корректора в общем случае определяется выражением:
Ккор(j ω) = 
(5.44)
Для нормальной коррекции необходимо выполнение условия:
R к > > R ну + R вых3 (5.45)
тогда выражение (5.44) упрощается и имеет вид:
| Ккор | = К0 ∙ 
(5.46)
где К0 ≈ R ну/ R к – коэффициент передачи корректора на низких частотах.
Так как корректор предназначен для коррекции частотных искажений во входной цепи предусилителя, то необходимо обеспечить равенство постоянных времени входной цепи и корректора.
C К ∙ R К = C Σ ∙ R н (5.47)
где C Σ = 2, 6 пФ – суммарная емкость входной цепи;
R н = 118 кОм – сопротивление нагрузки фотодетектора.
Зададимся активным сопротивлением корректора R к согласно условию (5.45):
R к = 100(R ну+ R вых) (5.48)
R к = 100(446+29) = 47, 5 кОм
Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R к = 47 кОм
C К = С Σ ∙ R н / R К (5.49)
С К = (5, 7∙ 10-12 ∙ 118∙ 103)/(47∙ 103) = 6, 528 пФ
Из ряда номинальных емкостей выбираем С К = 6, 2 пФ.
Ккор = 
(5.50)
Ккор = 
= 0, 827
|
|