Здравствуйте, Вера Михайловна!
Следуя пунктам Вашего Технического задания, определяем класс разрабатываемого устройства: Маломощный усилитель звуковой частоты. Несимметричные типы входа и выхода, небольшое значение коэффициента усиления Кu = 10 позволяют обойтись двумя какадами: Усилитель напряжения на полевом транзисторе с общим истоком и Эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе.
За основу берём простейшую Типовую схему из Рисунка2 приложенной Вами "методички" (см Рис1 Ответа).
Далее выполняем пункт задания "Распределите коэффициент передачи между входным узлом, первым каскадом, вторым каскадом и выходным узлом". Входной узел C1R1 практически не поглощает сигнал, поскольку выходное сопротивление источника сигнала (обозначено как Ri на схеме) обычно меньше 50 кОм. Принимаем для расчётов Квх=1.
Второй каскад Q2R4 усиливает сигнал по току (и, стало быть, по мощности), его коэффициет передачи по напряжению K2=1.
Выходной узел C3Rн также передаёт всё усиленное напряжение в нагрузку, его Kвых=1. Лишь на нижних частотах заданного в условии диапазона fн=15 Гц … fв=15 кГц этот узел должен обеспечить "завал" Мн=1дБ.
Таким образом, заданный Кu=10 должен реализоваться в первом усилительном каскаде. Применение в нём полевого транзистора обеспечивает высокое входное сопротивление и хорошее согласование с источником сигнала.
Пункт задания "выберите активные элементы усилителя на основе справочной литературы" трудно и неэффективно реализовать на практике ввиду отсутствия либо дороговизны подробной справочной литературы с Вольт-Амперными характеристиками (далее: ВАХ). За 40 лет конструирования электронной аппаратуры я ни разу не видел, чтоб кто-то из коллег пользовался этими ВАХ. Обычно выбирают наиболее подходящую схему из ранее-разработанных и корректируют её под имеющиеся (или популярно-доступные) радио-элементы с учётом особенностей назначения устройства. В сложных расчётах обычно всегда бывают ошибки или неучтённые погрешности. Лучший способ застраховаться от неудач - спаять макет и проверить-наладить его работу.
В последние годы появились программы, имитрующие работу готового электронного устройства. Они избавили разработчиков от необходимости приобретать комплектующие и инструменты для создания-опробования макета. База данных программы содержит огромный перечень характеристик наиболее популярных радио-элементов, позволяет быстро сымитировать проект и поправить его.
В пункте "обоснуйте выбранную в соответствии с заданием принципиальную схему устройства" осталось пояснить назначение добавленных элементов. Предельную простоту схемы из "методички" не удалось реализовать в макете в сочетании с заданными Кu = 10 и Uном = 1В. Если "Uном" трактовать, как Действующее значение синусоидального выходного напряжения на выходном Rн = 0,6 кОм, то амплитудное значение этого напряжения должно быть в [$8730$]2 раз больше, а размах (peek-to-peek) - двойная амплитуда, то есть: ~3Вольта.
При довольно низком заданном напряжении питания Е=+9В трудно подобрать полевые транзисторы, обеспечивающие указанный размах и нужное усиление на линейном участке вольт-амперной характеристики (чтоб выходная синусоида НЕ искажалась). Пришлось в большом поиске отбраковать многие полевые транзисторы со "слабыми" параметрами.
"Полевики" с высокой крутизной ВАХ, наоборот, обеспечивали усиление сверх заданного или "насыщались" при нулевом смещении Затвор-Исток. Мне пришлось добавить в схему стабилизирующие пассивные элементы (такой метод широко применяется в промышленности). Поясняю их назначение:
Зададим типовое значение тока покоя Io=1мА для транзистора Q1 (при малом токе уменьшается Крутизна ВАХ, при большом - приходится уменьшать значение R2 для предотвращения "насыщения" и нелинейных искажений. В обоих случаях падает усиление каскада). Для достижения максимального размаха неискажённого усиленного сигнала надо, чтоб на резистре R2 "падала" ровно половина напряжения раскачки Up=(E-Uнас)=8В. Тогда, сопротивление R2=Up/2/Io=4 кОм. Ближайший номинал из "ряда 20%" - 3,9кОм.
Резистор R2 управляет Током покоя Io транзистора Q1. Ток покоя зависит от изменения типа и даже экземпляра транзистора Q1, от температуры и напряжения питания… От трудоёмкого поиска ВАХ и долгих расчётов выручает изящный метод проб в программе-эмуляторе. После назначения/замены транзистора Q1 подбираем значение R2 такое, чтоб постоянное напряжение на затворе примерно равнялось +5В (точность 20% достаточна). Это - косвенная настройка режима каскада по постоянному току (позволяет обойтись без милли-амперметра в разрыве цепи).
Однако, резистор R2 вносит глубокую Отрицательную обратную связь. Цепь R5C4 снижает глубину ООС по переменной составляющей тока и нормирует коэффициент усиления каскада (и всего устройства) под заданный Кu=10. При значении R5=0 усиление будет максимально-возможным. При R5=0 можно регулировать усиление ёмкостью C5, но тогда усиление будет частото-зависимым. Рассчитываем значение C5 из расчёта Xc=R5+R3 на частоте ниже fн с небольшим запасом, а R5 подбираем под нужный Кu=10 на примерно средней частоте дипазона.
Высокое значение R4 позволит сэкономить на энерго-потреблении устройства. Но слишком малый ток выходного каскада обрежет отрицательные полуволны выходного напряжения.
Значение R1 - практический компромисс. Увеличение его снижает помехозащищённость от длинных входных линий, уменьшение - приводит к потерям мощности сигнала во входном узле при согласовании с высокоомным источником.
Ваш усилитель проверен на
макете (63.2 кб) программы
Multisim10.1ru (298МБ). К сожалению, в базах программы отсутствую российские активные элементы, и приходится использовать их импортные аналоги. Так, полевой транзистор 2SK170 - это
аналог отечественного КП303А , а 2N2712 -
аналог нашего КТ315Б.
На скрин-осциллограмме (см ниже) 2х-канального осциллографа отображены входной (зелёный канал A, 50мВ/деление по вертикали) и усиленный (красный канал B, 500мВ/деление) сигналы спроектированного усилителя на средней рабочей частоте 1кГц.
Расчёт коэффициентов частотных искажений с формулами выполнен в отдельном
файле (9.0 кб).
По пункту "Укажите назначение разрабатываемого устройства, и опишите возможности его применения" - везде, где пригодится маломощный усилитель звуковой частоты с высокоомным входом и небольшим коэффициентом усиления, работающий на нагрузку с сопротивлением не менее 600 Ом. Например: микшеры аудио-аппаратуры, линейный усилитель датчиков шума и вибрации, микрофонный усилитель абонентских переговорных устройств, работающих на длинный кабель связи в больших производственных цехах…
"необходимость реализации устройства в виде гибридной интегральной микросхемы" возникает при массовом производстве изделия в миниатюрном исполнении, когда затраты на проектирование технологии микросхемы окупаются её спросом и сбытом.
Если Ваш преподаватель потребует произвести расчёт устаревшим и никем не востребованным способом от Мин-Образования, то уважаемый модератор SFResid предложил в минифоруме Вашей консультации
ссылку, полезную именно для такого случая.