CC BY
3
УДК 608
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА ДЛЯ СОГЛАСОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ФОТОПРИЕМНИКА ПОРТАТИВНОГО МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗАТОРА
© 2021 В. В. Харланова1, Д. Н. Уколов2
1 бакалавр, направление подготовки: 11.03.04 Электроника и наноэлектроника
(Технологии в наноэлектронике) e-mail: lerya107@ yandex. ru
Курский государственный университет
2 инженер-конструктор 3 категории e-mail: ukolov. dmitriy2804 @ mail. ru
АО «Авиаавтоматика» им. В.В. Тарасова
В данной статье приведена разработка усилительного каскада на биполярном транзисторе для улучшения выходных характеристик фотоприемника портативного микробиологического анализатора.
Ключевые слова: количественный анализ, оптические характеристики раствора, фотоприемник, сигнал, усилительный каскад.
DESIGN OF THE AMPLIFIER STAGE TO MATCH THE OUTPUT SIGNAL OF THE PHOTODETECTOR PORTABLE MICROBIOLOGICAL ANALYZER
© 2021 V. V. Kharlanova1, D. N. Ukolov2
bachelor's Degree, Direction of Training: 11.03.04 Electronics and Nanoelectronics
(Technologies in Nanoelectronics) e-mail: lerya107@ yandex. ru
Kursk State University
2 Design Engineer (3rd Category) e-mail: ukolov.dmitriy2804@mail.ru
JSC "Aviaautomatics" named after V.V. Tarasov
This article describes the development of an amplifying cascade on a bipolar transistor to improve the output characteristics of the photodetector of a portable microbiological analyzer.
Keywords: quantitative analysis, optical characteristics of the solution, photodetector, signal, amplifying cascade.
Обеспечение объективного контроля качества продукции является одной из тенденций совершенствования современных технологий. Важным фактором успеха при этом служит возможность получения количественных оценок основных
параметров технологического процесса. Так, например, количественная оценка динамики популяций микроорганизмов в молочной продукции основана на изменении цвета резазурина при восстановлении его окислительно-восстановительными ферментами субъективным визуальным методом. Данный метод не способен обеспечить высокую точность оценки, однако резазуриновая проба применяется достаточно широко при контроле роста колоний микроорганизмов, и её автоматизация является практически значимой исследовательской задачей.
В работе предложен вариант построения портативного микробиологического анализатора, основанный на оценке оптических свойств растворов резазурина, который в процессе жизнедеятельности микроорганизмов окисляется до резоруфина и плавно изменяет свой цвет от фиолетового до бледно-желтого (рис. 1).
Источник оптического излучения
1 г Г 1 ' 1 ' 1 1 F 1 F
Исследуемая среда с раствором 1 резазурина и микроорганизмами
F Г г F
Фотоприемник
Рис. 1. Схема установки для измерения оптической плотности растворов
Одним из недостатков такой схемы является необходимость использования источников облучения низкой интенсивности для избежания фототермического воздействия на изучаемые микроорганизмы, что при значительном ослаблении светового потока в среде распространения снижает точность и помехоустойчивость измерений.
Одним из вариантов решения поставленной выше проблемы является усиление сигнала на выходе измерительного модуля, соответственно, целью настоящей работы является проектирование транзисторного усилительного каскада с низким уровнем вносимых искажений для использования в фотоприемнике портативного микробиологического анализатора.
Транзисторные усилители могут быть построены с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Наиболее часто усилительные схемы строятся с общим эмиттером, что позволяет получить высокий коэффициент усиления и хорошие характеристики усилителя.
По справочным характеристикам светодиодов HSMD-C150 Broadcom определены параметры источника сигнала, нагрузки и выходного сигнала (табл. 1):
Таблица 1
Параметры сигнала и нагрузки_
Наименование параметра
Евх ш» Rn, /н, /в, U-вых m, -н, сн, М,
В Ом кГц кГц В Ом пФ дБ
0,25 50 0,15 16 2,5 300 5 3
где Евх т - амплитуда (электродвижущая сила) источника сигнала, Яи - внутренне сопротивление источника сигнала,
Харланова В. В., Уколов Д. Н. Проектирование усилительного каскада
для согласования выходного сигнала фотоприемника портативного микробиологического анализатора
/н, /в - нижняя и верхняя границы диапазона рабочих частот, Ян - сопротивление нагрузки, Сн - паразитная ёмкость нагрузки; иВых т - амплитуда выходного сигнала,
М - допустимый уровень частотных искажений выходного сигнала. Для расчёта положения рабочей точки транзистора и параметров элементов цепей усилительного каскада используется известная методика применимо к выбранному транзистору 2М5223. Полученные результаты приведены в таблицах 2, 3.
Таблица 2
Наимен. элемента Ед. изм. Значение параметра
расчет выбор
Ян Ом 300 300
Як Ом 300 300
Яос Ом 10,58 11
Яэ Ом 109,74 110
Яб1 кОм 4,113 4,3
Яб2 кОм 1,609 1,6
Ср1 мкФ 4,46 4,7
Ср2 мкФ 3,47 3,9
Сэ мкФ 136,09 150
Наимен. элемента Ед. изм. Значение параметра
расчет выбор
Рян Вт 0,01 0,062
Ряк Вт 0,1 0,25
Ряос Вт 0,004 0,062
Ряэ Вт 0,039 0,062
Ряб1 Вт 0,019 0,062
Ряб2 Вт 0,006 0,062
иср1 В 2,95 6,3
иср2 В 12 20
исэ В 2,05 6,3
Таблица 3
Наимен. параметра Ед. изм. Значение параметра
Явх Ом 781,82
Явых Ом 468,03
Ки дБ 20
к, дБ 23,86
Кр дБ 21,93
Ек В 12
Рвых Вт 0,01
Наимен. параметра Ед. изм. Значение параметра
Ро Вт 0,25
п % 4,23
% нсек 15,63
% нсек 15,12
нсек 0,75
нсек 31,50
% нсек 9928,63
Для проверки полученных в результате расчёта характеристик усилительного каскада в программной среде схемотехнического моделирования МиШБ1т 11.0 была разработана имитационная модель данной схемы (рис. 2). Результаты расчёта
положения рабочей точки усилительного каскада и оценки параметров разработанного схемотехнического решения приведены в таблице 4.
Рис. 2. Схема имитационной модели усилительного каскада, реализованная в пакете прикладных программ МиШ81т 11.0
Таблица 4
Результаты расчёта положения рабочей точки и моделирования
Наименование Единица Значение параметра, полученное в результате
параметра измерения расчёта моделирования
ибо В 2,95 3,13
Пк0 В 6,5 5,98
UaO В 2,25 2,44
1д мА 0,00183 0,000196
1б0 мА 0,00037 0,00001
1к0 мА 0,01833 0,0201
1э0 мА 0,0187 0,0202
Io мА 20,745 22,144
Осциллограммы тестового сигнала на среднегеометрической частоте (рис. 3), нижней и верхней границах диапазона рабочих частот (аналогичные приведённой на рис. 3) подтверждают отсутствие искажений входного сигнала в полученном усилительном каскаде.
Полученные с помощью плоттера Боде (рис. 4) значения АЧХ и ФЧХ усилительного каскада (табл. 5) среднегеометрической частоте, нижней и верхней границах диапазона рабочих частот удовлетворяют требованиям к целевым характеристикам усилительного каскада.
Харланова В. В., Уколов Д. Н. Проектирование усилительного каскада
для согласования выходного сигнала фотоприемника портативного микробиологического анализатора
Таблица 5
Основные характеристики усилительного каскада
Наименование параметра Единица измерения Значение параметра на частоте (кГц)
требуемое /срг 1,55 / =0,15 н ' / =16 в
Ки(/ дБ 20 21,425 19,463 21,446
Ф(/ град минус 180 -174,209 -124,272 -179,456
Рис. 3. Осциллограммы тестового сигнала на входе и выходе усилительного каскада
Рис. 4. АЧХ усилительного каскада
Рис. 5. ФЧХ усилительного каскада
На основании полученных результатов имитационного моделирования можно утверждать, что проектирование усилительного каскада было проведено успешно: требуемые параметры каскада достигнуты, искажений формы выходного сигнала не наблюдается.
Библиографический список
1 Горбунова, Е. В. Теоретическая модель изменения цвета редуктазной пробы с резазурином как основа контроля качества молока в процессе его хранения / Е. В. Горбунова и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2020. - Том 20. - № 1. - С. 20.
2 Шмидт, В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов: перевод с английского / В. Шмидт. - Москва: Техносфера, 2007. - 368 с.
3 Уколов, Д. Н. Разработка портативного микробиологического анализатора / Д. Н. Уколов // HSMD-C150 Broadcom Data Sheet.
4 Бобровский, В. П. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя / В. П. Бобровский и др. - 2-е издание, доп. и испр. - Киев: Тэхника, 1989.
5 Шарапов, А. В. Аналоговая схемотехника: Учебное пособие / А. В. Шарапов. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2006. - 193 с.
6 Транзистор 2N5223 Data Sheet.
