Усилитель постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Необходимо спроектировать усилитель постоянного тока со следующими характеристиками:

Коэффициент усиления по напряжению:

Погрешность коэффициента усиления:

Полоса рабочих частот:

Дрейф нуля, приведённый к входу: 1.5 мВ;

Амплитудное выходное напряжение: 5В;

Входное сопротивление: 100 Ком;

Сопротивление нагрузки: 5 Ом.



1. Выбор схемы

Основные трудности, возникающие при проектировании усилителей постоянного тока (УПТ), связаны с дрейфом нуля - изменения выходного напряжения при постоянстве его на входе. Для этого нужно использовать особые схемы. Их анализ определил общее направление в проектировании такого рода устройств, связанное с широким использованием в них дифференциальных усилителей, симметричная схема которых по своей приспособлена для компенсации дрейфа, а так же таких специфических схем для этого класса усилителей, как генераторы стабильного тока.

При проектировании схемы основной идеей было сокращение количество каскадов. Дифференциальный каскад является усилительным каскадом. Высокого коэффициента усиления можно добиться использованием активной нагрузки на дифференциальном каскаде. Для согласования с низкоомной нагрузкой используется двухтактный эмиттерный повторитель. Для согласования дифференциального и выходного каскадов используется истоковый повторитель. Чтобы получить высокое входное сопротивление перед дифференциальным каскадом так же ставим истоковый повторитель.

2. Двухтактный эмиттерный повторитель

, тогда Этот же ток является максимально протекающим через транзисторы повторителя. Ток покоя зададим равным 50 мА. Обеспечиваем данный ток покоя необходимым падением напряжения на диодах. Они же компенсируют температурный дрейф . Выходное сопротивление обусловленном дифференциальным сопротивлением эмиттера .

В статическом режиме: , тогда

В положительной и отрицательной полуволне:

, и

Для данного двухтактного повторителя подойдёт комплементарная пара транзисторных сборок с диодом NJ4281D (NPN) и NJL4302D (PNP). В рабочих токах и напряжения .



Значение влияет на базовый ток, который влияет на выходное сопротивление предыдущего каскада, и входное сопротивление данного повторителя.

- в случае .

- в случае .

Входное сопротивление каскада считаем только минимально возможное:



При токе покоя 50 мА напряжение на база-эмиттерном переходе составляет 55 мВ. Ток через диоды будет задаваться источником тока и его величина будет меньше. Нехватку падения напряжения исправляем подстроечным резистором.

Потенциалы на входе: - статический режим;

положительная полуволна;

отрицательная полуволна.

3. Эмиттерный повторитель

Ток покоя через транзистор будет изменяться на величину базового тока следующего каскада, который может достигать 12 мА. Так что выберем ток покоя с запасом - 15 мА. Выходные сопротивления будут равны:

Соответственно коэффициенты усиления:

На база-эмиттерном переходе данного транзистора будет стоять резистор, который задаёт ток истокового повторителя, следовательно, входное сопротивление будет ограничено резистором. Выберем транзистор с высоким - 15C01M (NPN). . Базовый ток составляет микроамперы, так что его можно не учитывать при расчёте истокового повторителя.

Входное сопротивление в таком случае: ;

Чтобы обеспечить рабочее состояние дифференциального каскада, надо поднять потенциал на входе повторителя. Берём стабилитрон 1N5352B номиналом .

Потенциалы на входе: статический режим;

положительная полуволна;

отрицательная полуволна.

4. Истоковый повторитель

Для согласования с дифференциальным каскадом с активной нагрузкой требуется огромное входное сопротивление следующего каскада. Для этого используем полевой транзистор 2SK3796D (N - канальный).



Ток покоя зададим в термостабильной точке, , равный 0.6 мА. Задаётся он резистором . Возьмём из типового ряда резисторов E24 номинал в 1.1 кОм с погрешностью 5%. Ток через транзистор можно считать постоянным, так как изменения крайне незначительны. Эквивалентное сопротивление нагрузки:

,

Коэффициент передачи будет равен:

крайне мало, по сравнению с другими погрешностями коэффициентов усиления. Входное сопротивление . Чтобы обеспечить рабочее состояние дифференциального каскада, надо поднять потенциал на входе повторителя. Берём стабилитрон 1N5352B номиналом .

Потенциалы на входе: статический режим;



положительная полуволна;

отрицательная полуволна.

5. Источник тока для выходного каскада

Работу истокового и эмиттерного повторителей обеспечивает источник тока. Зададим ток через транзистор: .

Потенциалы на коллекторе: - статический режим;

положительная полуволна;

отрицательная полуволна.

Нужно обеспечить работу транзистора. Для этого на транзисторе должно падать минимум 2-3 вольта. Рассмотрим случай когда на коллекторе потенциал равен -5.575 В. Для того чтобы скомпенсировать дрейф возьмём двойной транзистор NST45011MW6T1G (Dual NPN), и один из транзисторов поставим в схему в диодном включении.



Падение напряжения с коллектора первого транзистора на эмиттер второго зададим 3.325 вольт. Тогда напряжение на стабилитроне будет: . Возьмём стабилитрон 1N5346B с номиналом 9.1 В. Напряжение на резисторе будет равно напряжению стабилитрона: . Номинал резистора из ряда номиналов Е24, подходящий для нас - 560 ОМ.

В рабочем диапазоне . Ток базы: . .

Напряжение на резисторе базы : .

. Данный резистор обеспечивает ток базы рабочего транзистора, остаток тока течёт в цепь со стабилитроном. Подходящий номинал из ряда Е24 - 100 кОм.

6. Дифференциальный каскад с активной нагрузкой

Активной нагрузкой дифференциального каскада является источник тока. Температурный дрейф у дифференциального каскада приводит к изменению базового тока, что в свою очередь изменяет падение напряжения на резисторе . Поэтому источник тока должен создавать очень маленький ток. С другой стороны усиление каскада падает при увеличении сопротивления эмиттера, а сопротивление эмиттера растёт при уменьшении тока. Выберем оптимальное значение .

Источник тока сделаем на двойном PNP транзисторе NST30010MXV6T1G (Dual PNP), аналогично описанному источнику тока выше. Падение напряжение на транзисторе будет 2.52 вольта.

Потенциалы на коллекторе есть потенциалы на входе истокового повторителя. Нас интересует потенциал при положительной полуволне .

, нужен стабилитрон MMSZ4678T1G номиналом 1.8 вольт. Тогда . Есть такой же номинал резистора в ряду Е24.

В рабочем диапазоне , следовательно, влияние базового тока источника тока на коллекторный ток эмиттерного повторителя можно не учитывать.

Для дифференциального каскада нам понадобиться двойной транзистор NST45011MW6T1G (Dual NPN). Базовый ток: , ток эмиттера с хорошей точностью принимаем равным току коллектора (. Резисторы будут определять входное сопротивление каскада (если входное сопротивление дифференциального каскада будет значительно больше сопротивления ). Возьмём номиналом 1 кОм.

Тогда потенциал на базе:

Потенциал на эмиттере: .

Усиление каскада определяется отношением эквивалентных сопротивлений коллектора к эмиттеру. У данных транзисторов дифференциальное сопротивление коллекторов порядка 10⁶ - 10⁷ Ом. Эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление данного каскада, является два сопротивления коллектора в параллели .



.

Эквивалентное сопротивление на эмиттере

.

Коэффициент усиления:

.

Значение сопротивлений коллекторов взяты на вскидку, следовательно, нужно взять некоторое значение по умолчанию. Возьмём 10% некоррелированной ошибки.

Входное сопротивление каскада: ;

Входное сопротивление с учётом : .

7. Источник тока для дифференциального каскада

Снова берём двойной транзистор NST45011MW6T1G, схема включения как у предыдущего источника тока и активной нагрузки. Ток покоя: .

Потенциал на коллекторе: . Падение напряжения на транзисторе 8.295 вольт. понадобиться стабилитрон 1N5346B. - резистор ближайшего номинала 4.7 кОм.

В рабочем диапазоне . Ток базы: . .

Напряжение на резисторе базы : .

, из ряда Е24 возьмём резистор номиналом 820 кОм.

8. Входной каскад

Для данного УПТ требуется большое входное сопротивление. Реализуем его истоковым повторителем в термостабильной точке (2SK3796D), а роботу повторителя обеспечим термостабильным источником тока (NST45011MW6T1G). - ток покоя в термостабильной точке.

Коэффициент передачи: .

много меньше других отклонений коэффициентов передачи.

Потенциал на истоке: .

Берём стабилитрон 1N5346B номиналом 9.1 В, а номиналом 15 кОм. . берём номинала 2.7 Мом.

Так как входное сопротивление полевого транзистора очень большое, то общее входное сопротивление определяется резистором , номинал которого 110 кОм (с запасом).

Потенциал на входе усилителя: .

9. Дрейф нуля

Основные источники дрейфа нуля в схеме это дрейф и дрейф транзисторов. Каждый сигнал дрейфа приводится ко входу, таким образом можно оценить суммарный дрейф:

.

Рассмотрим каждый элемент по отдельности. Рабочая температура 5-45 градусов Цельсия.

Дрейф последнего каскада вносит самый меньший вклад. В данном двухтактном эмиттерном повторителе (VT1+, VT1-) осуществляется компенсация дрейфа за счёт встроенных диодов. Дрейф генератора тока (VT4) мало влияет на смещающие диоды из-за крутой ВАХ, но он может изменить рабочую точку эмиттерного повторителя VT2. Однако благодаря тому, что источник тока сделан из сборки двух транзисторов, второй транзистор включён в диодном режиме, что в свою очередь компенсирует дрейф у источника тока.

Некомпенсированный дрейф у транзистора VT2, приведённый ко входу, меньше на коэффициент усиления . Полевой транзистор VT3 работает в термостабильной точке, к тому же его дрейф приведённый ко входу меньше на величину коэффициента усиления.

Полевой транзистор VT9 на входе так же находится в термостабильной точке, а его работу обеспечивает источник тока с транзистором в диодном включении (дрейф которого так же компенсируется). Изменение напряжения на резисторе в пределах , крайне мало по сравнению с рабочим напряжением на нём.

Аналогично, термостабильными источниками тока являются транзисторы VT5 и VT7, так как они сделаны на основе двойных транзисторов, один из которых работает в диодном включении.

Основным источником дрейфов остаётся дифференциальный каскад. Дрейф у транзистора VT6+ компенсируется дрейфом в ту же сторону у транзистора VT6- Так как это транзисторная сборка на одном кристалле, то разница составляет микровольты на градус. То есть в рабочем диапазоне температур дрейф составит не больше .

Ещё одним источником дрейфов является разброс у транзисторов дифференциального каскада, который не превышает 10%. изменяется приблизительно процент на градус. Значит, разброс в рабочей температуре не превышает 14%, а это приблизительно 1 мВ максимальной разницы потенциалов на базах транзисторов VT6+ и VT6 -.

10. Обратная связь

Коэффициент усиления по напряжению УПТ, не учитывая входного каскада:

- статический;

- положительная полуволна;

- отрицательная полуволна;

эмиттетный усилитель ток повторитель

- коэффициент усиления, который должен иметь УПТ без учёта передаточной характеристики истокового повторителя на входе.

Глубина обратной связи:

;

Тогда сопротивление обратной связи: Берём номинала 2.4 Мом.



11. Коэффициент нелинейных искажений

Отклонения из изменения выходного сигнала:

Добавим к этому отклонению некореллированное отклонение усиления дифференциального каскада: .

Погрешность коэффициента усиления меньше на глубину обратной связи:

12. Частотная коррекция

Частота среза обусловлена большим сопротивлением . Поэтому частотную коррекцию произведём шунтированием этого сопротивления, сопротивлением номиналом 3.3 кОм. Таким образом, мы получим спад коэффициента усиления в активной полосе частот 20 дБ на декаду.

где - частота среза по проекту (500 Гц).

Тогда: , возьмём ёмкость из ряда Е24, номиналом 1.3 мкФ.

Точное значение частоты среза: . Тогда .



13. Оценка рассеиваемых мощностей

Мощность, рассеиваемую на транзисторах, оценим как :

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Мощность, рассеиваемую на резисторах, оценим как :

;

;

;

;

;

Данному усилителю подойдут транзисторы марки МЛТ-0.25 (.

Спецификация

Элемент на схеме	Наименование	Кол-во (штук)
VT1+	NJ4281D (NPN)	1
VT1-	NJL4302D (PNP)	1
VT2	15C01M (NPN)	1
VT3, VT9	2SK3796D (N - channel)	2
VT4, VT6, VT7, VT8	NST45011MW6T1G (Dual NPN)	4
VT5	NST30010MXV6T1G (Dual PNP)	1
stb3	1N5352B	1
stb4, stb7, stb8	1N5346B	3
stb5	MMSZ4678T1G	1
R2	МЛТ-0.25 1.1 кОм 5%	1
R3	МЛТ-0.25 3.3 кОм 5%	1
R4	МЛТ-0.25 560 Ом 5%	1
R5	МЛТ-0.25 1.8 кОм 5%	1
R6	МЛТ-0.25 1 кОм 5%	2
R7	МЛТ-0.25 4.7 кОм 5%	1
R8	МЛТ-0.25 15 кОм 5%	1
Rs4	МЛТ-0.25 100 кОм 5%	1
Rs7	МЛТ-0.25 820 кОм 5%	1
Rs8	МЛТ-0.25 2.7 МОм 5%	1
Rin	МЛТ-0.25 110 кОм 5%	1
Roc	МЛТ-0.25 2.4 МОм 5%	1
C3	МПГО 1.3 мкФ 5%	1



Список литературы

[1] Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники 1. М: «Мир», 1993.

[2] Достал И. Операционные усилители. М: «Мир», 1982.

[3] Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М: «Мир», 1982.

[4] Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М: «Энергия», 1973.

Размещено на Allbest.ru