Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттерным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й последовательной отрицательной обратной связью по току. В отличие от усилителя по схеме с ОЭ, схема с ОК не инвертирует входной сигнал.

Рисунок 3.3 - Усилительный каскад с ОК

Рассмотрим основные характеристики эмиттерного повторителя:

- коэффициент усиления по току

- коэффициент усиления по напряжению с учетом 100%-й ООС определяется

- входное сопротивление определяется

На базе транзисторного усилителя с ОЭ можно построить источник постоянного тока. Для этого необходимо обеспечить постоянный базовый ток транзистора или ввести постоянную обратную связь по току.

Для повышения коэффициента усиления транзисторного каскада с ОЭ в качестве резистора R_к часто используется нелинейный элемент, статическое сопротивление которого значительно меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае падение напряжения на этом элементе от протекания тока будет определяться его статистическим сопротивлением, а отклонение выходного напряжения - динамическим сопротивлением. Роль нелинейного элемента выполняет транзистор.

Для увеличения коэффициента h_21э транзистора можно использовать каскадное включение нескольких транзисторов. Такие транзисторы называются составными транзисторами или схемами Дарлингтона.

4. Понятие, параметры и характеристики операционных усилителей

Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.

Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.

На упрощенной принципиальной схеме ОУ (рисунок 4.2) дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1, VT2, VT3. Вход 1 называют инвертирующим, так как при заземленном входе 2 сигнал, поданный на инвертирующий вход на выходе окажется сдвинутым по фазе на 180⁰.

Рисунок 4.1 - Структурная схема операционного усилителя

При подаче сигнала на вход 2 (неинвертирующий вход) выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе.

За входным каскадом следует один или несколько промежуточных, которые обеспечивают усиление входного сигнала по току и напряжению. На рисунке 4.2 в качестве промежуточного каскада используется дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VT5.

Рисунок 4.2 - Упрощенная электрическая схема ОУ

Оконечный каскад имеет низкое выходное сопротивление ОУ и обеспечивает ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Обычно в качестве оконечного каскада используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель (транзисторы VT7, VT8 на рисунке 4.2).

При построении схем на операционных усилителях необходимо принимать в расчет некоторые основные параметры, которые характеризуют ОУ.

К ним относятся:

- входное напряжение сдвига (U_сдв). Вследствие неточного согласования входных транзисторов на выходе ОУ появляется напряжение при нулевом напряжении на входах. То напряжение, которое необходимо приложить ко входам, чтобы на выходе установился 0В, называется входным напряжением сдвига;

- входной ток смещения (I_см). Ток на входах операционного усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ;

- входной ток сдвига (I_сдв). Разность входных токов смещения;

- входное сопротивление (R_вх). Сопротивление ОУ по отношению ко входному сигналу. Различают дифференциальное входное сопротивление, т.е. сопротивление между двумя входными выводами, синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими выводами входов и землей. R_вх может достигать нескольких сотен MОм;

- выходное сопротивление (R_вых). Внутреннее сопротивление усилителя. Обычно не превосходит нескольких сотен Ом.

- коэффициент ослабления синфазных сигналов (КОСС). Характеризует способность ослаблять синфазные входные сигналы.

- ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем;

- максимальная скорость нарастания входного напряжения (V). Максимальная допустимая скорость нарастания входного напряжения в вольтах на микросекунду;

- предельно допустимые значения. Максимальные значения параметров, превышение которых приводит к повреждению ОУ.

5. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Задано:

- выходное напряжение U_выхm = 5,5 В;

- напряжение источника питания Е_к = 20 В;

- мощность нагрузки P_н = 12 мВт;

- тип транзистора: n-p-n.

Схема электрическая принципиальная усилительного каскада на биполярном транзисторе показана на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема электрическая принципиальная усилительного каскада на биполярном транзисторе

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

(5.1)

Выберем стандартное значение: R_н = 1270 Ом (ряд Е48).

Рассчитаем амплитуду тока нагрузки:

(5.2)

Чтобы избежать нелинейных искажений выходного сигнала, параметры точки покоя выбираются из следующих условий:

, (5.3)

, (5.4)

где U - напряжение на транзисторе в режиме насыщения, принимается 1…1,5 В.

Чем больше выбран I_кп, тем больше мощность, потребляемая от источника питания и, следовательно, ниже КПД каскада. При малом I_кп могут возникнуть нелинейные искажения выходного сигнала.

Принимаем I_кп=9 мА, U_кэп=7 В.

Транзистор выбирается по предельным параметрам:

Uкэ доп Ек = 20 В; (5.5)

Iк доп Iкп + Iвых m = 9 + 4,36 = 13,36 мА; (5.6)

Рк доп Iкп·Uкэп = 9?7 = 63 мВт. (5.7)

Выбираем биполярный транзистор КТ315В, у которого

U_{кэ доп} = 40 В;

I_{к доп} = 100 мА;

Р_{к доп} = 150 мВт.

Данный транзистор имеет следующие h-параметры:

h₁₁ = 0.14 кОм;

h₂₁= 50;

h₂₂ = 0.3 мкСм.

Параметром h₁₂ пренебрегаем, а рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя U_бэп = 1 В.

В статическом режиме источник сигнала отключен, каскад работает только под действием источника питания E_к. Поэтому сопротивление конденсаторов равно бесконечности и расчетная схема имеет вид (рисунок 5.2).

Уравнение статической линии нагрузки:

Ек = Iк Rк + Uкэ + Iэ Rэ. (5.8)

Так как I_э = I_к + I_б и I_к >> I_б, то I_э I_к;

Ек = Iк ·(Rк + Rэ) + Uкэ. (5.9)

Рекомендуется принимать R_э = (0,1 …0,2) R_к.

Рисунок 5.2 - Схема усилителя в статическом режиме

Тогда

Ек = 1,1Iк ·Rк + Uкэ. (5.10)

В режиме покоя I_к = I_кп, U_кэ= U_кэп.

Рассчитаем сопротивления:

(5.11)

Выберем стандартное значение: Rк = 1,33 кОм (ряд Е48).

(5.12)

Выберем стандартное значение: R_э = 133 Ом (ряд Е48).

Чтобы в динамическом режиме не менялись существенно условия работы конденсатора, ток делителя рекомендуется выбирать в 5…10 раз больше I_бп. Примем I₁ = 5I_бп.

. (5.13)

. (5.14)

Для контура R₂ - база - эмиттер - R_э уравнение по второму закону Кирхгофа:

- R2 I1 + Uбэп + Iкп Rэ = 0. (5.15)

. (5.16)

Второе уравнение для контура E_к - R₁ - R₂:

Eк = (I1+ Iбп)·R1 +I1·R2; (5.17)

. (5.18)

Выберем стандартные значения: R₁ = 13,3 кОм (ряд Е48), R₂ = 2,49 кОм (ряд Е48).

В динамическом режиме Е_к закорочен, а сопротивлением конденсаторов можно пренебречь, так как их емкость выбирается из условия, чтобы на минимальной рабочей частоте реактивное сопротивление конденсаторов было на порядок меньше сопротивлений резисторов схемы.

В схеме замещения каскада с учетом h-параметров транзистора (рисунок 5.3):

. (5.19)

Входное сопротивление каскада:

. (5.20)

Выходное сопротивление каскада:

. (5.21)

Рисунок 5.3 - Схема замещения каскада с учетом h-параметров

Уравнение динамической линии нагрузки:

(5.22)

Максимальная амплитуда выходного напряжения при I_кm = I_кп.

. (5.23)

Рассчитаем коэффициенты усиления:

(5.24)

(5.25)

(5.26)

Рассчитаем потребляемую мощность (мощность, потребляемая делителем, незначительна):

. (5.27)

Рассчитаем КПД:

. (5.28)

Амплитудная характеристика Uвыхm = f(Uвхm):

. (5.29)

Это линейное уравнение справедливо до U_выхm = 5,788 B. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику (рисунок 5.4) можно построить по двум точкам:

первая точка - начало координат U_вхm = 0, U_выхm = 0;

вторая точка - U_выхm = 5,788 В, U_вхm = U_выхm/K_u = 5,788/229,685 =

= 0,025 В.

6. Расчет усилителя низких частот на основе операционного усилителя

Задано:

- требуемый коэффициент усиления: К_ус = 90;

- тип операционного усилителя: К140УД2А;

- U_вхmin = 6 мВ;

- тип усилителя: неинвертирующий.

Рисунок 6.1 - Схема неинвертирующего усилителя

Параметры операционного усилителя К140УД2А:

- коэффициент усиления: К_ОУ =35000;

- входное сопротивление: R_вх = 0,3 МОм;

- выходное сопротивление: R_вых = 1,0 кОм;

- максимальное выходное напряжение U_выхm = 10,0 В;

- разность входных токов: I_вх = 0,2 мкА.

Схема электрическая принципиальная усилителя показана в приложении.

Входной сигнал поступает на прямой вход, инвертирующий вход с помощью резистивного делителя R₁ и R₂ охвачен последовательной ООС.

7. Проектирование сумматора на основе операционного усилителя

Задано:

- операция: (2U₁ + 3U₂ 3U₃) = 2U1 3U₂ + 3U₃;

- сопротивление обратной связи: R_ос =20 кОм;

- тип операционного усилителя: К140УД2А.

Рассчитаем коэффициенты усиления по входам.

(7.1)

где R_oc - сопротивление обратной связи;

R_i - сопротивление в цепи данного входа.

По заданному значению сопротивления обратной связи и весовым коэффициентам входов (К₁ =2, К₂ =3, К₃ =3) определяем:

(7.2)

(7.3)

(7.4)

Представим сопротивления R₂ и R₃ в виде суммы стандартных значений: 6,667 кОм = 0,133 кОм + 0,133 кОм +6,2 кОм +0,2 кОм.

Рассчитаем эквивалентные сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам:

 (7.5)

Включим параллельно неинвертирующему входу резистор R₄ так, чтобы выполнялось равенство:

(7.5)

Представим сопротивление R₄ в виде суммы стандартных значений: 6.665 кОм = 0.332 кОм + 0.332 кОм + 3 кОм + 3 кОм.

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции показана на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Схема электрическая параллельного сумматора

Заключение

В результате выполнения курсового проекта были получены следующие результаты:

- рассмотрены принцип работы, параметры, характеристики электронных усилителей на основе биполярных транзисторов с их различным включением в схемах;

- рассмотрены различные виды обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем;

- рассмотрены параметры, характеристики операционных усилителей;

- выполнен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с техническим заданием;

- выполнен расчет усилителя на основе операционного усилителя в соответствии с техническим заданием;

- выполнен расчет параллельного сумматора на операционном усилителе в соответствии с техническим заданием;

- промоделированы схемы электрические усилительного каскада на биполярном транзисторе, усилителя низкой частоты, параллельного сумматора в среде проектирования Electronics Workbench v5.12.

Список источников

1. Лаврентьев, Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Б.Ф. Лаврентьев. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000 - 155 с.

2. Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И. Манаев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

3. Харченко, В.М. Основы электроники / В.М. Харченко. - Москва: Энергоиздат, 1982.

4. Усилительные устройства / В.А. Андреев, Г.В. Войшвило, О.В. Головин и др. / Под ред. О.В. Головина - М.: Радио и связь, 1993. - 352 с.

5. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1997. -268 с.

6. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. - М.: Дизайн ПРО, 2000. - 352 с.

7. Першин В.Т. Основы радиоэлектроники. Учеб. пособие. - Мн.: Выш. шк. 2006. - 399 с.

8. Христич, В.В. Лекции по основам электроники. / УГАТУ.

9. Миловзоров, О.В. Электроника: Учеб. пособие для вузов по напр-ю подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»/ О.В. Миловзоров, И.Г Панков. - Москва: Высш. шк., 2004 - 287 с.

Размещено на Allbest.ru