Усилитель постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одной из наиболее важных операций в электронике является усиление. На базе усилителей построены практически все электронные устройства. Усилители электрических сигналов классифицируются по ряду признаков: характеру усиливаемых сигналов; диапазону частот; назначению; электрическим характеристикам усиливаемого сигнала; типу усилительных (активных) элементов.[6]

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов. Отличием усилителя постоянного тока (УПТ) от усилителя переменного тока является его способность усиливать без искажения инфранизкие частоты вплоть до нулевой. Усилители широко используются в вычислительных устройствах, измерительной технике и в других областях.

Выбор и анализ структурной схемы

При построении УПТ исключаются разделительные конденсаторы, то есть осуществляется непосредственная связь между каскадами. Использование непосредственной связи между каскадами обуславливает возникновение двух проблем.

Во-первых, непостоянство «нулевого» уровня выходного напряжения или тока, который подвержен самопроизвольному изменению ? дрейфу нуля. Дрейф нуля может быть вызван нестабильностью напряжения источников питания, изменениями параметров активных и пассивных элементов вследствие изменения температуры, физического старения и т.д. Эти самопроизвольные изменения воспринимаются как полезный сигнал и приводят к большим ошибкам. Особенно нужно уменьшить дрейф нуля первого каскада, в котором при малых уровнях входного сигнала напряжение дрейфа становится сравнимым с усиливаемым сигналом. Различают временной (мВ/ч) и температурный (мкВ/°С) дрейфы.

Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение дифференциальных каскадов (рис. 2.1, первый каскад). Эта схема представляет собой сбалансированный мост, два плеча которого образованы транзисторами и , а два других плеча ? транзисторами и . Выходное напряжение снимается с коллектора транзистора . Если действуют дестабилизирующие факторы (один и тот же сигнал на оба входа ? синфазный сигнал), то в случае идеальной симметрии плеч баланс моста не нарушается, выходное напряжение не появляется, т.е. напряжение дрейфа равно нулю. В случае же несимметричного выхода появляется небольшой выходной сигнал (коэффициент передачи синфазной составляющей ). Чем больше сопротивление в цепи эмиттера, тем меньше . Если в цепи эмиттера включен источник тока (большое внутреннее сопротивление), то во много раз меньше. Дифференциальные (разностные) входные сигналы разбалансируют мост и на выходе появится сигнал, пропорциональный разности входных сигналов.[6]

Второй проблемой является согласование уровней при построении многокаскадных усилителей (каскадировании). Она разрешается применением каскадов согласования уровня и двуполярного питания.

В качестве примера рассмотрим часто применяемую трехкаскадную схему УПТ (рисунок 1)

Рисунок 1. Расчетная схема УПТ

Первым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах и , в котором для задания коллекторного тока использована схема «токового зеркала» на транзисторах и . Токовым зеркалом называется электронная схема, выходной ток в которой повторяет как по величине, так и по направлению ее входной ток. Включение транзисторов в качестве динамической нагрузки позволяет увеличить коэффициент усиления по напряжению до нескольких сотен. Ток эмиттера стабилизирован генератором тока на транзисторе .

Коллекторный ток задается делителем в цепи базы с термокомпенсирующим диодом . Генератор тока, который имеет большое внутреннее сопротивление, обеспечивает стабильность работы дифференциального каскада и задает ток эмиттера, этим самым делая его менее чувствительным к изменениям температуры (не меняется режим, уменьшается коэффициент передачи синфазной составляющей).

Данная схема должна работать в режиме малых токов (большое ). Сопротивления и являются элементами местной последовательной отрицательной обратной связи по току, которая увеличивает входное сопротивление и сглаживает разницу между эмиттерными сопротивлениями обоих плеч (идентичность плеч необходима для уменьшения коэффициента передачи синфазной составляющей). Входные сопротивления достигают величины в нескольких сотен кОм. Промежуточный каскад с ОЭ на транзисторе усиливает напряжение и осуществляет сдвиг уровня напряжения на некоторую величину, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе при отсутствии сигнала на входе УПТ. Каскад охвачен отрицательной обратной связью по току (резистор ), в качестве динамической нагрузки включен источник тока на транзисторе .

В качестве выходных каскадов в УПТ используются два вида каскадов: однотактные и двухтактные. Двухтактные выходные каскады имеют более высокий коэффициент полезного действия за счет работы транзисторов в режиме В и АВ. На рис. 2.1 приведена схема двухтактного выходного каскада. Выходные транзисторы и включены по схеме ОК и работают в режиме АВ. При этом начальное смещение задается диодами и , которые обеспечивают также температурную стабилизацию выходного каскада. Резисторы и обеспечивают согласование параметров комплементарной пары транзисторов и и ограничивают его максимальный ток. Переменный резистор является подстроечным и позволяет точно сбалансировать каскад.

Расчетная часть

Таблица 1 - Исходные данные

Расчет дифференциального каскада

Определение величины напряжения питания. Напряжение питания выбирается из соображений обеспечения требуемых максимальных значений выходного сигнала усилителя (при амплитудных значениях сигнала транзисторы , , не должны переходить в режим насыщения). Напряжение питания равно:

В

Ом ? сопротивление нагрузки;

где ? выходная мощность, Вт;

? выходное напряжение, В; ? выходной ток, А;

? сопротивление нагрузки,

B

.

Выбор транзисторов VT2 и VT5. Для идентичности плеч лучше выбрать транзисторную сборку, например, КТС395А-1 (). В=40-120, Uкбmax=45 В, Ikmax=100мА.[2]

Необходимо выбрать токи покоя плеч , а также (50?250 мкА). При выборе токов надо исходить из заданного УПТ:

,

где ? дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

? объемное сопротивление базы (100?300 Ом).

Величина сопротивления обратной связи определяется, таким образом, из соотношения:

Ом

Если сопротивление равно и , ,

, то

По ряду номиналов определяем

Затем вычисляется

.

Источник тока должен обеспечить ток . Выберем потенциал базы из условия обеспечения большого диапазона допустимых значений синфазной составляющей сигнала

Рассчитаем номинал резистора , задающего, при фиксированном потенциале базы транзистора , его ток, берем из входной характеристики:

,

где

,

, .

По ряду номиналов Е24 определяем

Генератор на VT3. Зададимся током делителя (, , ) исходя из условия (при этом базовые токи почти не влияют на потенциалы их баз, что необходимо с точки зрения термостабилизации):

, ,

Найдем номиналы резисторов и :

,

,

где .

берем из ВАХ диода 2Д502Б, для I=3мА.

По ряду номиналов определяем и

«Токовое зеркало». Выполнено на транзисторах и , при этом транзистор используется в диодном включении. По выполняемым функциям эта схема является управляемым источником тока на , причем входным током является ток коллектора , а выходным ? ток коллектора . Для точного «отображения» на выходе входного тока

необходимо, чтобы параметры и были идентичными, для этого также можно выбрать транзисторную сборку () КТС395В: В=40-120, Uкрmax=45 В, Ikmax=100мА.

Идентичность транзисторов, входящих в сборку, позволяет получить коэффициент отражения «токового зеркала» близким к 1:

,

где ? коэффициенты передачи по току транзисторов и .

При отсутствии входного сигнала, то есть в режиме покоя,

, ; =1мкА.

Расчет предоконечного каскада. Выберем транзистор () из условий:

-обеспечения заданных максимальных токов (сумма тока покоя каскада и амплитуды тока переменного сигнала);

-максимального допустимого напряжения ;

- заданной мощности ;

-желательно с небольшим, который определяет коэффициент усиления каскада

Возьмем транзистор КТ3102В. Параметры которого: при , , а так же ,,.[2, с. 120]

Потенциал базы транзистора выбирается таким образом, чтобы и при амплитудных значениях выходного сигнала транзисторы , , находились в активном режиме:

.

Ток покоя каскада , выбирается таким образом, чтобы обеспечивался необходимый выходной ток транзисторов , при амплитудных значениях входного сигнала. Кроме того, необходимо согласование с дифференциальным каскадом по постоянному току:

.

Определим сопротивление :

.

Нужное определяем на входных характеристиках по заданному току базы. Учитывая, что , получим:

Для выбирается транзистор КТ207В. Его основные параметр: при ; ; ; . Потенциал базы транзистора задан делителем , , . [2]

Потенциал

;

.

Выбираем R7 и R8 исходя из соотношения R8=(0,1-0,2)(R7+R8)= 150Ом, тогда R7=(R7+R8)-R8= 1,35 кОм

По ряду номиналов определяем .

Расчет оконечного каскада. По заданному выходному напряжению и току определяется сопротивление нагрузки:

.

Максимальная мощность, рассеиваемая в нагрузке:

.

Допустимая мощность, рассеиваемая на каждом и , . При этом для выходного двухтактного каскада лучше выбрать транзисторную сборку ( и ) КТС303A-2(В=40-180, Uкбmax=5 В, Ikmax=100мА)[2]

Диоды и обеспечивают начальное смещение транзистров и выходного каскада (режим АВ). Выберем при . Так как выходные транзисторы идентичны, то падение напряжения на диодах поровну разделится между транзисторами. Через транзисторы в состоянии покоя протекает малый ток. При отсутствии входного сигнала потенциал эмиттеров и равен нулю и ток в нагрузке отсутствует.

Максимальный ток базы и при максимальном токе нагрузки . Определим входное сопротивление :

Выходное сопротивление УПТ

Расчет коэффициентов усиления УПТ по напряжению

,

усилитель постоянный ток

где ? коэффициент усиления дифференциального каскада; ? коэффициент усиления предоконечного каскада; ? коэффициент усиления оконечного каскада.[5]

Коэффициент усиления дифференциального каскада:

,

где ;

;

; ? дифференциальное сопротивление коллектора .

Так как в цепи эмиттера и базы отсутствуют внешние сопротивления, то учитываются лишь внутренние, поэтому . C учетом небольших значений токов , , , , обычно составляет несколько мОм, и его значение задано.

Окончательно коэффициент усиления дифференциального каскада:

.

Коэффициент усиления предоконечного каскада:

,

где ;

, то есть определяется аналогично . .

Оконечный каскад не усиливает напряжение:

.

Заключение

Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры, такие как коэффициент усиления, выходная мощность, чувствительность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивление и другие.[6]

В спроектированном и рассчитанном выше устройстве согласно условию . Было найдено значение . Расчетное значение коэффициента усиления незначительно меньше заданного.

Список использованной литературы

1. Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. - М.:

2. Радио и связь, 1984. - 88 с., ил. - (Массовая библиотека. Вып. 1079).

3. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное пособие:

4. Транзисторы биполярные и полевые, диоды, варикапы, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы. А.И. Аксенов, А.В. Нефедов.-Москва, «Солон-Р»,2000.

5. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. А.Б. Гицкевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.

6. Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой мощности: А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова.- М.: Радио и связь, 1989.

7. Проектирование электронных устройств: Учебное пособие. Р.Х.Шакирова, Т.Ю. Гатиатулина, О.Е. Данилин; УГАТУ.-Уфа, 2007.

8. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. В.Г.Гусев, Ю.М. Гусев. -3-е издание, переработанное и дополненное.-М.: Высш. шк.,2004.

Приложение А

Размещено на Allbest.ru