Усилитель постоянного тока

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 КТ3102 В. 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 КТ207 В. 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.

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