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
Ku Uвых, B 
,
мА
,
мА,
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.
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.:
. Радио и связь, 1984. - 88 с., ил. - (Массовая библиотека.
Вып. 1079).
. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное
пособие:
. Транзисторы биполярные и полевые, диоды, варикапы,
стабилитроны и стабисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы. А.И. Аксенов,
А.В. Нефедов.-Москва, «Солон-Р»,2000.
. 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.
. 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.
. Проектирование электронных устройств: Учебное пособие.
Р.Х.Шакирова, Т.Ю. Гатиатулина, О.Е. Данилин; УГАТУ.-Уфа, 2007.
. 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
