Усилитель постоянного тока

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

НГТУ

 

Кафедра КТРС

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Основы схемотехники»

 

 

 

«Усилитель постоянного тока»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:     Проверил: Данилов С. В.

Студент: Котенёва Л. В.

Группа: РКС10-21

Дата: 24.12.04

 

 

 

 

 

 

Новосибирск

2004

 

Введение.

Усилители постоянного тока широко применяются в технике измерений, медицине и других областях, где необходимо усиливать медленно изменяющиеся сигналы. Их главной особенностью является гальваническая связь между элементами, нагрузкой и источником сигналов, т.е. в схеме отсутствуют разделительные и блокирующие конденсаторы.

Во всех измерительных вычислительных и других схемах, за исключением  некоторых специальных применений, к усилителям постоянного тока предъявляются требования стабильности заданного значения коэффициента передачи в широком диапазоне частот, начиная от частоты f→0, при большом линейном динамическом диапазоне выходных сигналов в условиях значительных изменений нагрузки.

 

 

Исходные данные:

Коэффициент усиления УПТ: K_u = 10000

Полоса пропускания:   Δf = 1МГц

Источник питания:   Е_п = ±12 В

Сопротивление нагрузки:  R_н = 100 Ом

Ж.

Принципиальная схема.

Рис. 1. Схема электрическая  принципиальная.

На транзисторах Т1 и Т2 собран дифференциальный каскад (входной).

На транзисторах Т8 и Т9 – генератор стабильного тока.

На Т3 – эмиттерный повторитель.

На Т4 – схема сдвига уровня (источник постоянного напряжения).

На Т5, Т6, Т7 – выходной каскад, в  котором: Т5 включен по схеме ОЭ.

Т6 и Т7 – комплементарная пара выходных транзисторов (двухтактный эмиттерный повторитель).

 

Описание работы усилителя:

Входной сигнал, поступая на дифференциальный каскад (транзисторы Т1, Т2), усиливается по напряжению и току. Затем идёт на эмиттерный повторитель (Т3), где происходит усиление по току (К_u≈1). Источник постоянного напряжения на Т4 обеспечивает смещение уровня напряжения на некоторую постоянную величину. Каскад на Т5 обеспечивает усиление по напряжению и току. Далее сигнал поступает на выходной каскад (комплементарная пара транзисторов Т6, Т7), где усиливается по току.

Для обеспечения высокого коэффициента усиления всего усилителя выполним основные усиливающие каскады на транзисторах с большим β (КТ3102Е), вспомогательные каскады выполним на транзисторах КТ315Б. Так как величина выходной мощности не конкретизирована, то в выходном каскаде поставим маломощные и дешёвые транзисторы КТ315Б и КТ361Б.

 

Параметры транзистора КТ3102Е (на схеме это транзисторы Т1, Т2, Т5):

Статический  коэффициент усиления  тока  базы : β = 400;

Сопротивление базы транзистора:    r_б = 60 Ом;

Максимально допустимый ток коллектора:  I_{к max} = 100 мА;

Постоянная времени цепи обратной связи:  τ_к = 70 нс.

Емкость коллекторного перехода:    C_к = 4 пФ.

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер:   U_{кэ max} =25 В.

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: Р_{к max} = 250 мВт.

Выходные характеристики  Входные характеристики

Параметры транзистора КТ315Б (на схеме это транзисторы Т3, Т4, Т6):

Статический  коэффициент  усиления  тока  базы : β = 50;

Сопротивление базы транзистора:    r_б = 100 Ом;

Максимально допустимый ток коллектора:  I_{к max} = 100 мА;

Постоянная времени цепи обратной связи:  τ_к = 100 нс.

Емкость коллекторного перехода:    C_к = 7 пФ.

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер:   U_{кэ max} =30 В.

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: Р_{к max} = 150 мВт.

 

Входные характеристики  Выходные характеристики 

Параметры транзистора КТ361Б (на схеме это транзистор Т7):

Статический  коэффициент  усиления  тока  базы : β = 50;

Сопротивление базы транзистора:    r_б = 100 Ом;

Максимально допустимый ток коллектора:  I_{к max} = 50 мА;

Постоянная времени цепи обратной связи:  τ_к = 120 нс.

Емкость коллекторного перехода:    C_к = 7 пФ.

Постоянное напряжение коллектор – эмиттер:   U_{кэ max} =20 В.

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: Р_{к max} = 150 мВт.

Входные характеристики  Выходные характеристики 

 

Так как в задании нет  особых указаний на выходные параметры  усилителя, то расчёт УПТ начнём с входного каскада.

1. Расчёт входного каскада

Зададимся током генератора стабильного  тока: I₀ = 1мА; I_э(Т1) = I_э(Т2) = ½I₀.

Возьмём сопротивление генератора: R_г = 50 Ом.

 

Предположим, что первый каскад даёт усиление K_u(Т1,Т2) = 200,

тогда найдём R1 = R2:

 – формула коэффициента усиления дифференциального каскада при равенстве коллекторных нагрузок.

R1 = 20.94 кОм

Выбираем ближайший резистор из ряда Е24: R1 = R2 = 20 кОм.

U_R2 = R2•½I₀ = 10 B,

U_б(Т3) = Е_п – U_R2 = 2 В.

 

2. Расчёт выходного каскада

Выходной каскад составлен на комплементарных  транзисторах по схеме двухтактного эмиттерного повторителя.

Для обеспечения низкой величины нелинейных искажений выберем режим работы выходного каскада – АВ. Ток покоя I_к0 зададим равным 1мА, тогда базовый ток в режиме покоя:

По входной характеристике транзистора  КТ315Б определим величину U_бэ0(Т6)=0,8В. Аналогично для КТ361Б U_бэ0(Т7) = 0,7 В.

Возьмём ток делителя R6, R7 на порядок больше тока базы I _б(Т6):

I_дел. = 10•I_б(Т6) = 2мА.

Тогда:

Оба резистора соответствуют  ряду Е24.

 

3. Расчёт каскада на транзисторе Т5

Так как I_R6 » I_б(Т6) = I_б(Т7), тогда величиной базового тока транзисторов Т6, Т7 можно пренебречь, и считать, что каскад на Т5 работает на нагрузку:

R_н(Т5) = R₆ + R₇ = 5600 + 750 = 6350 (Ом)

Общий коэффициент усиления УПТ  равен: K_u = K_u(T1,T2)•K_u(T5)•K_u(T3,T4);

тогда для каскада по схеме с ОЭ имеем необходимый коэффициент усиления:

R_вх = R8 + r_б + r_э(1 + β)

r_э = ,  I_э = I_дел. , если мы пренебрегаем токами базы.

R_вых = R5║(R_вых(Т3) + R_{ист.напр.}), где R_{ист.напр.} – выходное сопротивление источника постоянного напряжения на Т4.

Положим R8 = 100 Ом, тогда:

R_вх = 100 + 60 +13·(1+400) = 5373 (Ом)

 => R_вых = 50800 – 5373 = 45,4 (кОм).

Выберем ток коллектора Т3 из условия:

I_к(Т3) = 10·I_б(Т5) = 10· ,

тогда

 

Для расчёта источника постоянного напряжения определим по входным характеристикам U_бэ(Т5), при I_б = 1мкА и U_кэ = 5 В:

U_{б(Т5) – (-Еп)} = U_бэ(Т5) + I_э·R8 = 0,55В + 2мА·100Ом = 0,75В

По входным характеристикам  транзистора Т3 определим U_бэ(Т3) при I_к = 50 мкА, U_бэ(Т3) = 0,45 В.

Тогда U_кэ(Т4) = 2Е_п – U_{б(Т5) – (-Еп)} – U_бэ(Т3) – U_R2 = 12,8 В.

Если пренебречь базовым током  Т5, то

Выберем ближайший из ряда Е24: 15 кОм.

Рассчитаем источник постоянного  напряжения на транзисторе Т4:

U = U_бэ(1+R3/R4)

U_бэ по входным характеристикам при токе I_к ≈ 40 мкА составляет 0,45 В.

При I_к(Т4) = 40 мкА, I_R3,R4 = I_э(Т3) – I_к(Т4) = 51 мкА – 40 мкА = 11 мкА.

Сопротивление делителя: .

Отсюда: R3 = 28.44·R4;

28.44·R4 + R4 = 1.164

29.44·R4 = 1.164 => R4 = 1.164/29.44 = 0,039(МОм)

R3 = 1.164 – 0.039 = 1.12(МОм)

Выбираем ближайшие из ряда Е24: R3 = 39 кОм, R4 = 1,1 Мом.

Сопротивление источника постоянного напряжения на Т4:

R_T4 ≈ R3/β_T4 = 22 кОм.

R_вых для каскада на Т5 равно:

R_вых = R5║(R_T4 + R_эТ3) = 15кОм║(22кОм + 0,9кОм) = 9,06 кОм.

Следовательно, для обеспечения  коэффициента усиления каскада на Т5, равного 50, при R_вых = 9,06 кОм, необходимо увеличить R8 до величины 36 кОм, при этом:

 

 

4. Расчёт генератора стабильного тока (ГСТ)

Возьмём простейший ГСТ, так  как особых требований к подавлению синфазного сигнала нет.

По входной характеристике КТ315Б  при токе I_б = 1 мА находим U_бэ = 0,43 В.

Из ряда Е24 ближайший: 24 кОм.

5. Расчёт верхней граничной частоты УПТ

Для дифференциального каскада (транзисторы  Т1, Т2):

τ_{вх.касада} = τ_к(Т1) + С_к(Т1)·R1 = 70нс+4·10^-12·20·10³ = 150 нс

Для схемы включения ОК (транзистор Т3):

τ_Т3 = С_к·(R5║(R3║R4)) = 7·(15║(1100║39) = 7·10,7 = 75,1 нс

Для схемы включения ОЭ (транзистор Т5):

τ_Т5 = τ_к + С_к

Для двухтактного эмиттерного повторителя:

τ_Т7 ≈ τ_Т6 = С_к

Так как τ_{вх.касада} > τ_{ост.каскадов}, то верхнюю граничную частоту определяет τ_{вх.касада}, т. е. , что удовлетворяет условию работы.

 

6. Расчёт выходной мощности

P_к0(Т6) = Р_к0(Т7) = I_к0 Е_п = 1мА·12В = 12 мВт

Р_{к max} (КТ315Б) = 150 мВт;

Р_{к max} (КТ361Б) = 150 мВт.

Р_к0 «Р_{к max}.

 

 

 

Рассчитанные значения резисторов, соответствующие ряду Е24:

R1 = 20 кОм;

R2 = 20 кОм;

R3 = 1,1 МОм;

R4 = 39 кОм;

R5 = 15 кОм;

R6 = 5,6 кОм;

R7 = 750 Ом;

R8 = 36 кОм;

R9 = 24 кОм.

 

Содержание:

Введение           2

Задание, исходные данные, принципиальная схема    3

Описание работы усилителя, параметры транзисторов    4

1. Расчёт входного каскада       6
2. Расчёт выходного каскада       6
3. Расчёт каскада на транзисторе Т5      8
4. Расчёт генератора стабильного тока (ГСТ)    10
5. Расчёт верхней граничной частоты УПТ     10
6. Расчёт выходной мощности       11

Рассчитанные значения резисторов, соответствующие ряду Е24  11

 

 

Список литературы.

1. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника: учебник. – М.: Высшая школа,1991.
2. Ю. А. Быстров, И.Г. Мироненко.Электронные цепи и устройства: учебное пособие. – М.: Высшая школа,1989.
3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения:Справочник/Под ред. Перельмана Б. Л. – М.: Радио и связь, 1981.
4. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Под ред. Горюнова Н. Н. – М.:Энергоатомиздат, 1986.
5. Конспект лекций по дисциплине «Основы схемотехники». В. С. Данилов.