Министерство  образования РФ

ПЕНЗЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

«Усилитель постоянного тока»

пояснительная записка к курсовой работе по курсу:

«Схемотехника АЭУ»

                                                                                      Выполнил: студент гр. 05РР1

                                                                                                          Каретников Д.С.

                                                                             Проверил преподаватель:

                                                                                                  Волков С.В. 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза 2008

Содержание: 
 
 

     1. Техническое задание…………………….……….………....……3 

     2. Введение………………….…..………………………………....…4 

     3. Определение числа каскадов, выбор структурной схемы.....6 

4. Принцип расчета дифференциального каскада………..….....7 

     5. Выбор транзисторов……………………………………….....…13 

6.  Расчет оконечного  каскада с общим эмиттером…………..15 

7.  Расчет схемы перехода………………………………………...17 

     8. Расчет входной цепи – дифференциального каскада………20 

     9. Перечень элементов……………………………………..………24 

     10. Разводка платы и сборочный чертёж………………..………25 

     11. Список литературы………………….……..……………..…...26

 

1. Техническое задание. 

1. Выходное напряжение……………………….………….………....10 В 

2. Коэффициент усиления по напряжению…………………...……..150 

3. Сопротивление нагрузки……………………………….………..1 кОм 

4. Выходное сопротивление источника сигнала……………..…2 кОм 

5. Диапазон температур окружающей среды……….…....-10…+40 ˚С

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Введение. 

          Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

          Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т. д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

          При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

          Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэ0 и β. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс.

          Абсолютным дрейфом нуля , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя: = . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу. Величина едр ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

          В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор RЭ большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален Sнс, то величина едр оказывается независимой от Sнс. Минимального значения едр можно достичь за счет снижения величин Rэ, Rб и Rr. При этом для кремниевых УПТ можно получить Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

          Следует подчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетворительной только при превышении минимальным входным сигналом величины Сдр. Поэтому основной задачей следует считать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя.

          С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использованы следующие способы: применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов, преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

 

3. Определение числа  каскадов и выбор  структурной схемы. 

      Для того чтобы получить коэффициент усиления 150, и согласовать выходное сопротивление источника сигнала, а также обеспечить температурную стабильность, достаточно использовать дифференциальный каскад, схему перехода и каскад на транзисторе с общим эмиттером.

      Усилитель состоит из трёх каскадов, содержит источник сигнала,  один источник  питания и сопротивление нагрузки. Структурная схема устройства имеет вид, приведенный на рис.1.  

рис. 1 

      Первый  усилительный каскад представляет собой  дифференциальный каскад. Выбор его обусловлен тем, что его входное сопротивление много больше, чем сопротивление источника сигнала, что позволяет без потерь передать сигнал от источника на вход следующего каскада усилителя. Также используется ГСТ, для повышения стабильности. 

      Далее для согласования дифференциального каскада с каскадом на ОЭ применяем схему перехода.

      Для предотвращения перегрузки усилительных элементов при возрастании амплитуды  сигнала обычно вводят регулировку  усиления в одной из цепей усилителя. В данном УПТ применяем потенциометрическую регулировку в схеме на ОЭ.

      Оконечный каскад представляет собой каскад по схеме с ОЭ, необходимый для  получения на выходе УПТ заданного  коэффициента усиления по напряжению, согласования с нагрузкой, а также  для усиления тока.

 

4. Принцип расчета дифференциального каскада. 

      Для уменьшения дрейфа в УПТ применяют  дифференциальную схему (рис. 2), называемую также дифференциальным усилителем (ДУ). ДУ обеспечивает высокое усиление дифференциального входного сигнала Uвх.д , приложенного между входами каскада, и практически не усиливает (при большом значении Rэ) синфазный сигнал, одинаковый на обоих входах. Как известно, в ДУ для подавления синфазного сигнала Uвх.сф используется принцип уравновешенного моста. Резисторы Rк1=Rк2=Rк, и транзисторы Т1, Т2, параметры которых должны быть идентичными, образуют плечи моста. В одну диагональ моста включено напряжение питания Ек1+Ек2, с другой диагонали снимается выходное напряжение. В случае идеальной симметрии моста одинаковое и одновременное изменение токов и напряжений транзисторов не приводит к появлению выходного напряжения. На этом принципе основаны подавление Uвх.сф, компенсация влияния нестабильности источника питания или температуры.

рис.2 

Для дифференциального  сигнала, подаваемого симметрично  на вход ДУ (средняя точка генератора Uвх.сф заземлена), ДУ представляет собой два каскада ОЭ, объединенных общим эмиттерным резистором Rэ. Так как при приложении сигнала между входами токи транзисторов Т1 и Т2 меняются в противоположном направлении, через резистор Rэ протекает постоянный по значению ток 

если

      Следовательно, резистор Rэ, не влияет на усиление дифференциального сигнала. 

      Эквивалентная схема половины ДУ для случая усиления Uвх.д изображена на рис. 3. Здесь на вход подается половина усиливаемого сигнала, а с выхода снимается половина выходного напряжения. Из эквивалентной схемы можно получить основные расчетные соотношения для ДУ. Коэффициент усиления дифференциального входного сигнала

рис.3 

  (1) 
 

      Здесь  Rвх.пл - входное  сопротивление  половины  ДУ  (плеча схемы), являющееся входным  сопротивлением каскада ОЭ, равное: 

Rвх.пл = r6 + (rэ  + Rэ') (βэ + 1) 

  Дифференциальное входное сопротивление ДУ, измеренное между входами транзисторов T1 и Т2, 

 

      Выходное  сопротивление одной половины ДУ и дифференциальное выходное сопротивление ДУ, измеренное между коллекторами транзисторов Т1 и T2, Rвых.д = 2Rк. Коэффициент усиления по току 

 

      При подаче синфазного входного сигнала  потенциалы баз и коллекторов  транзисторов ДУ меняются одинаково, вследствие чего в идеально сбалансированной схеме напряжение Uвых, снимаемое между коллекторами транзисторов, равно нулю. При разбалансе схемы, что всегда имеет место в реальных ДУ, между коллекторами транзисторов (симметричный выход) появляется напряжение, равное:

    (2)

где — возможный разбаланс параметров схемы ДУ.

      Для уменьшения напряжения необходимо увеличивать величину сопротивления резистора Rэ, что достигается включением в общую эмиттерную цепь транзисторов Т1 и Т2 каскада на транзисторе Т3, выходное сопротивление которого рис.3 увеличено за счет введения местной отрицательной обратной связи (ООС) через резистор R3. Коллекторный ток транзистора T3 задается делителем в цепи базы с термокомпенсирующим диодом Д. Цепь, включенная в общей эмиттерной цепи транзисторов Т1, Т2, получила название генератора стабильного тока (ГСТ).  Коэффициент усиления KUд схемы по рис. 4 практически не зависит от способа включения Uвх.д, т. е. КUд один и тот же как при симметричной подаче сигнала (средняя точка Uвх.д заземлена), так и при несимметричной (сигнал подан на один из входов ДУ, а второй вход заземлен). В ДУ с ГСТ сопротивление резистора Rэ, в формулах (2) - (5) должно быть заменено дифференциальным выходным сопротивлением каскада на транзисторе Т3, подсчитанным с учетом местной отрицательной обратной связи, а именно: