Расчет дифференциального каскада с транзисторным источником тока

5

Оглавление

Техническое задание

Введение

Расчёт принципиальной электрической схемы по постоянному току

Заключение

Список литературы

Приложения

Техническое задание

Рассчитать дифференциальный каскад с транзисторным источником тока:

преобразовать принципиальную электрическую схему так, чтобы в ней остались только элементы, влияющие на режим работы по постоянному току;

выбрать активные компоненты;

выбрать напряжение источника питания;

выбрать положения рабочих точек на характеристиках активных компонентов;

рассчитать цепи схемы по постоянному току;

выбрать номиналы и типы рассчитанных пассивных компонентов;

рассчитать потребляемые усилителем ток и мощность;

составить перечень элементов и изобразить их конструкции и расположения выводов.

Транзисторы типа p-n-p.

Изменение входного тока I_вх = 20 мкА.

Принципиальная электрическая схема:

5

Введение

Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним. Если на оба входа подать одинаковое (синфазное) напряжение, то усиление будет чрезвычайно мало. Дифференциальный усилительный каскад не усиливает синфазный сигнал.

Дифференциальный каскад состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору R_э.

5

Каскад абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных полярностей ЅДU_ВХ. В результате ток одного транзистора увеличится на ДI_К, а другого на столько же уменьшится. При этом результирующий ток через резистор R_Э останется без изменения. Постоянным будет и падение напряжения на нем.

Если входное напряжение изменить только на одном входе на ДU_ВХ, то это приведёт к изменению тока через соответствующий транзистор. Если бы транзистор VT2 отсутствовал, транзистор VT1 был бы включен по схеме с ОЭ и ток в его цепи изменился бы на 2ДI_K. При этом падение напряжение на R_Э увеличилось бы на ДU'_Rэ

Но увеличение падения напряжения на резисторе R_Э приведёт к уменьшению разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 и ток его уменьшится, причём изменение тока транзистора VT2 будет таково, что приращения напряжений эмиттер - база обоих транзисторов будут одинаковы. Следовательно, при увеличении U_ВХ1 на ДU_ВХ потенциал эмиттера увеличится на ДU_ВХ/2 что эквивалентно увеличению тока через резистор R_Э на ДI_K. При этом приращение напряжения база - эмиттер для транзистора VT1 равно ДU_ВХ/2 и - ДU_ВХ/2 для транзистора VT2. Ток каждого плеча изменится на ДI_K. Очевидно, что независимо от того, как на вход каскада подаются напряжения, токи транзисторов в первом приближении меняются одинаково.

Коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскада при холостом ходе определяется как отношение разности выходных напряжений к разности входных:

K_U = (U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2)/( U_ВХ1 - U_ВХ2)

Расчёт принципиальной электрической схемы по постоянному току

Напряжение питания каскада Е_п 6 В (выбор Е_п обосновывается позже).

Изменение входного переменного тока каскада I_вх 20 мкА

Преобразовывать принципиальную электрическую схему резисторного каскада не нужно т.к. все элементы влияют на режим работы по постоянному току.

Так как каскад дифференциальный, то его можно разделить на две части:

Каскад 2 будет зеркальным отображением каскада 1 поэтому достаточно рассчитать каскад 1, но с учётом того, что на коллектор VT2 поступает удвоенный ток эмиттера VT1.

Выбираем тип транзистора VT1. Для нормального режима работы транзистора необходимо выполнение условий:

U_{кэ макс} > Е_п

I_б = (1,5…2) I_вх

Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы при изменении входного тока транзистор не входил в режим запирания.

P_{к макс} > P_к0

Где U_{кэ макс} - максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;

I_б - ток базы в отсутствии сигнала;

P_{к макс} - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;

P_к0 - мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочей точке.

Этим условиям соответствует транзистор ГТ310А со следующими параметрами:

U_{кэ макс} = 10 В

6 В < 10 В

P_{к макс} =20 мВт

( все условия проверяются позже).

Входная и выходная статистические характеристики транзистора ГТ310А приведены на рис. 1. На семействе выходных статистических характеристик проводим линии U_{кэ макс}, I_{к макс} и P_{к макс}, ограничивающие область нормальной работы транзистора.

Определяем величину тока базы (с учётом того, чтобы при изменении входного сигнала транзистор не попадал в режим отсечки)

I_б = 2•¦I_вх¦ = 40 мкА

Для определения положения рабочей точки на семействе выходных статистических характеристик нужно задать U_кэ01. Разумно брать U_кэ01 минимальным т.к. тогда затраты на работу усилителя минимальны. Т.к. брать U_кэ01 < 1 В бессмысленно, при таком напряжении транзистор находится в нестабильной области, а мы ещё и имеем изменение входного тока. Поэтому возьмём U_кэ01 равным 2 В.

U_кэ01 = 2 В

Тогда

I_к01 = 1,9 мА I_э1 = I_к01 + I_б1 = 1,9 мА + 0,08 мА = 1,98 мА

Ток коллектора транзистора VT2 (рис. 2) будет равен удвоенному току эмиттера VT1.

I_к2 = 2•I_э1 = 2·1,98 мА = 3,96 мА

Напряжение между эмиттером и землёй транзистора VT1 рекомендовано считать (0,3…0,4) Е_пт (см [6], ст 10). Возьмём его равным 0,4 Е_пт.

Теперь следует выбрать Е_п. Оно должно быть как можно меньше, чтобы не рассевалась лишняя мощность. Минимальное подходящее стандартное Е_п=6В т.к. если взять Е_п=5 В то 5·0,4 = 2 В и падение напряжения на резисторе R₄ равно нулю т.к. 0,4·Еп - Uкэ02 = 2 В - 2 В = 0 В

U_эз = 6•0,4 = 2,4 В

Тогда точка на прямой U_кэ (рис. 1) будет равна падению напряжения на VT1 и R3, а так как мы знаем U_эз то:

U_к1' = Е_п - U_эз = 6 В - 2,4 В = 3,6 В

I_к' < I_{к макс} (по графику нагрузочной прямой рис. 1)

Из графика видно, что при любом заданном изменении входного тока транзистор не выходит за эксплуатационные пределы.

Падение напряжения на резисторе R3 равно:

U_R3 = E_пт - U_эз - U_кэ = 6 В - 2,4 В - 2 В = 1,6 В

Соответственно R3 = U_R3/I_K0 = 1,6 В/(1,9•10^-3) А= 842 Ом

Так же рекомендовано взять ток делителя равный пяти токам базы (см [6], ст 10):

I_б1 = 40 мкА

I_R1 = 6•I_б1 = 0,24•10^-3 А I_R2 = 5·I_б1 = 0,2·10^-3 А

Напряжение на резисторе R2 равно:

U_R2 = U_эз + U_эб1 =2,4 В + 0,28 В = 2,68 В

т.к. U_эб1 = 0,28 В (по графику рис. 1)

Тогда R2 = U_R2/I_R2 = 2,68 В/0,2·10^-3 А = 13,4 кОм

R1 =(E_пт - U_R2)/I_R1= (6 В - 2,68 В)/0,24·10^-3 А = 13,8 кОм

Напряжение на резисторе R4 равно:

U_R4 = 0,4·E_пт - U_кэ2 = 2,4 В - 2 В = 0,4 В

I_б2 = 0,08 мА (по графику рис. 2)

I_э2 = I_к2 + I_б2 = 3,96 мА + 0.08 мА = 4,04 мА

R4 = U_R4/ I_э2 = 0,4 В/4,04·10^-3 А = 100 Ом

По графику входных статистических характеристик:

I_б2 = 80 мкА I_R8 = I_б2 = 80 мкА

Напряжение на резисторе R8 равно:

U_R8 = E_пт - U_бэ2 - U_R4 = 6 В - 0,3 В - 0,4 В = 5,3 В

R8 = U_R8/I_б2 = 5,3 В/80·10^-6 В = 66 кОм

Расчёт мощностей используемых элементов.

Мощность транзистора VT1 в рабочей точке:

P_к0 = I_к0•U_к0 = 3,8 мВт

Условие P_{к макс} > P_к0 выполняется.

Мощность транзистора VT1 в рабочей точке:

P_к0 = I_к0•U_к0 = 7,92 мВт

Условие P_{к макс} > P_к0 выполняется.

Мощности резисторов:

P_R1 = I_R1•U_R1 = 0,8 мВт

P_R2 = I_R2•U_R2 = 0,54 мВт

P_R3 = I_R3•U_R3 = 0,42 мВт

P_R4 = I_R4•U_R4 = 1,62 мВт

P_R8 = I_R8•U_R8 = 0,42 мВт

Потребляемая мощность равна

P_П = I_П•E_П = (I_R1+ I_R3+ I_R5+ I_R6+ I_R8)•E_П = 26,2 мВт

Так как элементы R1 и R2, R3 и R5, VT1 и VT3 соответственно равны, то равны и все их параметры.

Заключение

Рассчитанный в данной работе дифференциальный усилитель имеет ряд преимуществ перед базовым (рассмотренным во введении) дифференциальным усилителем. Более стабильный источник тока т.к. ток подаётся через транзистор VT2. Наличие делителя тока делает усилитель стабильным при высоких и низких температурах. И вместе со всеми преимуществами усилитель потребляет сравнительно малую мощность что позволяет использовать маломощные элементы.

Список литературы

Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Э. Т. Романычевой. 2-е изд., и доп. М.: Радио и связь, 1989 448с.

Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1977 360с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. М.: Радио и связь, 1989. 656с.

Резисторы: Справочник / Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. М.: Радио и связь, 1987 352с.

Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь. 1989 400с.

А. В. Некрасов. Методические указания к курсовой работе по курсу электроника.

Приложения