Расчет УПТ

1. Цели и задачи курсового проекта

 

Данный курсовой проект является закреплением теоретического материала и развития навыков практического расчета.

Материалы содержат части: теоретическую, расчетную, варианты задания, контрольные вопросы, приложение.

Рассматриваются усилители постоянного тока: назначение, схемное решение, характеристики и параметры, принципиальные особенности, меры борьбы с дрейфом нуля. Приводится методика расчета усилителей постоянного тока параллельного баланса на иллюстрирующем примере. Контрольные вопросы в достаточной мере охватывают содержание материала. В приложении приводятся параметры и характеристики нескольких транзисторов.

 

2. Содержание курсового проекта

 

2.1. Теоретическая часть

 

2.1.1 Общие сведения

Определение.  Усилителями постоянного тока (УПТ) называются электронные устройства, предназначенные для усиления за счет энергии вспомогательного источника питания медленно изменяющихся или постоянных по амплитуде сигналов с одинаковым коэффициентом усиления и применяемые при усилении слабых от разнообразных датчиков сигналов инфразвуковых частот, а также при электронном моделировании.

Частотная характеристика УПТ – зависимость коэффициента усиления  К от частоты усиливаемого сигнала показана на рис.1.

Требования к УПТ:

1. В отсутствии входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал.

2. При изменении знака входного  сигнала должен изменять знак  и выходной сигнал.

3. Напряжение на нагрузочном  устройстве должно быть прямо  пропорционально выходному напряжению.

 

Особенности УПТ:

1. Частотный диапазон усиливаемого сигнала, называемый полосой пропускания, имеет нижнюю границу, равную нулю.

2. Могут использоваться с гальванической  межкаскадной связью несколько  каскадов УПТ (входной, оконечный  и несколько промежуточных).

3. Отсутствуют реактивные элементы как элементы способные обеспечить удовлетворительную передачу усиливаемого сигнала от одного каскада к другому. Это обстоятельство усиление как полезного сигнала, так и сигнала помехи.

4. Наличие дрейфа нуля.

5. Можно воспроизводить на выходе только те сигналы, напряжения у которых значительно больше напряжения дрейфа, то есть

 

UВХ >> UДР.

 

2.1.2 Дрейф нуля

Дрейф нуля УПТ – это процесс изменения выходного напряжения UВЫХ или тока в нагрузке IH при отсутствии или неизменном уровне входного сигнала UВХ (рис.2). Другими словами: дрейф нуля заключается в том, что с течением времени могут изменяться токи транзисторов и напряжение на их электродах. Дрейф нуля оценивают   или напряжение дрейфа UДР, или относительным током дрейфа D IДР в нагрузке.

рис.1    Частотная характеристика УПТ

 

 

                                    а)                                             б)

 

рис.2    К пояснению дрейфа нуля УПТ

а) схема измерения дрейфа нуля.

б) график изменения тока в нагрузке при отсутствии  напряжения на входе УПТ

 

 

Напряжение дрейфа – это изменение выходного напряжения за единицу времени при неизменной, либо равной нулю (закороченный вход), величине усиливаемого сигнала.

                                      

при UВХ = 0,

где UДР MAX и  UДР MIN - входные напряжения соответственно в момент времени t1  и  t2 (рис.2); KU – коэффициент усиления УПТ по напряжению.

Относительный ток дрейфа оценивают по типовым зависимостям обратного тока коллекторного перехода от температуры окружающей среды, приводимых в справочниках.

                                         DIКБО = IКБО (Т02) - IКБО(T01),                   (1)   

       

где T02,  T01 – конечный и начальный диапазоны температур. Дрейф нуля УПТ поясняется рисунком 2.  Причинами дрейфа нуля являются : изменение из-за старения характеристик и параметров транзисторов, нестабильность напряжения источников питания, изменение температуры окружающей среды.

Меры борьбы с дрейфом нуля:

1. Стабилизация напряжения источников  питания, стабилизация температурного режима и тренировка транзисторов.

2. Использование дифференциальных  балансных схем УПТ.

3. Преобразование усиливаемого  напряжения.

 

2.1.3 Принцип работы и  назначение элементов УПТ

Принцип работы УПТ рассмотрим на примере схемы параллельного баланса (рис.3). Такие схемы чаще применяются в первых каскадах усиления, где существует наибольшая опасность дрейфа, построены они по принципу четырехплечного моста (рис.4). Мост имеет четыре плеча с сопротивлениями R1, R2, R3, R4 и две диагонали: в одну диагональ включен источник  EK, в другую – нагрузка RН.

Условие равновесия (сбалансирования) моста:

 

                                  R1 R3 = R2 R4   или   R1/ R2 = R4/ R3               (2)

 

Это условие означает, что даже при изменении EK или RН, или при пропорциональном изменении сопротивлений плеч баланс не нарушается, и ток в нагрузочном резисторе RН будет равен нулю. Если сопротивление плеч R1 и R4 (рис.4) – электрическим цепями А и В с транзисторами VT1 и VT2 (рис.3), а элементы  EK и RН оставить без изменения, то получим схему УПТ параллельного баланса, в которой должно выполняться условие (2) равновесия моста. Однако дрейф нуля, обусловленный уже указанными причинами и в первую очередь изменением характеристик и параметров транзисторов, в полученной балансной схеме УПТ уменьшается за счет встречного направления тока дрейфа двух усилительных каскадов, работающих на общую нагрузку RН. Изменение тока в нагрузке, вызванное дрейфом транзистора VT1

 

и дрейфом транзистора VT2

,

где DIK1, DIK2 – изменение токов в цепях коллекторов транзисторов, определяется их встречным направлением.

 

рис.3   Схема УПТ параллельного баланса

 

рис.4  Схема четырехплечного моста без дрейфа нуля

 

Для симметричной схемы, что имеет место в схем (рис.3), когда

RK1= RK2= RK,

                  

                                         

                                      (3)    

R'2 >RK1  и  R''2 > RK2 ,

 

полное изменение тока в нагрузке за счет дрейфа

                          

,                    (4)

 

Из (4) видно, что полное изменение тока в нагрузке будет определяться разностью токов транзисторов, а она значительно меньше, чем в схеме УПТ прямого усиления. Поскольку с изменением температуры токи идентичных транзисторов VT1 и VT2 изменяются одинаково, то получится идеальная компенсация дрейфа, что должно бы быть справедливо для симметричной схемы. Однако на практике реализация балансных УПТ н дискретных транзисторах все же приводит к некоторой асимметрии схемы, поэтому напряжение дрейфа на выходе каскада УПТ полностью не исчезает. Для обеспечения дополнительной симметрии схемы вводят сопротивление R0, которое обуславливает постоянство потенциалов эмиттеров при отклонении токов транзисторов. 

 

Назначение элементов и электрические величины в схеме:

 

UBX                       - напряжение входного усиливаемого сигнала;

UBЫX                     - напряжение выходного усиленного сигнала (напряжение на нагрузке);

ЕК                           - источник питания транзисторов, за счет расхода энергии которого происходит усиление сигнала по мощности;                            

VT1,VT2             - биполярные транзисторы n-p-n структуры, выполняющие функции усилительных элементов, с помощью которых осуществляется процесс усиления, то есть усиление сигнала за счет энергии источника ЕК по закону изменения входного сигнала UBX;                             

R K1= R K2= R K     - резисторы в цепи коллектора. Обеспечивающие расчетный режим работы транзисторов по коллекторным токам и напряжениям;                          

R1=R'1=R''1          - резисторы в цепях база-эмиттер (резисторы обратной связи), обеспечивающие напряжение смещения на базах транзисторов для установления на характеристиках координаты рабочей точки (точки покоя) по напряжению;                          

R2= R'2=R''2          - резисторы в цепях база-коллектор транзисторов (резисторы обратной связи), обеспечивающие токи смещения через базы транзисторов для установления на характеристиках координаты точек покоя по току;

R1, R2                   - резисторы делителя напряжения;

RЭ=R'Э=R''Э          - резисторы в цепи эмиттера, обеспечивают стабилизацию точки покоя;

R0                         - резистор в эмиттерных цепях транзисторов, обеспечивает дополнительную симметрию схемы за счет постоянства потенциалов эмиттеров при отклонении токов транзисторов;

 RH                       - сопротивление нагрузки, подключаемое на выходе УПТ.                             

 

2.2 Постановка задания и его варианты

 

Для выданного варианта задания по исходным техническим данным (табл.1) начертить и рассчитать принципиальную схему УПТ параллельного баланса.

 

 

Основными расчетными параметрами схемы УПТ являются:

DIДР РАС                            - относительный дрейф нуля;

                             - координаты рабочей точки по  току и напряжению на характеристиках выбранных транзисторов;

•                     - коэффициент дрейфа;

                              - стандартные значения сопротивлений  резисторов  схемы;

IД                           - ток в цепи делителя;

RВХ                        - входное сопротивление УПТ;

KU                         - коэффициент усиления по напряжению;

KI                          - коэффициент усиления по току.

 

Соотношение этих и выбранных параметров транзисторов, а также задаваемых исходных данных приводятся в примере иллюстрирующего варианта 

Рассчитать УПТ параллельного баланса по следующим техническим данным:

DIДР =25 мкА, RH = 4 кОм, ЕК = 36 В, IK MAX = 12 мА, UBX MAX = 1 В,

PВЫХ.MAX = 110 мВт, T0MAX  = +750С, T0MIN = 200С

                                  Решение

 

 

Схема УПТ параллельного баланса

1. Выбираем два однотипных кремниевых низкочастотных транзистора, исходя из заданных ЕК  и UBX MAX

UКЭ MAX > EK  ,  то есть UКЭ MAX>36 В

PK MAX > PВЫХ.MAX  ,  то есть PK MAX >110 мВт

а так же имеющих минимальный относительный дрейф нуля в заданном диапазоне температур окружающей среды.

Параметры		КТ203А
Термин	Буквен. обозн.
Коэффициент передачи тока	h21Э	≤ 9
Входное сопротивление	h11Б, Ом	≤ 300
Обратный ток коллектора	IКБО, мкА	≤ 1
Максимальное (допустимое) напряжение коллектор-эмиттер	UКЭMAХ, В	60
Максимальное (допустимое) напряжение база-эмиттер	UБЭ MAX, В	30
Максимальный ток коллектора	IК МАХ, мА	50
Максимальная рассеиваемая мощность коллектора	PК МАХ, мВт	150

3. Рассчитаем режим покоя и определим координаты рабочей точки на семействе выходных характеристик транзистора

Входные и выходные характеристики транзистора КТ 203А

3.3 Определим рабочую область допустимых изменений параметров транзистора.

Построим линию нагрузки линейного сопротивления RK в цепи коллектора по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода и короткого замыкания.

IK = 0,   UK = ЕК.

 

UK = 0;   IK = ЕК / RK.

 

IK < (IK MAX =12мА);

       Для заданных  вариантов расчетов будем принимать 

 

 IK » 0,7 IK MAX.

Следовательно

RK > (ЕК / IK MAX = 36/0.012),

 

то есть RK >3 кОм. Рекомендуется RK выбирать:

 

RK = (1¸ 1,5) ЕК / IK MAX.

Примем RK = 3,75  кОм. Тогда в цепи коллектора

 

IK = ЕК / RK =36/3,75∙10³=9,6мА

Окончательно имеем координаты точки:

UK =0; IK =9,6мА

Определить координаты рабочей точки П (точки покоя)

Точка П определяется как точка, соответствующая средине линейного участка переходной характеристике:

                          IБП =0,8мА                IКП =5мА

на линии нагрузки:

IКП =5мА UКП =16В

Таким образом режим покоя обеспечиваеться координатами приведенными выше

Вычислим стандартные номиналы резисторов и коэффициенты, характеризующие рассчитываемого УПТ.

4.  Коэффициент стабилизации  дрейфа 

Практически S принимает значения от 2 до 7.

 

 

5. Сопротивление в цепи  база коллектор

Рассчитывается с учетом сопротивления нагрузки RH в схеме УПТ опосредованно через коэффициент S, то есть

(стандартное значение R2 =20 кОм)

6.Ток в цепи делителя  напряжения R1,R2

Выбирается

IД = (2¸5) IБП .

Примем IД = 3 IБП =3∙0,8=2,4 мА

7. Напряжение в цепи  эмиттера в режиме покоя

Выбирается

UЭП = (0,1¸0,3)ЕК.

Примем UЭП = 0,2 ЕК  = 0,2∙36=7,2 В

8.Сопротивление смещения  по напряжению в цепи базы

 кОм.

(стандартное значение R1 =3,4кОм) 

9.Сопротивление в цепи эмиттера  вычислим из выражения (12), приняв

 

h21 =  50

(стандартное значение RЭ =1,4кОм)

10.Сопротивление R0

Обычно набирается

R0 = (1¸3) rБ

Примем R0 = 2 × rБ =2∙50=1000 Ом

 

 

 

11. Эквивалентное сопротивление  нагрузки в цепях коллекторов  обоих транзисторов можно рассматривать  как параллельное соединение  резисторов:

RK ççRH.

RН.ЭКВ кОм

12. Входное сопротивление  каскада без учета R1

13. Входное сопротивление  схемы УПТ.

кОм

14. Коэффициент усиления по напряжению

15. Коэффициент усиления по току