Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиотехнических систем (РТС) УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА пояснительная записка к курсовому проекту по курсу "Схемотехника аналоговых электронных устройств" Выполнила студентка гр. 126-1 ________ Семчанкова К.В. «____» ___________2019 г. Руководитель проекта: Кандидат технических наук, доцент _______ Шарыгина Л.И. «____» ___________2019 г. Томск 2019 2 Реферат Пояснительная записка к курсовому проекту, 34 страницы, 6 таблиц, 3 источника, 13 рисунков, 1 приложение. УСИЛИТЕЛЬ КОЛЛЕКТОРА, ПОСТОЯННОГО ТОК ТОКА, ДЕЛИТЕЛЯ, СОПРОТИВЛЕНИЕ РАБОЧАЯ ТОЧКА, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД, РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ Целью курсового проектирования является овладение методикой преодоления указанных трудностей, предусматривающее расширение и закрепление теоретических знаний, полученных при изучении курса “Схемотехника аналоговых электронных устройств” и смежных с ним курсов, более глубокое изучение моделирования усилительных каскадов. В ходе работы было использовано следующее программное обеспечение: MathCAD 2015, Microsoft Word 2016, Microsoft Excel 2016, Electronics Workbench 5.8, Electronics Workbench 4.0. Курсовой проект состоит из расчета усилителя, моделировании трехкаскадного усилителя и введении регулировки усиления с целью оценки влияние ее на полосу пропускания усилителя. 3 Техническое задание Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР) Кафедра радиотехнических систем (РТС) УТВЕРЖДАЮ: Заведующий каф. РТС __________ С.В. Мелихов « »__________2018 г. ЗАДАНИЕ на курсовой проект: Тема проекта: УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Выдана студенту, Семчанковой Ксении Вячеславовне, группа: 126-1, факультет: РТФ На транзисторах 2N2907 и 2N2714 соберите трехкаскадный усилитель постоянного тока на биполярных транзисторах. Принципиальная схема трехкаскадного усилителя постоянного тока прямого усиления Рассчитайте усилитель, обеспечив выходное напряжение не менее 2,5 В. 4 Оглавление Техническое задание .................................................................................... 3 1 Введение ................................................................................................ 5 2 Характеристики транзистора .............................................................. 7 3 Моделирование усилителя в Electronics Workbench ...................... 13 3.1 Расчет схемы трехкаскадного усилителя с однополярным питанием 13 3.2 Расчет трехкаскадного усилителя с двухполярным питанием ...... 19 3.3 Переход к дифференциальному каскаду ......................................... 22 3.4 Исследование регулировки усиления .............................................. 25 4 Заключение ......................................................................................... 31 Источники литературы............................................................................... 33 Приложение А Карта напряжений ............................................................ 34 5 1 Введение Целью данного курсового проекта является рассчитать трехкаскадный усилитель постоянного тока с целью обеспечения одинакового режима работы всех каскадов. В полученной расчетной схеме необходимо каскады заменить дифференциальными каскадами, обеспечить выходное напряжение не менее 2,5 В. и ввести регулировку усиления с целью оценки ее влияния на полосу пропускания усилителя. В данной работе рассматривается усилитель постоянного тока. Данный усилитель, предназначен для усиления сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Связь такого усилителя с нагрузкой, с источником сигнала и межкаскадные связи должны быть непосредственными, т.е. в качестве элементов согласования усилительных каскадов не могут быть применены реактивные элементы (трансформаторы и конденсаторы), поскольку это обеспечило бы амплитудно-частотную характеристику, у которой KU = 0 при f = 0. Режим покоя каждого из каскадов усилителя определяется не только параметрами элементов собственного каскада, но и режимами покоя предыдущих и последующих каскадов усиления. При расчете схема усилителя должна быть проанализирована в целом. В результате данного курсового проекта необходимо выполнить ряд заданий, а именно: • Рассчитать усилитель, обеспечив одинаковый режим всех каскадов; • Обеспечить выходное напряжение не менее 2,5 В; • Выбрать питание не менее 15 В; • Составить расчетную карту напряжений; • Заменить каскады на дифференциальные каскады; 6 • Ввести регулировку усиления; • Провести оценку влияния регулировки усиления на полосу пропускания усилителя. Задачи данного курсового проекта в течение всей работы заключаются в следующем: • Усвоение и повторение материала, полученного на курсе «Схемотехника аналоговых электронных устройств»; • Практика расчета и построения усилителя постоянного тока; • Практика работы и построения дифференциальных каскадов; • Устранение неточностей, возникающих в ходе работы. 7 2 Характеристики транзистора Перед тем как перейти к непосредственному расчету и моделированию усилителя необходимо снять и построить характеристики транзисторов, необходимых в данной схеме, а именно, необходимо получить входную и проходную характеристику транзистора. 2.1 Характеристики транзистора 2N2714 2N2714 является транзистором npn-структуры. Рассмотрим таблицу 2.1, в которой представлены параметры транзистора. Таблица 2.1 – Параметры транзистора 2N2714 Параметр Максимальная рассеиваемая мощность Максимально допустимое напряжение коллектор-база Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер максимально допустимое напряжение эмиттер-база Максимальный постоянный ток коллектора Емкость коллекторного перехода от напряжения коллектор-база Значение 0,2 Вт Единицы измерения 18 В 18 В 5 0,1 В А 12 пФ Используя схему на рисунке 2.1 снимем статистические характеристики данного транзистора. Рисунок 2.1 – Схема снятия статистических характеристик 8 Таблица 2.2 – Статистические характеристики транзистора 2N2714 Iб, мкА 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 Iк, мА 0,9228 1,422 1,921 2,42 2,92 3,419 3,919 4,419 4,918 5,418 5,923 6,423 6,923 7,422 7,922 8,422 8,922 9,422 9,922 12,42 14,92 17,42 19,92 22,42 24,92 27,42 29,92 32,42 34,92 Uб, мВ 772,1 783,3 791,1 797,1 801,9 806 809,5 812,6 815,4 817,9 820,2 822,3 824,2 826 827,7 829,3 830,8 832,2 833,5 839,4 844,1 848,1 851,6 854,6 857,4 859,8 862,1 864,2 866,1 Таким образом, получаем характеристики: 9 Ток базы транзистора, мкА 400 350 300 250 200 150 100 50 0 760 780 800 820 840 860 880 Напряжение на базе транзистора, мВ Ток коллектора транзистора, мА Рисунок 2.2 – Входная характеристика Iб=f(Uб) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 760 780 800 820 840 860 880 Напряжение на базе транзистора, мВ Рисунок 2.3 – Проходная характеристика Iк=f(Uб) Исходя из полученных характеристик, на линейном участке входной и проходной характеристики была принята рабочая точка: • Iк0=10 мА • Uк0=5 В • Iб0=100 мкА • Uб0=833 мВ 10 2.2 Характеристики транзистора PN2907 Вместо транзистора 2N2904, необходимого в техническом задании, в среде Electronics Workbench был выбран транзистор PN2907, который наиболее схож по характеристикам с заданным транзистором. PN2907 является транзистором pnp-структуры. Рассмотрим таблицу 2.3, в которой представлены параметры транзистора. Таблица 2.3 – Параметры транзистора PN2907 Параметр Максимальная рассеиваемая мощность Максимально допустимое напряжение коллектор-база Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер максимально допустимое напряжение эмиттер-база Максимальный постоянный ток коллектора Емкость коллекторного перехода от напряжения коллектор-база Значение 0,4 Вт Единицы измерения 60 В 40 В 5 0,6 В А 8 пФ Используя схему на рисунке 2.4 снимем статистические характеристики данного транзистора. Рисунок 2.4 – Схема снятия статистических характеристик 11 Таблица 2.4 – Статистические характеристики транзистора PN2907 Iб, мкА 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 Iк, мА 0,9228 1,422 1,921 2,42 2,92 3,419 3,919 4,419 4,918 5,418 5,923 6,423 6,923 7,422 7,922 8,422 8,922 9,422 9,922 12,42 14,92 17,42 19,92 22,42 24,92 27,42 29,92 32,42 34,92 Uб, мВ 772,1 783,3 791,1 797,1 801,9 806 809,5 812,6 815,4 817,9 820,2 822,3 824,2 826 827,7 829,3 830,8 832,2 833,5 839,4 844,1 848,1 851,6 854,6 857,4 859,8 862,1 864,2 866,1 Таким образом, получаем характеристики: 12 Ток базы транзистора, мкА 400 350 300 250 200 150 100 50 0 760 780 800 820 840 860 880 Напряжение на базе транзистора, мВ Ток коллектора транзистора, мА Рисунок 2.5 – Входная характеристика Iб=f(Uб) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 760 780 800 820 840 860 880 Напряжение на базе транзистора, мВ Рисунок 2.6 – Проходная характеристика Iк=f(Uб) Исходя из полученных характеристик, на линейном участке входной и проходной характеристики была принята рабочая точка: • Iк0=10 мА • Uк0=5 В • Iб0=100 мкА • Uб0=833 мВ 13 3 Моделирование усилителя в Electronics Workbench 3.1 Расчет схемы трехкаскадного усилителя с однополярным питанием После выбора на входной характеристике положение рабочей точки необходимо обеспечить ее в схеме питания фиксированным током базы с целью отработки полученных практических знаний с 5 семестра (Рисунок 3.1). Для того, чтобы напряжение на коллекторе осталось примерно таким же, следует обеспечить соответствующее увеличение напряжения питания: 𝐸 = 𝑈к0 + 𝑅к 𝐼к0 𝑅б = 𝐸 − 𝑈бо 𝐼бо (3.1) (3.2) Где Е – напряжение питания; Uбо – напряжение базы-эмиттер в рабочей точке; Iбо – ток базы в рабочей точке; Iк0 – ток коллектора в рабочей точке. Таким образом, при значении коллектора равным 1 кОм: 𝐸 = 𝑈к0 + 𝑅к 𝐼к0 = 5 + 1000 ∙ 10 ∙ 10−3 = 15 В. 𝑅б = 𝐸 − 𝑈бо 15 − 0,833 = = 141,67 кОм. 𝐼бо 100 ∙ 10−6 Сопротивление базы примем в номинальном значении, равном 150 кОм. 14 Рисунок 3.1 – Схема питания фиксированным током базы Перейдем к расчету непосредственно первого каскада, а именно, необходимо поставить в цепь эмиттера сопротивление и, задавшись током делителя, равным десятикратному току базы, обеспечить тот же самый режим работы. При этом необходимо увеличить напряжение питания на величину, соответствующую падению напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера. Для данного расчета необходимы следующий формулы: 𝑈э 𝐼к0 + 𝐼бо (3.3) 𝐼дел = 10𝐼бо (3.4) 𝑅э = 𝑅б1 = 𝐸 − (𝑈э + 𝑈бо ) 𝐼дел + 𝐼бо (3.5) 𝑈э + 𝑈бо 𝐼дел (3.6) 𝑅б2 = Где Uэ – напряжение эмиттера; Iдел – ток делителя; 15 При Uэ=7,5 В проведем расчет: 𝐼дел = 10𝐼бо = 10100 = 1000 мкА. 𝑅э = 𝑈э 7,5 = = 742,574 Ом. 𝐼к0 + 𝐼бо (10 + 0,1) ∙ 10−3 Возьмем номинальное значение, равное 750 Ом. Новое значение напряжение питания будет составлять 22,5 В, будем использовать номинальное значение напряжения, равное 24 В. 𝑅б1 = 𝐸 − (𝑈э + 𝑈бо ) 24 − (7,5 + 0,833) = = 14,2 кОм. (1000 + 100) ∙ 10−6 𝐼дел + 𝐼бо 𝑅б2 = 𝑈э + 𝑈бо 7,5 + 0,833 = = 8,3 кОм. 𝐼дел 1000 ∙ 10−6 Примем номинальное значение сопротивления Rб2=8,2 кОм. Рисунок 3.2 – Схема первого каскада Выходное напряжение первого каскада составляет 14,17 В. Перейдем к расчету второго каскада, а именно, рассмотрим напряжения, которые должны подаваться на втором каскаде. 16 9,826 В 9В 15,65 В 15 В 5В 8,351 В 833 мВ 7,518 В 10 В Рисунок 3.3 – Карта напряжений для расчета схемы второго каскада Если полученные сопротивления разделить на ток коллектора в рабочей точке, то получим сопротивления: • Rк2=1000 Ом; • Rэ2=900 Ом. Перейдем к номинальным значениям сопротивлений [1], а именно: • Rк2 = 1000 Ом; • Rэ2 = 910 Ом. 17 Рисунок 3.4 – Расчетная схема с двумя каскадами с номинальными значениями сопротивлений Выходное напряжение второго каскада составляет 15,1 В. Перейдем к расчету третьего каскада, а именно, рассмотрим напряжения, которые должны подаваться на третий каскад, составив карту напряжений. 9,826 В 15,65 В 8,896 В 4,73 В 833 мВ 14,26 В 833 мВ 8,351 В 7,518 В 14,27 В 9,585 В Рисунок 3.5 – Карта напряжений для расчета схемы третьего каскада 18 Если полученные сопротивления разделить на ток коллектора в рабочей точке, то получим сопротивления: • Rк3=473 Ом; • Rэ3=1427 Ом. Перейдем к номинальным значениям сопротивлений [1], а именно: • Rк3 = 510 Ом; • Rэ3 = 1400 Ом. Рисунок 3.6 – Расчетная схема с тремя каскадами с номинальными значениями сопротивлений Как можем видеть на рисунке 3.6 все три каскада находятся в одинаковом режиме, что свидетельствует о том, что данная схема трехкаскадного усилителя постоянного тока настроена правильно. При окончательном построении усилителя постоянного тока на трех каскадах обнаружено, что не было получено значение нуля на входе и выходе схемы. При данных условиях нет возможности подключения источника сигнала для последующих исследований, так как сигнал подается исключительно относительно земли. Также в данной схеме присутствует обратная связь, которую возможно устранить с помощью перехода от одиночных транзисторов к дифференциальным каскадам. С целью решения данной проблемы и дальнейшего перехода к дифференциальным каскадам будет 19 использоваться двухполярное питание. Расчет и построение данной цепи будет описан в следующем разделе. 3.2 Расчет трехкаскадного усилителя с двухполярным питанием Для построения усилителя необходимо провести перерасчет, а также напряжение эмиттера примем как половину напряжения питания (Uэ=12 В). Для расчета используем формулы (3.3), (3.5), (3.6). 𝑅э = 𝑈э 12 = = 1188,1 Ом. 𝐼к0 + 𝐼бо (10 + 0,1) ∙ 10−3 Примем номинальное значение сопротивления равное 1200 Ом 𝑅б1 = 𝐸 − (𝑈э + 𝑈бо ) 24 − (12 + 0,833) = = 10,2 кОм. (1000 + 100) ∙ 10−6 𝐼дел + 𝐼бо 𝑅б2 = 𝑈э + 𝑈бо 12 + 0,833 = = 12,8 кОм. 𝐼дел 1000 ∙ 10−6 Таким образом, получаем Рисунок 3.7 – Схема первого каскада 20 Напряжение выхода с первого каскада составляет 14,11 В. Перейдем к расчету второго каскада, а именно, рассмотрим напряжения, которые должны на сопротивления второго каскада. 9,717 В 8,95 В 11,27 В 15,05 В 5В 12,73 В 11,89 В 10,5 В Рисунок 3.8 – Карта напряжений для расчета схемы второго каскада Если полученные сопротивления разделить на ток коллектора в рабочей точке, то получим сопротивления: • Rк2=895 Ом; • Rэ2=1050 Ом. Перейдем к номинальным значениям сопротивлений [1], а именно: • Rк2 = 910 Ом; • Rэ2 = 1000 Ом. 21 Рисунок 3.9 – Расчетная схема с двумя каскадами с номинальными значениями сопротивлений Выходное напряжение второго каскада составляет 15,05 В. Перейдем к расчету третьего каскада, а именно, рассмотрим напряжения, которые должны падать на сопротивления третьего каскада, составив карту напряжений. 9,717 В 8,95 В 4,78 В 11,27 В 5В 12,73 В 11,89 В 10,5 В 14,22 В Рисунок 3.10 – Карта напряжений для расчета схемы третьего каскада 22 Если полученные сопротивления разделить на ток коллектора в рабочей точке, то получим сопротивления: • Rк3=478 Ом; • Rэ3=1422 Ом. Перейдем к номинальным значениям сопротивлений [1], а именно: • Rк3 = 470 Ом; • Rэ3 = 1500 Ом. Рисунок 3.11 – Расчетная схема с тремя каскадами с номинальными значениями сопротивлений В результате проделанной работы на данном этапе, можно увидеть, что был получен ноль на входе и выходе схемы (полная карта напряжений представлена в Приложении А). Следующим этапом является переход к дифференциальному каскаду. 3.3 Переход к дифференциальному каскаду В данной работе дифференциальный каскад используется с целью устранения обратной связи. 23 Следует отметить, что дифференциальный каскад – это каскад, имеющий два симметричных входа и дающий на выходе симметричное выходное напряжение. Чтобы устранить обратную связь проводится переход к дифференциальным каскадам, при этом первый каскад необходимо сделать фазоинверсным, у которого база одного из транзисторов находится на земле по постоянному току с целью сделать из несимметричного входа симметричный выход. Рисунок 3.9 – Переход к дифференциальному каскаду Как можно заметить, при переходе к дифференциальному каскаду трехкаскадный усилитель потерял свой режим. Данное явление можно объяснить тем, что в общей эмиттерной цепи включено сопротивление, которое осуществляет эмиттерную стабилизацию исходного режима. Чтобы вернуться к необходимому режиму, нужно представить данное сопротивление вдвое меньше, чем в одиночном каскаде, так как через него проходит постоянный ток двух транзисторов. 24 Рисунок 3.10 – Усилитель постоянного тока на дифференциальных каскадах Таким образом, мы получили усилитель постоянного тока на дифференциальных каскадах с одинаковыми режимами работы на всех каскадах. Также получен ноль на входе, что дает возможность беспроблемного подключения источника сигнала. Чтобы точно убедиться в правильности расчета, рассмотрим выходное напряжение, которое по техническому заданию должно составлять не менее 2,5 В. Рисунок 3.11 – Подключение источника сигнала Как можем видеть по рисунку 3.11 выходные напряжения равны и составляют 7,4 В, что говорит о правильности построения и расчета схемы. 25 3.4 Исследование регулировки усиления Усилитель данной проектной работы как усилитель постоянного тока имеет конечную полосу пропускания. Для того чтобы выполнить регулировку усиления и просмотреть ее влияние на полосу пропускания, необходимо провести построение эмиттерной цепи корректируемого дифференциального каскада [2, стр. 109]. Эмиттерная коррекция создает необходимую обратную связь, которая необходима для использования регулировки усиления. При этом два параллельно подключенных резистора 2Rэ, создают то же смещение, что и Rэ на рисунке 3.11. Рисунок 3.12 – Формирование напряжения обратной связи В данном разделе необходимо ввести регулировку усиления во второй каскад и оценить ее влияние на полосу пропускания усилителя. Схема для снятия регулировки усиления представлена на рисунке 3.13. Рисунок 3.13 – Схема снятия регулировки усиления 26 Снятие полосы частот проходило в программе Electronics Workbench 4.0. Для наибольшей наглядности были сняты полосы частот на всех каскадах, что даст наиболее точный результат. Полученные данные представлены в таблицах. Таблица 3.1 – Снятие данных между первым и вторым каскадом Rрег, Ом K fв, кГц 5 49 640 20 66 1300 50 76 2400 100 81 2400 200 84 2970 Таблица 3.2 – Снятие данных между третьим и вторым каскадом Rрег, Ом K fв, кГц 5 45 826 20 31 826 50 8,7 826 100 4,7 826 200 2,5 826 При данной регулировке усиления можем заметить, что во всех каскадах, кроме первого, fв не меняет своего значения при любом значении сопротивления. В данном эксперименте изменения параметров происходило на втором каскаде, что влияло лишь на изменение полосы пропускания между первым и вторым каскадом. Изменения между первым и вторым каскадом не происходят из-за того, что при изменении регулировочного сопротивления меняются высокочастотные параметры транзистора, и в данном случае динамическая емкость первого каскада меньше, чем вносимые искажения второго каскада, что и приводит к изменению fв. Проверим данное утверждение расчетом. Искажения, создаваемые выходной цепью каскада, определяются постоянной времени верхних частот выходной цепи [3, стр. 50]: 𝜏ввых = 𝜏 + Сбк (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв + Сн ∙ 𝑅экв (3.7) В данном случае формула расчета преобразуется в вид: 𝜏ввых = 𝜏1 + Сбк 1 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв + Свхдин 2 ∙ 𝑅экв (3.8) 27 где 𝜏1 + Сбк 1 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв – искажения, вносимые первым каскадом, Свхдин 2 ∙ 𝑅экв – искажения, вносимые вторым каскадом, 𝜏1 – постоянная времени первого каскада, Сбк 1 – емкость перехода база-коллектор первого каскада, 𝑆0 – крутизна транзистора в рабочей точке, 𝑟б – объемное сопротивление базы, 𝑅экв = 𝑅к 1 ||𝑅вх 2 – эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, состоящее из параллельно включенных сопротивления коллектора первого каскада и входного сопротивления второго каскада, Свхдин 2 – входная динамическая емкость второго каскада. Исходя из того, что Свхдин 2 в результате изменения регулировочного сопротивления увеличивается, всегда будет выполняться неравенство: Свхдин 2 ∙ 𝑅экв ≫ 𝜏1 + Сбк 1 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв Что и объясняет изменения fв. Из таблицы полученного эксперимента видно, что fв между вторым и третьим каскадом остается постоянной. Вводя регулировку усиления, мы влияем на параметры второго каскада. Динамическая емкость третьего каскада, которая является нагрузкой для второго каскада, имеет большое значение. Исходя из этого, изменения параметров второго каскада не влияют на третий каскад, можно сделать предположение, что искажения, вносимые нагрузкой (3 каскад), очень велики и преобладают над искажениями второго каскада. Проверим данное предположение с помощью расчета. Искажения, создаваемые выходной цепью каскада, определяются постоянной времени верхних частот выходной цепи [3, стр. 50]: 𝜏ввых = 𝜏 + Сбк (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв + Сн ∙ 𝑅экв 28 В данном случае формула расчета преобразуется в вид: 𝜏ввых = 𝜏2 + Сбк 2 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв + Свхдин 3 ∙ 𝑅экв (3.9) где 𝜏2 + Сбк 2 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв – искажения, вносимые вторым каскадом, Свхдин 3 ∙ 𝑅экв – искажения, вносимые третьим каскадом, 𝜏2 – постоянная времени второго каскада, Сбк 2 – емкость перехода база-коллектор второго каскада, 𝑆0 – крутизна транзистора в рабочей точке, 𝑟б – объемное сопротивление базы, 𝑅экв = 𝑅к 2 ||𝑅вх 3 – эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, состоящее из параллельно включенных сопротивления коллектора второго каскада и входного сопротивления третьего каскада, Свхдин 3 – входная динамическая емкость третьего каскада. Верхняя граничная частота выходной цепи рассчитывается по приближенной формуле [3, стр. 26]: 𝜏в = 1 2𝜋𝑓в (3.10) Исходя из того, что в ходе эксперимента значение fв не менялось (Таблица 3.2), то 𝜏в в ходе эксперимента тоже оставалась неизменной, можно сравнить искажения, вносимые вторым и третьим каскадом. Второй каскад: 𝜏2 + Сбк 2 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв 1. 𝜏2 примем значение 15 нс. 2. Сбк 2 является справочным значением и составляет 8 пФ. 3. 𝑟б также является справочным значением и составляет 10,5. 29 4. Значение взяты из таблицы 2.4. 𝑆0 = ℎ21 𝑅вх (3.11) Где ℎ21 𝑅вх ℎ21 = ∆𝐼к ∆𝐼б (3.12) 𝑅вх = ∆𝑈б ∆𝐼б (3.13) ∆𝐼к (34,92 − 0,92) ∙ 10−3 = = = 100 ∆𝐼б (350 − 10) ∙ 10−6 ∆𝑈б (866,1 − 772,1) ∙ 10−3 = = = 276 Ом. ∆𝐼б (350 − 10) ∙ 10−6 𝑆0 = ℎ21 100 А = = 0,362 . 𝑅вх 276 В 5. 𝑅экв = 𝑅к 2 ||𝑅вх 3 = 𝑅вх 3 𝑅к 2 ∙ 𝑅вх 3 𝑅к 2 + 𝑅вх 3 (3.14) ∆𝑈б (866,1 − 772,1) ∙ 10−3 = = = 276 Ом. ∆𝐼б (350 − 10) ∙ 10−6 𝑅экв = 𝑅к 2 ∙ 𝑅вх 3 2200 ∙ 276 = = 245 Ом. 𝑅к 2 + 𝑅вх 3 2200 + 276 Подставляем значения: 𝜏2 + Сбк 2 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв = 15 ∙ 10−9 + 8 ∙ 10−12 (1 + 0,362 ∙ 10,5) ∙ 245 = 24,4 ∙ 10−9 Третий каскад: 30 Свхдин 3 ∙ 𝑅экв Свхдин 3 = 𝑟б + Сбк (1 + К0 ) (3.15) 1. примем за значение 15 нс. 2. 𝑟б является справочным значением и составляет 10. 3. Сбк является справочным значением и составляет 12 пФ. 4. Значение взяты из таблицы 2.2. 𝐾0 = 𝑆0 ∙ 𝑅экв ℎ21 𝑅вх (3.16) ∆𝐼к (34,92 − 0,92) ∙ 10−3 = = = 100 ∆𝐼б (350 − 10) ∙ 10−6 ∆𝑈б (866,1 − 772,1) ∙ 10−3 = = = 276 Ом. ∆𝐼б (350 − 10) ∙ 10−6 𝑆0 = ℎ21 100 А = = 0,362 . 𝑅вх 276 В 𝐾0 = 𝑆0 ∙ 𝑅экв = 0,362 ∙ 245 = 88,69. Свхдин 3 = 𝑟б + Сбк (1 + К0 ) = 15 ∙ 10−9 + 12 ∙ 10−12 (1 + 88,69) = 25,8 ∙ 10−10 10 Подставляем значения: Свхдин 3 ∙ 𝑅экв = 25,8 ∙ 10−10 ∙ 245 = 63,1 ∙ 10−8 Из полученных значений, можно сделать вывод, что 63,1 ∙ 10−8 ≫ 24,4 ∙ 10−9 Следовательно, Свхдин 3 ∙ 𝑅экв ≫ 𝜏2 + Сбк 2 (1 + 𝑆0 𝑟б ) ∙ 𝑅экв Что и требовалось доказать. 31 4 Заключение В результате всей проделанной работы был рассчитан и построен трехкаскадный усилитель постоянного тока. Данный усилитель вместо одиночных транзисторов был заменен дифференциальными каскадами. В ходе работы над курсовым проектом были сделаны следующие выводы: • Как особенность усилителя постоянного тока является наличие гальванической связи между каскадами, т.е. необходимо отказываться от разделительных конденсаторов. Из-за этого должно быть проведено согласование по постоянному напряжению выхода первого каскада со входом второго, иначе изменение режима одного транзистора приведет к изменению режима другого транзистора; • Чтобы обеспечить режим, можно включить делитель между каскадами, но тем самым может быть уменьшен сигнал; • Если токи покоя каскадов усилителя одинаковы, то по мере увеличения номера каскада сопротивления в коллекторных цепях уменьшаются; • Сопротивления в эмиттерных цепях с каждым каскадом увеличивается; • Наилучший способ стыковки по режиму является использование транзисторов разного типа проводимости; • Для перехода от одиночных транзисторов к дифференциальным каскадам необходимо обеспечить нулевой потенциал на входе и выходе схемы усилителя. Данное условие получилось достичь с помощью использования двухполярного питания, которое также позволило сохранить рабочий режим после подключения; 32 • Дифференциальный каскад решает проблему наличия в схеме обратной связи и дает возможность проведения последующих измерений; • Наилучшим способом расширения полосы пропускания в сторону верхних частот является наличие регулировки усиления в эмиттерной цепи корректируемого дифференциального каскада; • Наличие регулировки усиления оказал не самое большое влияние на параметры усилителя, а именно на полосу пропускания; • В ходе проделанного анализа выявлено, что наибольшее влияние оказывает на полосу пропускания второй каскад. • Искажения, вносимые третьим каскадом, очень велики и преобладают над искажениями второго каскада. В результате всей проделанной работы над курсовым проектом был усвоен и повторен материал, полученный на курсе «Схемотехника аналоговых электронных устройств», проведена практика расчета и построения усилителя постоянного тока, проведены работы с дифференциальным каскадом, проведено устранение неточностей, которые возникали в работе. 33 Источники литературы 1. Ряды номинальных радиокомпонент резисторов, [Электронный конденсаторов ресурс]. – и Режим остальных доступа: http://www.texnic.ru/data/other/010.html (Дата обращения 25.02.19). 2. Шарыгина Л.И. «Лекции по аналоговым электронным устройствам», учебное пособие. Томск. 2017 г. Издательство ТУСУРа – 149 с. 3. Шарыгина Л.И. «Схемотехника аналоговых электронных устройств», лабораторный практикум. Томск. 2012 г. Издательство ТУСУРа – 63 с. Приложение А Карта напряжений
