Расчёт выходного дифференциального каскада

Введение

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 1 приведена АЧХ для усилителя постоянного тока. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных конденсаторов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

Рис.1. АЧХ усилителя постоянного тока

В данной курсовой работе в качестве входного и промежуточного каскадов используются каскады на операционных усилителях. В качестве фазоинверсного каскада используется каскад с разделенной нагрузкой.

В качестве выходного каскада целесообразно использовать дифференциальный каскад в режиме дифференциального усиления, т.к. он обеспечивает наилучшую связь с нагрузкой. Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним.

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

Исходные данные

- выходное напряжение Uвых=±15 В;

-сопротивление нагрузки Rн=1 КОм;

-диапазон усиливаемых частот fв=1 МГц;

-ЭДС источника сигнала Ег=4мВ;

-сопротивление источника сигнала Rг=20 Ком;

-рабочая температура Тр=50 градусов.

Расчёт электрической принципиальной схемы.

Расчёт выходного дифференциального каскада.

Вычислим общий (сквозной) коэффициент усиления для схемы:

K_d = 1 (в роли входного каскада ОУ с сигналом подаваемым на неинвертирующий вход) => K_s=K_o

Дифференциальный каскад:

Рис.2. дифференциальный каскад.

При выборе транзистора необходимо учитывать, чтобы он удовлетворял следующим параметрам:

Р_кдоп≥(3-4)Р_m;

мВт

Р_кдоп≥800 мВт;

U_к>U_Н

U_к>15 В;

F_пред>F_В

F_пред>1 МГц.

В качестве VT2 и VT3 выбираем транзисторы КТ 630 Б со следующими параметрами:

H₂₁=80-240;

F_пред=50 МГц;

R_вхоэ=500 Ом;

U_кэдоп=120 В;

I_кдоп=1 А;

I_бдоп=0,2 А;

Р_кдоп=800 мВт;

С_к=15 пФ.

Найдём Н₁₁ транзистора для наших условий:

Ом

Рассчитаем крутизну усиления транзисторов:

;

см

Рассчитаем F_b и F_в и сравним их:

КГц;

КГц

F_b > F_в

Выберем напряжение питания исходя из следующего условия:

Е₀=20 В

Напряжение в рабочеё точке:

U_ко=0,45Е₀=9 В

Зададимся коэффициентом усиления каскада К₀=50, выберем из номинального ряда добавочные сопротивления R₁₂, R₁₃ равные 22 Ом, тогда коэффициент усиления каскада с учётом местной обратной связи будет равен:

, где

В итоге коэффициент усиления дифференциального каскада будет равен:

Вычислим приведённое сопротивление в цепи коллектора:

Ом

Найдём сопротивление цепи коллектора R₄ и R₅:

Ом

Выбираем из номинального ряда R₄ = R₅ = 270 Ом

Рассчитаем ток коллектора в рабочей точке:

мА

Рассчитаем значение сопротивления R₁₄ в цепи эмиттера:

Ом

Выбираем из номинального ряда сопротивлений R₁₄=62 Ом

Найдем входное напряжение дифференциального каскада:

мА

3.2. Расчет фазоинверсного каскада.

Рис.3. фазоинверсный каскад.

Данные полученные из предыдущих расчётов, необходимые для расчёта фазоинверсного каскада:

Uвых=1,95 В;

Rн=554 Ом;

мА;

мВт

Выбираемый транзистор VT1 должен удовлетворять следующим условиям:

Р_кдоп≥30 мВт;

U_к>1,95 В;

F_пред>1 МГц.

В качестве VT1 выбираем транзистор КТ 358 Б со следующими параметрами:

H₂₁=25-100;

F_пред=120 МГц;

R_вхоэ=100 Ом;

U_кэдоп=30 В;

I_кдоп=10 мА;

I_бдоп=15 мА;

Р_кдоп=100 мВт;

С_к=10 пФ.

Найдём Н₁₁ транзистора для заданных условий:

мА

Ом

Рассчитаем крутизну усиления транзистора:

;

см

Рассчитаем F_b и F_в и сравним их:

МГц;

КГц

F_b > F_в

Е₀=20 В;

U₀=0,4Е₀=8 В.

Для обеспечения равенства обоих выходных сигналов, сопротивления R₃ и R₁₁ должны быть равными. R₃ = R₁₁; R^/₃ = R^/₁₁

Так как в качестве каскада предварительного усиления в дальнейшем будет использован каскад на операционном усилителе, рассчитаем сопротивления R₃ и R₁₁ исходя из условия: