Мотивация выбора схемы при разработке усилителя (часть курсовой работы)

	Вариант 2-1
Параметры
Коэффициент усиления напряжения	1000
Полоса усиливаемых частот, Гц	0 – 100
Дрейф нуля (приведенный), мВ	0,05
Выходное напряжение (ампл), В	2
Входное сопротивление, кОм	1
Сопротивление нагрузки, кОм	2
Диапазон температур, С0	5-55

                                   Мотивация выбора схемы

Основным требованием при разработке данного усилителя является малая величина дрейфа нуля приведенного ко входу. Поэтому для уменьшения дрейфов используем дифференциальные каскады. Дрейф в этих каскадах будет определяться только разбросом технологических параметров транзисторов(это будет показано позднее). Для уменьшения величины базовых токов, токи в коллекторных цепях  выбирались порядка сотен мкА. В целях упрощения процесса расчета схемы было принято решение использовать обычный эммитерный повторитель. Конечно, данный способ построения выходного каскада работающего на низкоомную нагрузку не является оптимальным. Но из-за малой мощности в нагрузке такой способ построения выходного каскада вполне может использоваться. Каскад с общим истоком пришлось добавить в схему несколько позднее, и это было обусловлено двумя причинами – обеспечения нужной величины базового тока ЭП, и кроме того повышения суммарного коэффициента усиления, что благотворно скажется на работе усилителя после охвата цепью ОС.

                                            Блок-схема уилителя

Расчет по постоянному току с разорванной петлей ОС

                                          Выходной каскад

(каскад с общим истоком и эммитерный повторитель)

В первоначальном варианте схемы было решено использовать только один ЭП, но из-за

 малых токов порядка 200мкА, текущих в предыдущем каскаде возникает нехватка коэффициента усиления по току. Если дополнительно использовать полевой транзистор, то эта проблема будет устранена автоматически. К тому же получение еще большого коэффициента усиления улучшает стабильность схемы. Необходимо также обеспечить ноль в нагрузке в отсутствии сигнала.

KT315Г, Основные  параметры:

Зададим рабочий ток коллектора I_k=27 mА. Мотивация выбора тока коллектора: для того, чтобы обеспечить 0 в нагрузке при отсутствии сигнала, а так же выполнить условие (т.к. влияет на коэффициент усиления эммитерного повторителя). При выборе такого малого сопротивления при нашем ток в цепи эммитера должен быть большим. По графику зависимости  определяем =150. Соответствующий базовый ток I_б=0.36 mА. (Он не будет существенно влиять на работу предыдущего каскада)

По входной характеристике можно определить U_бэ=0.61 В (для данного I_k )

Теперь можно точно определить значение R15

При использование такого сопротивления, выполняется условие нуля на выходе усилителя при отсутствии сигнала. 

В качестве полевого транзистора возьмем 2SJ460. Его основное достоинство – относительно высокая крутизна, малые величины емкостей (позволяет не особенно задумываться о частотных свойствах), и наконец хорошая документированность

Как видно из вольтамперных характеристик термостабильной точкой для данного транзистора будет являться точка со следующими параметрами:

,

   Зададим потенциал затвора равным . Приблизительно определив величины коэффициентов усиления, можем выбрать значение R13, исходя из нужного нам КУ.

Тогда потенциал истока необходимый нам для работы в этой точке:

Теперь отсюда можно определить R13

 Из ряда стандартных номиналов выбираем R₁₃=62 ома; I_C станет равным 4,82 mA ( Термостабильная точка практически не изменилась)

R₁₄ выбираем из условия, что (при отсутствии сигнала в нагрузке нуль)

Из ряда стандартных номиналов выбираем R=2k Om

Оценка дрейфа рабочих точек выходного каскада.

В нашем температурном диапазоне дрейф эммитерного повторителя составит 2 mV/C⁰, но приведенный ко входу усилителя дрейф уменьшится в КУ раз. Он станет равным 45 mkV. Это повлияет на суммарный дрейф, который станет равным 298 mkV (без ОС). С ОС: дрейф уменьшится до 14 mkV.

Промежуточный каскад усиления

            Для уменьшения температурного дрейфа применяем дифференциальный  каскад. 

Дрейфы в нем буду зависеть только от идентичности транзисторов, поэтому используем транзисторную сборку.2ТС3111А1.

Основные её параметры

         

Температурный коэффициент разности постоянного напряжения база-эмиттер 5мкв/С°.

Температурный коэффициент разности базовых токов не более 0,2нА/С°.

              Для уменьшения величины базового тока и достижения приемлемой величины β, зададим ток покоя (многие характеристики на этот транзистор приводятся именно для данного значения тока), по графику зависимости ß( , находим ß=150.

Соответствующая это току величина  U_бэ=0.65 В

      В принципе можно было бы обойтись и одним сопротивлением R11, но для дополнительной симметрии схемы и упрощения последующего расчета включим в схему также и R8=R11.

Мотивация выбора R8 и R11: в литературе (Гальперин, Манаев) были встречены схемы,

аналогичные приведенной в целях упрощения расчетов и устранения эффекта Эрли ().

   R8 и R11 выбираем равными 11кОм, это значение присутствует в ряде стандартных номиналов, и было примерно оценено при первоначальных расчётах . Падение напряжения на R8 и R11 составит U_R8,R9=11к*200мкА=2,2В.

Тогда потенциал коллектора

Мотивация выбора R9,R10: зная приблизительно КУ, который мы хотим получить в этом каскаде, выбираем R9=R10=100 Om, что позволит увеличить входное сопротивление схемы.

При расчете общего КУ необходимо, чтобы R_ВХ этого каскада было существенно больше R_ВЫХ предыдущего каскада.

Рассчитаем входной каскад усилителя

Входной каскад усилителя во многом схож с предыдущим каскадом, разница состоит лишь в том, что выходной сигнал снимается с обоих коллекторов. Используем точно такую же транзисторную сборку 2ТС3111А-1(параметры приведены выше)

Зададим ток покоя , по графику зависимости ß( , находим ß=150. Выбор одинаковых токов покоя позволяет довольно сильно упростить вычислительную часть работы. Токи базы последующего каскада  << токов нашего каскада =>  не будут существенно влиять на работу.