Эмиттерный повторитель со следящей обратной связью

Эмиттерный повторитель (схема ОК) имеет коэффициент передачи по напряжению К_U обычно близкий к единице, поэтому он и называется повторителем. Этот тип каскада используется для усиления сигналов по току – имеет относительно высокое входное и низкое выходное сопротивление.

Исходные данные

1. источник питания Е;
2. входное сопротивление Rвх;
3. входной сигнал U_вх
4. коэффициент передачи (усиления) по напряжению К_u

5 активная нагрузка R_н ёмкость нагрузки С_н (включая ёмкость монтажа и элементов схемы)

6 нижняя граничная частота сигнала f _гр.н

7 верхняя граничная частота сигнала f _гр.в

 

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 2

Исходные данные	Номер варианта
Источник питания, В	+ 5 ± 0,1
Вх. сопрот.Rвх,кОм.
Входн сигнал Uвх. в	- 1 ≤ uВХ ≤ 1
Коэффиц. усиления по напряж. Кu	НЕ МЕНЕЕ 0 95
Активн.нагр.Rн,кОм
Ёмкость нагр.СнПф
Нижн граничн част сигнала fгр. гЦ
Верхн граничн част сигнала fгр. в.МГЦ

 

Выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало

Разрешается использовать резисторы с 5-ти омным отклонением от номинала.

 

Схема эмиттерного повторителя со следящей обратной связью показана на рисунке 1

Определим максимально допустимое сопротивление резистора R₄ .

Напряжение покоя на базе транзистора определяется соотношением:

U_бо = Е — I_бо R_б , где

- R_б - выходное сопротивление цепи смещения базы, состоящей из R_1, R₂, R₃ по постоянному току: R_б = R₁ + R₂ II R_3.

Потенциал базы не должен быть выше потенциала коллектора.

Поэтому для напряжения покоя на базе можно принять:

U_бо = +Е — U_вх.max — max (I_бо R_б )

Зададимся величиной max (I_бо R_б) = 0, 15 В. Тогда наименьший потенциал эмиттера транзистора есть: U_эо = U_бо – U _бэ = + Е – U_вх.max — max (I_бо R_б) — Uбэ

Сопротивление резистора R₄ должно быть выбрано из условия пропускания синусоидального сигнала частоты f_гр.н c амплитудой 1В. Т.К. заведомо С₃ » С_н, можно считать, что на высоких частотах С_н непосредственно подключена к эмиттеру и, следовательно, во избежание нелинейного искажения такого сигнала должно выполняться условие для тока покоя эмиттера: I_эо≥ f_гр.в 2π С_н U_вх.max

Округление здесь сделаем в большую сторону. В результате получим:

R₄ = U_эо / I_эо

 

Выбираем ближайший меньший номинал для получения запаса по I_эо:

При этом

I_{эо =} U_эо / R₄.

Оценим выбор транзистора по h_21э и найдём максимальное выходное сопротивление повторителя при известных (r_б; r_э ) из выражения:

R_вых. = [ r_б / (h _21э + 1) + r_э ] II R₄

и тогда коэффициент передачи (усиления) по напряжению при подключенной нагрузке будет равен:

К_u = (R_н II R₄ ) / [ r_б / (h_21э + 1) + r_э + R_н II R₄ ].

Оценим удовлетворяет ли он условию задачи.

Минимальное «собственное» входное сопротивление сигналу со стороны базы транзистора при этом составит:

R_{вх. т} = (r_б + (r_э + R_н II R₄)(h_21э + 1) ≈ (R_н II R₄)(h_21э + 1).

Чтобы гарантировать R_вх.не менее заданной величины необходимо иметь R_б для сигнала не менее чем R_{б. сигн}. = R_{вх. т} R_вх / (R_{вх. т} – R_вх)

Предположим, что следящая обратная связь отсутствует, т.е. R₁ = 0, C₂ = 0 и R_б = R₂ II R_3. В этом случае R_б будет одно и то же для сигнала и для режима по постоянному току и хотя значение R_{вх. т} больше требуемого заданного минимума обеспечить сохранение режима по постоянному току невозможно.

Действительно, максимально возможный ток базы в состоянии покоя есть I_бо = I_эо/(h_21э +1), где взято минимальное значение h_21э . Следовательно ток базы может сместить потенциал базы на R_б.сигн٠I_б0 >> max (I_бо R_б )., что явно недопустимо.

На самом деле снижение потенциала базы будет меньше из-за снижения потенциала, а, следовательно и тока эмиттера, но ситуация всё равно неприемлема) Следящая связь позволяет решить проблему создавая различные сопротивления сигналу и постоянному току.

Рассчитаем допустимое значение R_б при наличии R₁ ¹ 0 и С₂ ¹ 0 c точки зрения режима по постоянному току.

R_б = R₁ + R₂ II R₃» max (I_бо R_б ) / I_бо

Вычислим сопротивление R₁ необходимое для получения R_вх. заданной величины по сигналу. Падение напряжения сигнала на R₁ при достаточно большой ёмкости С₂ равно:

U_вх. – U_вых. = U_вх (1 – К_u)

Следовательно, ток сигнала через R₁ составит U_{вх. =} (1 – К_u ) / R₁ и эффективное значение R₁ по сигналу будет равно:

R_{1 эфф.} = U_вх. / [ U_вх. (1 – К_у) / R₁ ] = R₁ / (1 – К_u )

Приравняем R_{1 эфф.} = R_{б сигн.} и из этого уравнения получим:

R₁ = (1 – К_u) R_{б сигн.}

Выбираем номинал R₁ с запасом и получим значение R_{1 эфф.} .

Вернёмся к режиму по постоянному току и при этом имеем:

R₂ II R₃ » R_б - R₁

Определим R₂ и R₃ так,чтобы потенциал базы при I_бо = 0 был равен Е-- U_вх.max.

Получим значения R₂ и R₃. При подключении С₂ ¹ 0 нагрузка на выходе повторителя изменится и соответственно изменятся R_{вх. т} и К_u.

Проверим будут ли эти изменения допустимыми:

 

К_u = (R_н II R₄ II R₂ II R₃) / [ r_б / (h_{21 э} + 1) + r_э + R_н II R₄ II R₂ II R₃ ].

R_{вх. т} ≈ r_б + (r_э + R_н II R₄ II R₂ II R₃) (h_21э + 1)

Сравним полученные результаты с заданными и отметим, являются ли они допустимыми.

Заметим, что сопротивление R₁ выход повторителя практически не нагружает

Входное сопротивление всей схемы равно:

R_вх. = R_{вх. т} II R_1эфф..

Ёмкость конденсатора С₁ должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала частотой f_{гр. н} от источника сигнала на базу транзистора.

Постоянная времени перезаряда С₁ есть Т₁ = R_вх. С₁

Чтобы обеспечить полосу пропускания снизу должно соблюдаться условие:

Т₁ ≥ 1 / 2π f_{гр. н},

откуда

C₁ ≥ 1 / 2 π f_{гр. н} R_вх. .

 

В качестве конденсатора можно использовать керамический или бумажный конденсатор требуемой ёмкости.

Ёмкость конденсатора С₃ должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала с f_{гр. н} с коллектора транзистора на сопротивление нагрузки. Перезаряд этого конденсатора происходит через последовательное соединение R_вых. и R_н. Т.к. R_вых.<< R_н можно принять, что постоянная времени перезаряда С₁ есть Т₃ = R_н С₃ и учитывая, что Т₃ = Т₁ получим: С₃ ≥ Т₁ / R_н.

В качестве С₃ лучше всего использовать параллельное соединение электролитического и керамического или бумажного конденсаторов соответствующих расчётной ёмкости. Установка только электролитического коеденсатора может создать проблемы на высоких частотах.

Постоянная времени Т₂ перезаряда С₂ должна удовлетворять условию Т₂>> Т₁, чтобы цепь следящей связи заведомо перекрывала диапазон частот, при которых «включается» цепь с Т₁. Примем Т₂» 10 Т₁ Постоянная времени Т₂ =(R₂ II R₃) C₂, откуда находим С₂ = Т₂ / (R₂ II R₃ ).

Выбираем в качестве С₂ электролитический конденсатор, шунтированный керамическим конденсатором.

Мощность рассеиваемая всеми цепями схемы составит величину

Р = Е ٠I_{б 0}

Это намного меньше, чем допустимая мощность рассеяния любого из применяемых компонентов

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 3