Исходные данные:
1. источник питания – двухполярный со средней нулевой точкой ± Е ± 0,1 В;
2. входное сопротивление дифференциальному сигналу – Rвх. ;
3. дифференциальный разностный входной сигнал - Uвх. диф.;
4. синфазный входной сигнал - Uвх. синф..;
5. коэффициент усиления дифференциального сигнала по напряжению - Кu;
6. сопротивление нагрузки -Rн;
7. ёмкость нагрузки - Сн;
8. верхняя граничная частота сигнала - fгр. в;
9. коэффициент ослабления синфазного сигнала – КОСС;
10. выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало.
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 3
| Исходные данные | Номер варианта | ||||||||||
| источн питания, В | двухполярный со средней нулевой точкой ± Е ± 0,1 | ||||||||||
| .входн. сопр. диф. . сигн. Rвх, кОм | |||||||||||
| Входн сигнал Uвх.м в | - 50 ≤ uВХ. дифф. ≤ 50 | ||||||||||
| Синфазн. входн сигн. В | - 5 ≤ uВХ. синф.. ≤ +5 | ||||||||||
| Активн.нагр.Rн,кОм | |||||||||||
| Ёмкость нагр.СнПф | |||||||||||
| Коэф. ослабл.синф. сигн.КОСС дБ | ≥ 60 | ||||||||||
| Верхн граничн част сигнала fгр. в.МГЦ | ≤ 100 |
Большинство схем не может использоваться для усиления сигналов постоянного тока (при fгр.н. → 0), т.к. почти все они требуют задания постоянного смещения помимо сигнала, а стабильность постоянного уровня напряжения покоя на их выходах сравнительно низка.В то же время при усилении сигналов постоянного тока невозможно отделить сигнал от смещения, и поэтому нужны схемы с высокой стабильностью выходного напряжения, допускающие «смещение сигналом». Решение этой проблемы нашло отражение в дифференциальном каскаде,схема которого показана на рис.1
Здесь два идентичных транзистора имеют общий источник «вытекающего» эмиттерного тока смещения и одинаковые коллекторные нагрузки R1 и R2, разность падений напряжений на которых и является выходным сигналом. Входной сигнал задаётся как напряжение между входами Uвх. = Uвх.1 – Uвх.2. Если Uвх.1 = Uвх.2 = Uвх.синф., т.е на оба входа подано одинаковое синфазное напряжение, то идентичные транзисторы будут иметь равные напряжения Uб э и равные токи Iэ 1 = Iэ 2 = Iэ см./ 2. При этом должно соблюдаться условие Iк 1 R1 = Iк 2 R2 ≤ Е1 – Uвх. синф., поскольку в противном случае транзисторы насытятся и выйдут из линейного режима.В силу равенства токов Iк 1 = Iк 2 и выходное напряжение Uвых.= Iк 1 R1 – Iк 2 R2, будет равно нулю во всём допустимом диапазоне синфазных напряжений. Этот диапазон ограничен снизу значением Е2 + Uб э +
+ Uсм. min, где Uсм. min – минимальное падение напряжения, необходимое источнику тока
Iэ см. ддя функционирования с высоким Rвых. Все виды синфазных (т.е. действующих на оба плеча каскада одновременно и одинаково) воздействий не будут приводить к изменениям Uвых. Это относится к изменениям напряжения питания нестабильности Iэ см., температурному дрейфу Uб э транзисторов и сопротивлений резисторов R1 и R2 при условии точного равенства температур и характеристик компонентов.
|
Пусть на вход схемы воздействует дифференциальный входной сигнал, т.е. Uвх. = Uвх.1 – Uвх.2 ≠ 0.
Определим максимально допустимое сопротивление резисторов R1 и R2, обеспечивающее пропускание fгр.в.. Помимо ёмкости нагрузки Сн выход схемы неизбежно будет нагружен на паразитные ёмкости монтажа, коллекторные ёмкости и т.д., которые вполне могут оказаться сравнимыми с Сн. Для дальнейших расчётов примем ёмкость нагрузки, удвоенную по сравнению с указанной в исходных данных. Постоянная времени перезаряда Сн определится как: Тн = [ (R1 + R2) II Ry] Cн.
Поскольку fгр.в. = 1 / 2 π Тн, получим: (R5 II Rн) ≤ 1 / 2 π Сн fгр.в..
Из уравнения [ (R1 + R2) II Rн, получим значение R1 = R2 и в соответствии с этим значением выберем ближайший номинал для R1 = R2 = Rк.
Коэффициент усиления ненагруженного каскада выражается через ток эмиттера Iэ формулой, вида: Кu 0 = Rк I э / φφ, где φφ - температурный потенциал, равный при 250С, 26 мВ.
Выходное сопротивление каскада равняется R1 + R2 = 2 Rк. При подключении нагрузки имеем
Кu ≈ Кu 0 Rн / (2 Rк + Rн) ≈ Rк Rн I э / φθ (2 Rк + Rн)
Т.к. токи транзисторов Т1 и Т2 Iк ≈ Iэ получаем, что для обеспечения Кu ≥ 50 должно выполняться следующее неравенство: Iк = Кu φφ (2 Rк + Rн) / Rк Rн.
Токи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 предопределяют не только коэффициент усиления по напряжению, но и дифференциальное входное сопротивление каскада:
Rвх. = 2 [ rб + rэ (21 э + 1) ] = 2 rэ (h 21 э + 1) = 2 φφ (h 21 э + 1) / Iэ.
Отсюда следует, что для выполнения условия Rвх. > Rвх. min токи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 должны удовлетворять неравенству
Iэ ≤ 2 φφ (h21 + 1) / Rвх.min.
Определим пределы, в которых могут быть выбраны значения токов Iк и найдём падение напряжения на резисторах R1 = R2 = Rк, а также напряжение покоя на коллекторах Т1 и Т2 в виде Uк о = + Е – (R1= R2= Rк).
Проверим, что при максимальных и минимальных значениях выходного сигнала каскад останется в линейном режиме. Верхним пределом линейного режима для потенциалов коллекторов Т1 и Т2 можно считать + Е = 15 В. Найдём нижний предел.
Максимальное синфазное напряжение на базах Т1 и Т2 равно + 5 В. Кроме того на базе любого из этих транзисторов может оказаться дополнительное дифференциальное напряжение величиной до + 50 мВ. Для того, чтобы эти транзисторы сохраняли значения h 21,близкие к номинальным, падение напряжения на коллекторном переходе не должно быть меньше 2 В. и следовательно нижний предел коллекторного напряжения Т1 и Т2 примем равным 7, 05 В.
Определим потенциалы на коллекторах Т1 и Т2 при максимальных и минимальных значениях сигнала, считая каскад сбалансированным (токи Iк в обоих плечах строго равными). Предположим, что КОСС достаточно велик, чтобы считать, что синфазный сигнал несущественно влияет на Uк о (затем необходимо проверить).
Коэффициент усиления всего каскада при выбранном I к ≈ I э определим из выражения: Кu ≈ Rк Rн I э / φφ (2 Rк + Rн) и тогда коэффициент усиления каждого плеча будет К = К u / 2.
Проверим сделанные выше допущения. Напряжение на любом коллекторе Т1 или Т2 будет находиться в пределах U к о ± К Uвх. дифф.
Учитывая, что токи I к = I э выбирались на верхнем пределе, имеем «запас» по коэффициенту усиления не менее 50 %.
Марка транзисторов Т1 и Т2 должна выбираться, исходя из значения h 21 э и тока эмиттера I э.
Для задания эмиттерных токов Т1 и Т2 в каскаде используется схема на транзисторах Т3 и Т4, подобная токовому зеркалу. Ток коллектора Т4 есть ток смещения транзисторов Т1 и Т2: I см. = 2 I э Т1 и Т2.
Нижнее значение синфазного входного сигнала есть – 5 В и следовательно наименьшее напряжение на коллекторе Т4 будет равно - 5 В – U б э . Зададимся напряжением базы Т4 Uб 4 существенно ниже коллекторного и, вместе с тем таким, чтобы R5, было как можно больше номинала. Ток через резистор R5 должен быть равен току смещения I см., откуда получим R 3 = | Uб 4 | / I см. Выберем ближайший номинал R3.
Найдём сопротивление резистора R 5 по формуле:
R 5 = [ U б 4 – U б э – (- Е) ] / I см..
Выбираем ближайший номинал R 5 и соответственно R 4, поскольку они равны.
Такой выбор величины R 5 приаедёт к тому, что ток смещения окажется на 1 – 3 %
меньше расчётного значения, а это повлечёт такое же снижение коэффициента усиления. Однако такое снижение не является существенным поскольку имеется «запас» по коэффициенту усиления до 59 %.
Выходное сопротивление токового зеркала Т3 и Т4 можно оценить по формуле:
R вых. Т4 = (rк + h 21 э R5) / 2
Делитель на 2 возникает в силу равенства R4 и R 5.
Выберем тип транзисторов Т3 и Т4 с учётом значений rк и h 21 и затем найдём значение Rвых. т4 .
Оценим КОСС всего каскада (Rк = R1 = R2) по формуле, вида:
КОСС ≥ 20 lg | Кu Rвых.Т 4 / Rк |.
Сравним полученное значение с заданным.
Суммарный ток, отбираемый каскадом от источника + 15 В есть ток Iсм. От источника – 15 В отбирается ток 2 I см.
Проверяем соответствует ли мощность рассеиваемая каскадом допустимой мощности рассеяния любого из применяемых компонентов.
