Расчёт дифференциального усилителя постоянного тока

В промышленной электронике для контроля и измерения многих электрических величин находят широкое применение усилители постоянного тока. Для таких усилителей наибольшее распространение получила схема на основе дифференциального усилительного каскада, в котором используется принцип сбалансированного моста постоянного тока. Плечи указанного моста образованы резисторами , и биполярными транзисторами , , включенными по схеме с общим эмиттером.

Основными достоинствами дифференциальных усилителей являются высокая помехоустойчивость и малый дрейф выходного напряжения.

В задаче требуется рассчитать симметричный дифференциальный усилитель в соответствии с представленными в таблице 2 исходными данными.

Выбор типа транзистора усилителя

По заданному напряжению источника питания из справочной литературы выбирается транзистор с максимально допустимыми напряжением и током коллектора и возможно малым обратным коллекторным током , руководствуясь следующими соображениями

,

,

где – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки.

Для каскадов усилителей постоянного тока применяют маломощные транзисторы р-n-р или n-p-n проводимостей, типа: КТ315, КТ316, КТ342, КТ203, КТ208, КТ3102, КТ3107 и другие.

Для выбранного типа транзистора из справочной литературы выписывают значения следующих параметров: допустимый ток коллектора , допустимое напряжение между эмиттером и коллектором , входное сопротивление транзистора , наибольшая рассеиваемая мощность на транзисторе , значения максимального и минимального коэффициентов передачи тока , коллекторное напряжение в режиме насыщения транзистора и переносят на миллиметровую бумагу входную характеристику при В и семейство выходных статических характеристик транзистора при .

Определение режима работы транзистора

На выходных характеристиках транзистора определяют и отмечают режим покоя, который характеризуется током покоя и напряжением покоя при В. Этот режим выбирается исходя из заданного значения амплитуды выходного напряжения и связанной с ней амплитудой тока .

Координаты точки покоя должны удовлетворять следующим условиям

и ,

где - коллекторное напряжение в режиме насыщения транзистора.

.

Ток покоя также определяется выражением

,

где - напряжение в цепи эмиттера, выбираемое в пределах .

Путем совместного решения двух последних выражений для тока покоя , определяют сопротивление в цепи коллектора

.

Значение обратного тока коллектора приводится в справочниках для . При температуре окружающей среды отличной от значение обратного тока коллектора необходимо скорректировать, воспользовавшись следующей формулой

,

где - для германиевых транзисторов,

- для кремниевых транзисторов.

Выбранной точке покоя и и отображенной на выходной характеристике транзистора соответствуют определенное значение тока покоя базы и напряжение покоя базы , определяемое по входной характеристике транзистора.

После определения параметров режима покоя выполняется проверка этого режима на соответствие допустимой рассеиваемой мощности коллектора

,

где - максимально допустимая мощность коллекторной цепи при заданной температуре окружающей среды

,

где - максимально допустимая температура коллекторного перехода транзистора (ориентировочно, для кремниевых транзисторов , для германиевых – ).

Сопротивление в эмиттерной цепи определяется из выражения

.

Значение сопротивления резистора установки нуля на выходе усилителя

.

Для уменьшения шунтирования входного сопротивления усилителя ток делителя в цепи базы транзистора принимается равным

.

После принятия значения тока делителя определяют величины сопротивлений резисторов делителя

и .

Коэффициент усиления каскада по напряжению

,

где - эквивалентное сопротивление одного плеча дифференциального усилителя с симметричным выходом

,

- входное сопротивление усилителя, которое при симметричном входе определяется выражением

.

Полученный коэффициент усиления сравнивают с требуемым коэффициентом

.

Расчет считается законченным при выполнении условия . Если же окажется, что , то для получения требуемого коэффициента усиления увеличивают сопротивление резистора в цепи коллектора или выбирают транзистор с большим коэффициентом передачи тока . После чего производят корректировку расчетов с учетом внесенных изменений. В случае значительного расхождения коэффициента усиления применяют еще один каскад.