- •Расчет усилителей информационных сигналов мехатронных систем
- •7.092501- «Автоматизированное управление технологическими
- •7.092502- «Компьютерно-интегрированные технологические
- •Содержание
- •1. Краткие теоретические сведения
- •1.1 Транзисторные усилители
- •1.1.1 Усилитель с общим эмиттером
- •1.1.2 Усилитель с общим коллектором
- •1.2 Интегральные операционные усилители
- •1.1.3 Транзисторный ключ
- •2. Расчет усилителей информационных сигналов
- •2.1 Расчет усилителя с общим эмиттером
- •Расчет амплитуды выходного напряжения и тока нагрузки
- •Выбор транзисторов
- •Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе усилителя
- •Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы
- •Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора
- •Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя
- •Расчет активного входного сопротивления усилителя
- •2.6 Расчет дифференциального усилителя
- •Расчет сопротивления отрицательной обратной связи
- •Расчет сопротивления, балансирующего напряжение смещения
- •Библиографический список
Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы
Входное
сопротивление со стороны базы
соответствует входному сопротивлению
транзистора без
учета шунтирующего действия
резистивного делителя
в
цепи базы:
.
Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора
Резистивный
делитель R1,
R2,
формирует потенциал базы
относительно земли. Уровень данного
потенциала не должен зависеть от тока
эмиттера
,
протекающего по резистору
.
Последний является датчиком
температуры.
Если ток
делителя
значительно превышает
ток базы
,
то потенциал
определяется напряжением питания
и соотношением резисторов R1,
R2.
Поскольку коэффициент
,
а ток
,
то потенциал
базы не зависит от тока
при условии:
.
Потенциал базы определяется по второму закону Кирхгофа:
,
где d статический потенциал эмиттерного рn - перехода.
Резисторы R1, R2 рассчитываются по закону Ома:
;
.
Определяются
мощности
,
рассеиваемые на сопротивлениях R1,
R2:
;
.
Примечание.
Для германиевых транзисторов
;
для кремневых транзисторов
[9].
В среде «CIRCUITMAKER» принимается .
Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя
При
усилении сигналов переменного
тока с частотой
шина источника питания
заземлена
через
внутренний конденсатор фильтра
(на рисунке 1 не показан), т.к. емкостное
сопротивление
.
Следовательно,
по переменному току
резисторы R1,
R2
соединены параллельно.
Эквивалентное сопротивление делителя
.
Расчет активного входного сопротивления усилителя
На
низких
частотах,
несоизмеримых с быстродействием
выбранного транзистора, входное
сопротивление усилителя
является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений
и
:
.
Примечание. В области высоких частот, соизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, начинают влиять межэлектродные емкости: входное сопротивление (импеданс) транзистора является комплексной величиной
Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя
Разделительный
конденсатор
отделяет постоянный потенциал базы
от источника информационного сигнала,
подавляет низкие частоты и пропускает
высокие частоты. Величина емкости
рассчитывается на нижней частоте
информационного
сигнала по формуле:
.
Для
уменьшения ослабления входного сигнала
на низких частотах расчетное значение
емкости
увеличивается в 10-100 раз.
Расчет коэффициента усиления
Определяется емкость шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера для заданного значения модуля коэффициента усиления
.
Определяется модуль коэффициента усиления для расчетного значения емкости
.
Расчет амплитуды входного напряжения и тока
Номинальная
амплитуда входного напряжения
Амплитуда
входного тока
.
Расчет коэффициента усиления по току и по мощности
Коэффициент
усиления по току
.
Коэффициент
усиления по мощности
.
Расчет номинальной мощности входного сигнала
Номинальная
входная мощность
определяется из тождества:
.
2.2 Расчет усилителя с общим коллектором
Исходными данными для расчета усилителя с общим коллектором (Рисунок 2) являются следующие параметры:
активное сопротивление нагрузки ;
активная мощность нагрузки ;
напряжение питания ;
коэффициент передачи тока базы транзистора;
рабочая частота (частотный диапазон) информационного сигнала .
Методика расчета
Расчет амплитуды выходного напряжения и тока нагрузки
Амплитуда
выходного напряжения
и ток нагрузки усилителя
определяется
в
соответствии с разделом 2.1, п.1.
Выбор транзисторов
Выбор транзисторов осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.2.
Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе усилителя
Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.3: .
Расчет резистора в цепи эмиттера и его мощности
Для
исключения искажений
информационного
сигнала потенциал эмиттера
и ток эмиттера
в статическом режиме (при отсутствии
входного сигнала) выбираются из условия:
,
.
Резистор
в цепи эмиттера
.
Мощность
,
рассеиваемая на сопротивлении R3:
.
Расчет эквивалентного сопротивления эмиттерной цепи
При
достаточно большой
емкости разделительного конденсатора
С3 эквивалентное сопротивление эмиттерной
цепи
соответствует параллельному
соединению сопротивлений
и
:
.
Расчет входного сопротивления транзистора
Для
схемы с общим коллектором входное
сопротивление транзистора
определяется без
учета шунтирующего действия
резистивного делителя
со стороны базы:
.
Расчет тока базы в статическом режиме
При
известном значении параметров
и
транзистора статический ток базы
.
Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора
Резистивный
делитель R1,
R2,
формирует потенциал базы
относительно земли. Элементы делителя
выбираются таким образом, чтобы
минимизировать шунтирование
входного сопротивления
.
По первому закону Кирхгофа в базовом
узле
ток
растекается: по резистору R2
течет ток
,
а по резистору R1
– ток
.
Для уменьшения шунтирующего действия
делителя R1,
R2
величина тока
выбирается из условия:
.
Расчет сопротивлений делителя R1, R2:
расчет потенциала базы в статическом режиме:
.расчет сопротивления R2 делителя:
.расчет сопротивления R1 делителя:
.расчет мощностей
резисторов делителя:
,
.
Примечание. Для германиевых транзисторов ; для кремневых транзисторов . В среде «CIRCUITMAKER» принимается .
Расчет эквивалентного сопротивления делителя в цепи базы
При
достаточно большой емкости фильтра
эквивалентное сопротивление
базового делителя на
переменном токе
соответствует параллельному соединению
его элементов:
.
Расчет активного входного сопротивления усилителя
На
низких
частотах,
несоизмеримых с быстродействием
выбранного транзистора, входное
сопротивление усилителя
является чисто активным
и соответствует параллельному
соединению сопротивлений
и
:
.
Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя
Расчет
емкости разделительного конденсатора
на входе осуществляется в соответствии
с разделом 2.1, п.12:
.
Расчет коэффициента усиления по напряжению
Модуль
коэффициента усиления по напряжению
зависит от коэффициента
транзистора, а также от соотношения
эквивалентных сопротивлений участка
коллектор-эмиттер
и
цепи эмиттера
:
.
Входной
и выходной сигналы ЭП формируются
относительно коллектора,
имеющего на переменном
токе нулевой
потенциал. Следовательно, эквивалентное
сопротивление эмиттерной цепи
подключено параллельно динамическому
сопротивлению участка коллектор –
эмиттер транзистора
:
;
.
Расчет амплитуды входного напряжения и тока
Номинальная
амплитуда входного напряжения
Амплитуда
входного тока
.
Расчет коэффициента усиления по току и по мощности
Коэффициент
усиления по току
.
Коэффициент
усиления по мощности
.
Расчет номинальной мощности входного сигнала
Номинальная
мощность информационного сигнала на
входе усилителя
определяется
из тождества:
.
Расчет транзисторного ключа
Исходными данными для расчета транзисторного ключа (Рисунок 3, 4) являются следующие параметры:
напряжение питания ;
абсолютная температура окружающей среды ;
коэффициент передачи тока базы транзистора ;
ток эмиттера транзистора ;
активное сопротивление коллекторной нагрузки
;остаточное напряжение на коллекторе транзистора
Методика расчета
Выбор транзистора: (см. раздел 2.1, п. 2) .
Расчет тока коллектора (тока нагрузки):
.Расчет тока эмиттера:
.Расчет тока базы (тока управления):
..Расчет температурного потенциала:
.Расчет активного сопротивления эмиттерного вывода:
.Расчет ограничивающего резистора в цепи базы:
.Расчет мощности ограничивающего резистора в цепи базы:
.Расчет входного сопротивления транзисторного ключа:
.
Примечание. Уровень входного
напряжения
должен обеспечить насыщение транзистора:
,
где
максимальное
напряжение между базой и эмиттером
транзистора. У биполярных транзисторов:
– германий,
– кремний,
[9, 11].
В среде «CIRCUITMAKER» принимается
.
При расчете ТК обычно выбирают напряжение
.
2.4 Расчет инвертирующего усилителя
Исходными данными для расчета инвертирующего операционного усилителя (Рисунок 8, а) являются следующие параметры:
активное сопротивление нагрузки усилителя ;
амплитуда напряжения на нагрузке усилителя
активное входное сопротивление усилителя
;коэффициент усиления по напряжению
.
Методика расчета
Расчет амплитуды тока нагрузки
Амплитуда
тока нагрузки
.
Расчет сопротивления отрицательной обратной связи
Входное
сопротивление инвертирующего усилителя
.
При заданных значениях параметров
и
сопротивление отрицательной обратной
связи
определяется из выражения для модуля
коэффициента усиления по напряжению
,
.
Расчет амплитуды входного напряжения
Амплитуда
входного сигнала
.
Расчет амплитуды входного тока
Амплитуда
входного тока
.
Расчет коэффициента усиления по току
Модуль
коэффициента усиления по току
.
Расчет коэффициента усиления по мощности
Модуль
коэффициента усиления по мощности
.
2.5 расчет неинвертирующего усилителя
Исходными данными для расчета неинвертирующего операционного усилителя (Рисунок 8, б) являются следующие параметры:
активное сопротивление нагрузки усилителя ;
амплитуда напряжения на нагрузке усилителя
активное входное сопротивление усилителя
;коэффициент усиления по напряжению
.
Методика расчета
Если
заданный коэффициент усиления по
напряжению
,
то при фиксированном значении параметра
сопротивление обратной связи
определяется из выражений:
,
.
Если
параметр
,
то неинвертирующий ОУ вырождается в
повторитель
напряжения
(ПН): сопротивление R1
в схеме отсутствует
,
сопротивление
– короткое замыкание между выходом ОУ
и его инвертирующим входом (Рисунок 8,
в).
Входное
сопротивление ПН соответствует
сопротивлению утечки интегральной
микросхемы ОУ по неинвертирующему входу
[1, 4, 6, 11].
Примечание.
Для компенсации
напряжения смещения
на выходе ПН при отсутствии входного
сигнала между выходом и инвертирующим
входом ОУ включают резистор
обратной связи
,
где
внутреннее сопротивление источника
информационного сигнала.
Дальнейший расчет неинвертирующего ОУ осуществляется в соответствии с методикой, изложенной в разделе 2.4, п.п. 1, 3…6.
