Расчет усилителей на транзисторах и ОУ

Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

6. Классификация ОУ

По типу элементной базы

• На полевых транзисторах
• На биполярных транзисторах
• На электронных лампах (устарели)

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители  постоянно совершенствуются, параметры  ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно  из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область  применения ОУ, выпускаются различные  их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном  уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы  применения от ОУ требуется высокое  значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация  ОУ по областям применения.

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками.

Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ.

С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате

Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.

Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.

Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.

Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.

Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.

Малошумящие ОУ.

Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).

Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ - примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.

Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

7. Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем  оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Практическая часть

Дано: каскад с общим коллектором, Rвх = 1 кОм, Rвых = 110 Ом, K_I = 11

Необходимо выбрать транзистор, рассчитать значения R₁ , R₂, R_э, R_н, R_г, С₁, С₂

1. Выбор транзистора

Так как дан  коэффициент усиления по току K_I = 11, а для схемы с общим коллектором он определяется как , необходимо выбрать из справочника транзистор с параметром h21э = 10. Выбираю КТ104А.

2. Расчет h-параметров транзистора

Для расчета  h-параметров транзистора необходимо построить входную характеристику транзистора и семейство выходных характеристик.

По входным характеристикам определяем:

 

 

 

 

По выходным характеристикам  определяем

 

 

 

 

Таким образом, нашли:

1. Входное сопротивление транзистора

R_вх.тр. = h₁₁ = 66 Ом

2. Коэффициент передачи тока 

β = h₂₁ = 30

3. Выходное сопротивление транзистора

R_вых.тр. = 1/h₂₂ = 4,6 кОм

4. Сопротивление коллектора R_к = (0,2÷1)*R_вых.тр = 1,2 кОм
3. Выбор рабочей точки

Рабочая точка  определяется по входным и выходным характеристикам.

На выходных характеристиках необходимо сначала  построить гиперболу предельно  допустимой мощности, исходя из предельно  допустимых значений тока, напряжения и мощности для транзистора КТ104А. Эти значения берутся из справочника:

U_{кэ max} = 30 В, I_{к max} = 50 мА, P_{к max} = 150 мВт

Выбираем значение напряжения источника питания E_к в пределах

(0,7 ÷ 0,9) * U_{кэ max} = (0,7 ÷ 0,9) * 30 =21В ÷ 27В. Пусть E_к = 24В

Далее строится линия нагрузки по постоянному току, ее уравнение:

U_кэ = Е_к - I_кR_к

Рассматриваются два предельных случая:

                 U_кэ = 0,     I_к = 

                  I_к = 0, U_кэ = Е_к = 24В

На  середине этой линии берется точка (U_кэ0, I_к0) при определенном I_б0

При этом же I_б0 по входной характеристике определяется U_бэ0

Рабочая точка:

U_кэ0 = 10,6 В, I_к0 = 11,23 мА, U_бэ0 = 0,2375 В, I_б0 = 0,3593 мА

 

4. Расчет элементов  каскада

Сопротивление эмиттерного  перехода:

, где ϕ_т – тепловой потенциал при T=300К

 

= 1156 Ом

Ток базового делителя: I_д = 10*I_б0 = 3,6 мА

Базовый делитель:

= 3758 Ом

= 2598 Ом

1536 Ом

Входное и выходное сопротивления  каскада без входного сигнала и без нагрузки:

Без учета делителя:

 

С учетом делителя:

 = 1472 Ом

 

Чтобы  сопротивления каскада были R_вх = 1кОм, и  R_вых = 110 Ом, добавим сопротивление R_г последовательно генератору входных импульсов и сопротивление нагрузки R_н параллельно резистору в цепи эмиттера.

Тогда

 

 

R_э||R_н = 110 => R_н = 123 Ом

R_г = 1000 – R_д||h_21э * R_нэ = 653 Ом

Чтобы ограничить постоянные составляющие входного напряжения и  напряжения питания, нужно последовательно  с генератором и последовательно  с нагрузкой включить емкости. Сопротивление  их должно быть довольно малым => емкость должна быть довольно большой, плюс реактивное сопротивление емкостей нужно учитывать при подсчете входного и выходного сопротивлений каскада, тогда

R_г + X_C1 = 653 Ом

R_н + X_C2 = 123 Ом

Частота входного сигнала  f = 60 Гц

Пусть С1 = 10 мкФ, тогда