Эмиттерный повторитель со следящей обратной связью
Эмиттерный повторитель (схема ОК) имеет коэффициент передачи по напряжению КU 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
- источник питания Е ;
- входное сопротивление Rвх ;
- входной сигнал Uвх
- коэффициент передачи (усиления) по напряжению Кu
5 активная нагрузка Rн ёмкость нагрузки Сн (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 :
Uбо = Е — Iбо Rб , где
- Rб - выходное сопротивление цепи смещения базы, состоящей из R1 , R2 , R3 по постоянному току : Rб = R1 + R2 II R3 .
Потенциал базы не должен быть выше потенциала коллектора.
Поэтому для напряжения покоя на базе можно принять :
Uбо = +Е — Uвх.max — max (Iбо Rб )
Зададимся величиной max ( Iбо Rб ) = 0, 15 В. Тогда наименьший потенциал эмиттера транзистора есть : Uэо = Uбо – U бэ = + Е – Uвх.max — max ( Iбо Rб) — Uбэ
Сопротивление резистора R4 должно быть выбрано из условия пропускания синусоидального сигнала частоты fгр.н c амплитудой 1В. Т.К. заведомо С3 » Сн , можно считать, что на высоких частотах Сн непосредственно подключена к эмиттеру и, следовательно, во избежание нелинейного искажения такого сигнала должно выполняться условие для тока покоя эмиттера : Iэо≥ fгр.в 2π Сн Uвх.max
Округление здесь сделаем в большую сторону. В результате получим :
R4 = Uэо / Iэо
Выбираем ближайший меньший номинал для получения запаса по Iэо :
При этом
Iэо = Uэо / R4 .
Оценим выбор транзистора по h21э и найдём максимальное выходное сопротивление повторителя при известных ( rб ; rэ ) из выражения :
Rвых. = [ rб / ( h 21э + 1) + rэ ] II R4
и тогда коэффициент передачи (усиления) по напряжению при подключенной нагрузке будет равен :
Кu = ( Rн II R4 ) / [ rб / ( h21э + 1 ) + rэ + Rн II R4 ] .
Оценим удовлетворяет ли он условию задачи.
Минимальное «собственное» входное сопротивление сигналу со стороны базы транзистора при этом составит :
Rвх. т = ( rб + ( rэ + Rн II R4)( h21э + 1) ≈ ( Rн II R4 )(h21э + 1) .
Чтобы гарантировать Rвх.не менее заданной величины необходимо иметь Rб для сигнала не менее чем Rб. сигн. = Rвх. т Rвх / ( Rвх. т – Rвх )
Предположим, что следящая обратная связь отсутствует , т.е. R1 = 0 , C2 = 0 и Rб = R2 II R3 . В этом случае Rб будет одно и то же для сигнала и для режима по постоянному току и хотя значение Rвх. т больше требуемого заданного минимума обеспечить сохранение режима по постоянному току невозможно.
Действительно, максимально возможный ток базы в состоянии покоя есть Iбо = Iэо/(h21э +1) , где взято минимальное значение h21э . Следовательно ток базы может сместить потенциал базы на Rб.сигн٠Iб0 >> max ( Iбо Rб ) ., 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 Rб при наличии R1 ¹ 0 и С2 ¹ 0 c точки зрения режима по постоянному току.
Rб = R1 + R2 II R3 » max ( Iбо Rб ) / Iбо
Вычислим сопротивление R1 необходимое для получения Rвх. заданной величины по сигналу. Падение напряжения сигнала на R1 при достаточно большой ёмкости С2 равно :
Uвх. – Uвых. = Uвх ( 1 – Кu)
Следовательно, ток сигнала через R1 составит Uвх. = ( 1 – Кu ) / R1 и эффективное значение R1 по сигналу будет равно:
R1 эфф. = Uвх. / [ Uвх. ( 1 – Ку ) / R1 ] = R1 / ( 1 – Кu )
Приравняем R1 эфф. = Rб сигн. и из этого уравнения получим :
R1 = ( 1 – Кu ) Rб сигн.
Выбираем номинал R1 с запасом и получим значение R1 эфф. .
Вернёмся к режиму по постоянному току и при этом имеем :
R2 II R3 » Rб - R1
Определим R2 и R3 так,чтобы потенциал базы при Iбо = 0 был равен Е-- Uвх.max .
Получим значения R2 и R3 . При подключении С2 ¹ 0 нагрузка на выходе повторителя изменится и соответственно изменятся Rвх. т и Кu .
Проверим будут ли эти изменения допустимыми :
Кu = ( Rн II R4 II R2 II R3 ) / [ rб / ( h21 э + 1 ) + rэ + Rн II R4 II R2 II R3 ] .
Rвх. т ≈ rб + ( rэ + Rн II R4 II R2 II R3 ) ( h21э + 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 :
Rвх. = Rвх. т II R1эфф..
Ёмкость конденсатора С1 должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала частотой fгр. н от источника сигнала на базу транзистора.
Постоянная времени перезаряда С1 есть Т1 = Rвх. С1
Чтобы обеспечить полосу пропускания снизу должно соблюдаться условие :
Т1 ≥ 1 / 2π fгр. н ,
откуда
C1 ≥ 1 / 2 π fгр. н Rвх. .
В качестве конденсатора можно использовать керамический или бумажный конденсатор требуемой ёмкости .
Ёмкость конденсатора С3 должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала с fгр. н с коллектора транзистора на сопротивление нагрузки. Перезаряд этого конденсатора происходит через последовательное соединение Rвых. и Rн . Т.к. Rвых.<< Rн можно принять, что постоянная времени перезаряда С1 есть Т3 = Rн С3 и учитывая , что Т3 = Т1 получим : С3 ≥ Т1 / Rн .
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 ٠Iб 0
Это намного меньше , чем допустимая мощность рассеяния любого из применяемых компонентов
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 3