Усилительные устройства

В этом разделе рассматриваются инженерные методы расчета усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, вычитающего и интегрирующего операционных усилителей, влияние обратной связи на параметры усилителя.

Задача 2.2.1.В двухкаскадном транзисторном усилителе с ОС последовательно-параллельного типа определить собственный коэффициент усиления , если необходимо ограничить изменение результирующего коэффициента усиления в заданных пределах (табл. 2.2.1) при изменениях каждого транзистора в 2 раза. Рассчитать входное и выходное сопротивления усилителя, если заданы входные и выходные сопротивления усилительного каскада .

Вариант

Таблица 2.2.1

Методические указания

Для решения задачи необходимо использовать известное выражение, связывающее коэффициенты усиления замкнутого усилителя , разомкнутого усилителя и коэффициент передачи цепи обратной связи . Так как в этом выражении два неизвестных коэффициента и , то их необходимо включить в систему двух уравнений. В первое уравнение, связывающее , и , подставляется исходное заданное значение . Во втором аналогичном уравнении вместо берется в соответствии с изменением коэффициента двух транзисторов, а вместо подставляется увеличенное его значение как следствие изменения .

Получив из этой системы уравнений значение коэффициента , можно рассчитать сопротивления и , которые определяются глубиной ОС, то есть отношением .

Задача 2.2.2.Составить и рассчитать схему транзисторного и усилительного каскада с общим эмиттером, определить его коэффициент усиления , входное сопротивление и выходное сопротивление для условий холостого хода и при включенной нагрузке . Построить диаграммы напряжений на входе, коллекторе и нагрузке. В схеме предусмотреть эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора.

Исходные данные:

– напряжение питания ;

– сопротивление резистора в цепи коллектора (табл. 2.2.2);

– частота входного сигнала ;

– параметры транзистора .

Вариант

Таблица 2.2.2

Методические указания

Расчет каскада начинают с определения рабочей точки транзистора , обеспечивающей режим работы каскада в классе . Используя коэффициент передачи транзистора , определяют рабочий ток базы и напряжение , по которому рассчитываются сопротивления базового делителя. При этом задают ток делителя и напряжение на эмиттере

Емкость конденсаторов на входе, выходе и эмиттере определяется из условия « , где – сопротивление резистора , или .

Параметры усилительного каскада , и рассчитываются по известным формулам, при этом для нагруженного усилительного каскада вместо подставляется эквивалентное сопротивление

.

При построении диаграммы напряжения на коллекторе необходимо учитывать постоянную составляющую , а также сдвиг фазы этого сигнала относительно входного.

В связи с малым значением сопротивлений и емкость конденсаторов может быть значительной (10 – 100 МкФ). Поэтому выбираются конденсаторы, например, типа К50 – 16 . Номинальные значения емкости этих конденсаторов соответствуют ряду Е12, а рабочие напряжения выбираются из ряда: 6,3; 10; 15; 20; 25 В и т. д.

Задача 2.2.3.Представить схему вычитающего операционного усилителя (ОУ), в котором сигнал через резистор подается на инвертирующий вход, сигнал подводится через делитель напряжения к неинвертирующему входу, а в цепи ОС включен резистор . Выбрать и обосновать теоретически сопротивления резисторов , в делителе напряжения, рассчитать выходной сигнал вычитающего ОУ при заданных входных сигналах и (табл. 2.2.3).

Таблица 2.2.3

Вариант
	0,25	0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,15
	0,35	0,55	0,75	0,95	1,15	1,35	1,55	1,75	1,95	2,15

Определить входное сопротивление по каждому из входов и , учитывая собственные параметры усилителя: , , .

Методические указания

Определение выходного напряжения осуществляется методом суперпозиции с использованием коэффициентов передачи ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам. Последние рассчитываются по известным зависимостям, приведенным в литературе.

При определении входного сопротивления по неинвертирующему входу необходимо учитывать сопротивления делителя , , а коэффициент принять равным .

Задача 2.2.4.Составить схему интегрирующего операционного усилителя (ОУ) со сбросом заряда конденсатора. Определить максимальный уровень выходного напряжения ОУ при двух видах входного сигнала: четырех однополярных импульсах со скважностью и переменном напряжении прямоугольной формы. Построить в соответствующем масштабе

диаграммы напряжений на входе и выходе ОУ.

Исходные данные:

– сопротивление входного резистора ;

– емкость конденсатора в цепи ОС ;

– амплитуда входного сигнала и его частота заданы

в табл. 2.2.4.

Таблица 2.2.4

Вариант
	0,5	0,9	1,4	2,0	2,7	3,5	4,4	5,4	6,5	7,7

Методические указания

Выходное напряжение интегрирующего ОУ для рассматриваемого

случая можно определить, учитывая его реакцию на ступенчатый входной сигнал

, (2.2.1)

где – начальное напряжение на выходе ОУ.

Перед вычислением выходного напряжения целесообразно построить диаграммы сигналов на входе и выходе интегратора. Как следует из выражения (2.2.1), выходное напряжение ОУ линейно нарастает за время действия каждого входного импульса. В паузах между импульсами это напряжение остается неизменным.

При знакопеременном входном напряжении конденсатор перезаряжается в каждом полупериоде и на выходе ОУ формируется переменное

напряжение треугольной формы.

При построении диаграмм необходимо учитывать смену знака выходного сигнала относительно входного, а также удвоение скорости изменения напряжения при переменном входном сигнале.

Определив по диаграммам фактическое время интегрирования при заданной частоте (и количестве) входных импульсов, подставляют эту величину в выражение (2.2.1) для определения напряжения .

Рекомендуемая литература