Расчет дифференциального транзисторного усилителя

Исходные данные для проектирования

Рассчитать дифференциальный усилитель на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом. Входное сопротивление усилителя — не менее 2 МОм, требуемый коэффициент усиления — 9, максимальная амплитуда выходного напряжения — 10 В, выходное сопротивление — не более 12 КОм, рабочая полоса частот — 2 Гц-10 КГц.

Для расчета используем следующую схему.

Рис. 1

1. Расчет дифференциального транзисторного усилителя

Дифференциальный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Дифференциальные усилители следует использовать всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным. Дифференциальный входной сигнал называют еще полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду.

В данной работе требуется рассчитать дифференциальный усилитель на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Полевой транзистор — это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n-перехода и с изолированным затвором (МДП — или МОП — транзисторы): со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р-типа и n-типа. Канал р-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа — электронной.

В полевом транзисторе с изолированным затвором управляющий металлический электрод отделен от канальной области тонким слоем диэлектрика (0,05—0,20 мкм). Канал может быть либо образован технологическим способом (встроенный канал), либо создан напряжением, подаваемым на затвор в рабочем режиме (индуцированный канал).

Рис. 1 — Конструкция МДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р-типа и на одном из р-n-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т. е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р-области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 2).

Рис. 2 — Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

Важно отметить, что каскад абсолютно симметричен, то есть сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы.

В данном проекте за номинальный ряд сопротивлений и емкостей принимает стандартный ряд Е24:

2. Расчет основных элементов схемы

2.1 Расчет требуемых характеристик источника питания

1. В данной схеме R3=Rвых, учитывая, что дифференциальный каскад симметричен, R3=R7, (R1=R8,R2=R9, R4=R6). По условию Rвых?12 КОм, тогда примем R3=R7=6,2 КОм.

2. Рассчитаем ток стока покоя

Iс пок= = ;

Imax=2* Iс пок=2 мА;

3.Коэффициент усиления схемы можно найти по формуле

k=, откуда находим сопротивление в цепи истока

R4= = ,

R6= R4;

Согласно стандартному ряду номиналов сопротивлений и ёмкостей Е24, примем

R4= R6=0,68 КОм;

4. Сопротивление

R5=(5.10)*R4, тогда

R5=5* R4=5*680=3400 Ом=3,4 КОм (по ряду Е24 R5 примем равным 3,6 КОм);

5. Определим напряжение питания схемы Uпит

Uпит=2* Iс пок*(R3+R4+R5) = 2*(6,2+0,68+3,6)? 21 В;

Расчет и выбор всех элементов схемы (номиналов и мощностей)

1. Напряжение на резисторе R5:

UR5 =2* Iс пок*R5=2*3,6=7,2 В;

2. По найденным значениям определим мощность резисторов:

PR3=Uпит*Iс пок=21*1=21 мВт, PR3 = PR7;

PR4=2* Iс пок*Uс, где Uс= R4*Iс пок=0,68*1=0,68 В, тогда PR4=2*1*10−3*0,68=1,36 мВт, PR4 = PR6;

PR5 =[Uпит-Iс пок (R3+R4)+2* Iс пок*R5]* Iс пок, PR5=[21−6,88+7,2]* 1*10−3?24 мВт,

3. Напряжение Uи пок= UR5+ Iс пок*R4=7,2+0,68=7,88 В;

По рассчитанным значениям напряжения питания, максимальному току и мощности, рассеиваемой на резисторе R5, выбираем транзистор — КП304А, предназначенный для применения в переключающих и усилительных схемах с высоким входным сопротивлением.

Необходимо выполнение условий:

Uси.max > Uпит.; Iс. max >> Ic.пок.

Основные технические параметры КП304А:

Рис. 3

4. По данным графикам определяем, что значению Iс пок=1 мА соответствует значение U зи пок?2,5 В Имеют место следующие соотношения:

U зи пок= Uпит*R2/(R1+ R2);

Rвх= R1 ||R2= R1*R2/(R1+ R2);

Разделив первое уравнение на второе, получим, что

R1= Uпит*Rвх/ U зи пок, R1=21*2*106/2,5=18,4 МОм, что соответствует значению ?18Мом в ряде Е24, R1= R8,

Подставив значение R1 в одно из уравнений, найдём значение R2:

Rвх.(R1 + R2) = R1*R2;

Rвх.*R1 + Rвх R2 = R1*R2;

Rвх.*R1 — R1*R2= Rвх R2;

R2 = = 2*106*18*106 / 18*106 — 2*106 = 2,4 МОм, R2= R9

Следовательно, Rвх=18*2,4/20,4=2,12 МОм.

5. Найдём максимальный и минимальный токи стока:

Iс max= Iс пок+ Uвых max/2R3=1+0,8=1,8 мА;

Iс min= Iс покUвых max/2R3=1−0,8=0,2 мА;

6. Найдём напряжение и ток делителя в цепи затвора:

Uз = Uи + Uзи, где Uзи посчитаем из формулы:

где указанные величины берем из графиков и получаем

Uзи = 11 В.

Следовательно,

Uз=0,68+11=11,68 В;

Iд=Uпит/(R1+ R2)=21*10−6/20,4=1,127 мкА;

7. Рассчитаем значения входной и выходной ёмкости:

С1=1/(2р*fmin* Rвх)=10−6/(6,28*2*2,12)=36 нФ;

С2= 1/(2р*fmax* Rвых)= 10−6/(6,28*10*6,2)=2,7 нФ;

2.2 Расчет КПД схемы при синусоидальном входном сигнале с амплитудой 0,5В

Примем, что сопротивление на нагрузке равно Rн=10*Rвых=62 Ком;

Напряжение на нагрузке равно

Uн=Uвх*kу, Uн=0,5*9=4,5 В;

Тогда ток нагрузки будет определяться как

Iн=Uн/Rн, Iн=4,5*10−3/62=0,07 мА, Мощность нагрузки

Рн=Uн*Iн=4,5*0,07*10−3=0,315 м Вт;

Потребляемая от источника питания мощность равна

Pпотр.= Рн + 2Uпит*Iс.пок. + 2Uпит.*Iд.

Поскольку током делителя можно пренебречь, то получаем потребляемую мощность:

Pпотр.= Рн + 2Uпит*Iс.пок = 0,315*10−3 + 2*21*1*10−3 = 42,315 мВт;

Из этого получим КПД:

з=, з=0,315/42,315*100%=0,744%.

2.3 Оценка нелинейности схемы

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются крутизной

S=dIc/dUзи;

Оценим значение крутизны на нескольких участках:

Минимальное значение крутизны:

S1= мА/В;

Номинальное значение крутизны:

S2=;

Максимальное значение крутизны:

S3=;

Тогда максимальный и минимальный коэффициент усиления равны:

Ku.min.= = = 8,93;

Ku.max.= = = 9,18;

Найдем коэффициент нелинейности:

Kнелин.= = = 0,03 или 3%

2.4 Расчет печатной платы (толщина, размеры отверстий, контактных площадок, ширина проводников, расстояние между проводниками)

При создании и изготовлении печатных плат используем следующие нормативные документы: ГОСТ 23 751–86, РД 50−708−91. ГОСТ 23 751–86 предусматривает 5 классов точности печатных плат. Выбор каждого класса обусловлен только уровнем технологического оснащения производства. Наиболее распространены печатные платы 3 класса, поскольку, с одной стороны обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки монтажа, а с другой стороны — для их производства достаточно рядового, хотя и специализированного оборудования. Именно этот класс точности мы и будем использовать.

Печатная плата представляет собой изоляционное основание, на котором имеется совокупность печатных проводников, контактных площадок или переходов.

Анализируя принципиальную электрическую схему, проектируем печатную плату односторонней.

Марка материала СФ-1−35−1,5 — одностосторонний фольгированный стеклотекстолит, толщиной фольги 35 мкм. Он обладает улучшенными изоляционными свойствами, влагостойкостью и термостойкостью. Рекомендуется для изготовления печатных плат, эксплуатирующихся при температурах до 120 ° С.

Определяем площадь печатной платы:

Sпеч. платы = УSрэ + УSкп,

где Sрэ — площадь всех радиоэлементов, Sкп — площадь контактных полей.

Sп/п =9· (3,5·2,2)+2·(4,4·2,5)+2·12+5·60+11· 1+6· 1,57+7·2,26 = 453,11 мм².

Максимальные габариты получаются из условий получения достаточной жесткости платы. Отношение размеров сторон не должно превышать 1: 3.

Расчет элементов печатного монтажа При разработке конструкции печатной платы, необходимо рассчитывать диаметр контактных площадок и диаметр отверстий.

Основными исходными данными для расчетов элементов печатного монтажа является класс плотности и шаг координатной сетки 2,5 мм.

транзисторный усилитель схема питание

Рассчитываем диаметр отверстий:

Dотв = Dвыв + (0,2 — 0,3), где Dвыв — диаметр выводов ЭРЭ.

Расчет:

для R1 — R9, C1 — C2:

Dотв = Dвыв + 0,2 = 0,6 + 0,2 = 0,8 мм, для VT1 — VT2:

Dотв = Dвыв + 0,2 = 0,8 + 0,2 = 1 мм, для разъемов:

Dотв = Dвыв + 0,2 = 1 + 0,2 = 1,2 мм.

Диаметр контактных площадок:

Dкп = Dотв + b + c,

где Dотв — диаметр отверстия; b — ширина контактного пояса, зависит от класса плотности монтажа; с — коэффициент погрешности, зависит от класса плотности монтажа.

Расчет:

для R1 — R9, C1 — C2:

Dкп = Dотв + 0,3 + 0,65 = 1,55 мм, для VT1 — VT2:

Dкп = Dотв + 0,3 + 0,65 = 1,75 мм, для разъемов:

Dкп = Dотв + 0,3 + 0,65 = 1,95 мм, Размещение РЭ и ИМС предшествует трассировке печатных связей и во многом определяет эффективность трассировки.

Основной метод размещения ИМС — плоский многорядный. Задача компоновки заключается в том, что с одной стороны необходимо разместить элементы как можно более плотно, а с другой стороны — обеспечить наилучшие условия для трассировки, электромагнитной и тепловой совместимости, автоматизации сборки, монтажа и контроля.

Крепление микросхем и РЭ осуществляется, в основном, пайкой, причем, не задействованные контакты необходимо запаивать для увеличения жесткости. Микросхемы с планарными выводами можно устанавливать с помощью клея и лака. Их выводы припаивают к контактным площадкам. Корпус микросхемы с планарными выводами приклеивают непосредственно на полупроводник или на контактную прокладку.

Центры металлизированных и крепежных отверстий на полупроводнике должны располагаться в узлах координатной сетки. Координатную сетку применяют для определения положения печатного монтажа. Основной шаг координатной сетки 2,5 мм, дополнительный — 1,25 мм и 0,25 мм.

Заключение

Рассчитанный в данной работе дифференциальный усилитель имеет ряд преимуществ перед базовым дифференциальным усилителем на биполярных транзисторах. Наличие делителя тока делает усилитель стабильным при высоких и низких температурах. И вместе со всеми преимуществами усилитель потребляет сравнительно малую мощность что позволяет использовать маломощные элементы.

Дифференциальные усилительные каскады широко применяют для построения усилителей постоянного тока и логических элементов. Они являются одними из наиболее распространенных схемотехнических решений в интегральной схемотехнике. В настоящее время дифференциальные усилители представляют собой основной базовый каскад аналоговых ИМС, в частности, дифференциальный усилитель, является входным каскадом любого операционного усилителя.

1. Характеристика транзистора КП304А.

1. РД 50−708−91 Инструкция, платы печатные. Требования к конструированию.

2. ГОСТ 23 752–79 Платы печатные, общие технические условия.

3. ГОСТ 23 751–86 Платы печатные, основные параметры конструкции.

4. Смирнов В. А., Лебеденко И. С. Электронные устройства приборов. Учебное пособие / В. А. Смирнов. — Тула.: Изд-во ТулГУ, 2007. 240 с.

5. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов / В. Г. Гусев. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2004. — 709 с.