понедельник, 30 мая 2011 г.

Двухкаскадный усилитель постоянного тока.

 В статье усилитель постоянного тока на кт315 рассматривался расчёт инвертирующего усилителя постоянного тока. Для того чтобы создать неинвертирующий усилитель с большим коэффициентом усиления можно соединить каскадно два инвертирующих усилителя но для использования, в этом случае, схемы из предыдущей статьи необходимо пересчитать сопротивления резисторов делителя задающего положение рабочей точки транзистора. В схеме из предыдущей статьи рабочая точка находилась посередине нагрузочной характеристики. Сдвинем рабочую точку вниз по нагрузочной прямой так чтобы напряжение Uкэ, при отсутствии сигнала на входе, было максимальным.

Выходные характеристики, нагрузочная прямая и рабочая точка

Рисунок 1 - Выходные характеристики, нагрузочная прямая и рабочая точка

 Если на вход подать сигнал то рабочая точка сдвинется вверх по нагрузочной прямой и напряжение Uкэ уменьшится следовательно уменьшится и напряжение на выходе так как Uкэ это и выходное напряжение. Если выход одного такого усилителя подключить ко входу другого такого же то уменьшение напряжения на выходе первого будет создавать увеличение напряжения на выходе второго. Выберем напряжение Uбэ так чтобы ток базы был равен нулю и   транзистор был закрыт.
Входная характеристика транзистора кт315Б для схемы с ОЭ
Рисунок 2 - Входная характеристика транзистора кт315Б для схемы с ОЭ

Из входной характеристики видно что при Uбэ=0.1В ток базы будет равен нулю даже если Uкэ=0В. Выберем Uбэ=0.1В.

Схема инвертирующего усилителя
Рисунок 3 - Схема инвертирующего усилителя

Напряжение на выходе, на самом деле, будет немного меньше напряжения питания так как закрытый транзистор обладает небольшой проводимостью. Выберем ток делителя таким же как и в схеме из предыдущей статьи Iд=0.09мА. Рассчитаем сопротивления резисторов делителя (приняв Iд1=Iд2=Iд=0.09мА=0.00009А):



Подберем сопротивления резисторов из стандартного ряда сопротивлений (или подберем резисторы из имеющихся с ближайшими значениями сопротивлений): Rд1=56кОм, Rд2=1,5кОм. 





Другая схема двухкаскадного усилителя

Как было выяснено, схема приведенная выше не производит усиление если напряжение на входе меньше 0.6В, если больше 0.6В но меньше 5В то усиление происходит до 5В (возможно схема работает только в очень узком диапазоне входных напряжений около 0.6В), поэтому она была немного изменена:    

Рисунок 5 - Схема двухкаскадного усилителя постоянного напряжения

Выберем ток базы:
используя входную характеристику:
Рисунок 6
Выберем ток Iд1 в 10 раз больше тока базы:
Рассчитаем, по первому закону Кирхгофа, ток Iд2:
Напряжение Uбэ1 найдено из входной характеристики (рисунок 6) по току базы Iб1:
Рассчитаем, по закону Ома, сопротивление резистора Rд2 и подберем подходящее из стандартного ряда:
Рассчитаем сопротивление резистора Rд1:
Найдем ток коллектора транзистора VT1:
h21э=120 - коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.
Найдем напряжение Uкэ1:
Rк1=1000Ом - сопротивление резистора в Rк1 (как в предыдущей схеме).
Выберем напряжение на выходе:
Рассчитаем ток коллектора транзистора VT2:
Uп=5В - напряжение питания.
Найдем ток базы второго транзистора (VT2):
Из входной характеристики:
Рисунок 7
найдем напряжение Uбэ2:
Найдем напряжение на резисторе Rэ2:
По закону Ома, найдем сопротивление резистора Rэ2:
Ниже приведены фотографии собранного усилителя.
Измерение напряжения на выходе:
Измерение напряжения на входе:
Напряжение на вход подавалось с источника питания через резисторы.
Было проведено три измерения, результаты занесены в таблицу:
Uвх - напряжение на входе, Uвых - напряжение на выходе, KU - коэффициент усиления по напряжению. Из таблицы видно что коэффициент усиления по напряжению увеличивается при увеличении напряжения на входе, но возможно и такому усилителю найдется применение.

22 комментария:

  1. Непойму, как получается, что при 0,8 вольтах сигнал усиливается до 5 вольт? Как высчитать.

    ОтветитьУдалить
  2. У биполярного транзистора есть такой параметр как коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером h21э, этот параметр связывает ток базы и ток коллектора таким образом: Iк=h21э*Iб. То есть на самом деле транзистор усиливает ток но ток базы Iб связан с напряжением Uбэ (см. рисунок 2) а ток коллектора Iк связан с напряжением Uкэ соотношением: Uкэ=Uп-Rк*Iк где Uп-напряжение питания, Rк-сопротивление резистора в цепи коллектора, Iк-ток коллектора. Если выразить Uбэ через ток базы то получится: Uкэ=Uп-Rк*h21э*Iб от сюда видно что чем больше ток базы тем меньше напряжение Uкэ следовательно чем больше напряжение Uбэ тем меньше напряжение Uкэ но при увеличении Uбэ уменьшение Uкэ будет больше что видно из выражения Uкэ=Uп-Rк*h21э*Iб при учёте того что Uбэ и Iб связаны зависимостью которая показана графически на рисунке 2 с транзистором во втором каскаде (предположим до этого речь шла о первом) происходит тоже самое только его Uбэ уменьшается а следовательно Uкэ увеличивается.
    В нашем случае на входе 0.8В а на выходе 5В транзистор не может увеличить напряжение на выходе больше чем напряжение питания так как напряжение на выходе берётся из напряжения питания поэтому как ни увеличивай напряжение на входе, если оно больше некоторого минимального значения при котором напряжение на выходе равно напряжению питания, напряжение питания всё равно будет 5В (на самом напряжение на выходе немного меньше т.к. транзистор даже в закрытом состоянии проводит небольшой ток). Если необходимо высчитать напряжение на выходе при достаточно малом напряжении на входе то проще собрать эту схему (реально или в какой нибудь программе например в microcap) подать на вход это напряжение и посмотреть что на выходе но если всё таки необходимо рассчитать то можно заменить транзисторы их эквивалентными схемами замещения а источник G1 резистором с его внутренним сопротивлением но это достаточно сложная задача решить её эмпирически (опытным путём) гораздо проще хотя можно по приведенным выше формулам, законам Кирхгофа и закону ома приблизительно рассчитать но это не даст точного значения только приближённое. Если что я тут приводил пример расчёта схемы с ИТУТом - http://electe.blogspot.com/2011/11/blog-post_12.html
    и наверное может пригодиться расчёт внутреннего сопротивления источника -
    http://electe.blogspot.com/2011/05/blog-post_09.html

    ОтветитьУдалить
  3. Спасибо огромное, за обширный ответ.))
    Я начинаю потихоньку разбираться как происходит процесс усиления, перечитав статью и комментарий много раз.))
    Есть еще один вопрос, В схемах усилителей в цепь эмитера подключаю резистор несколько сотен ом. Как он высчитывается?

    ОтветитьУдалить
  4. Процесс усиления на самом деле довольно прост. Резистор в цепи коллектора и транзистор образуют делитель напряжения, сопротивление транзистора меняется в зависимости от тока базы и таким образом меняется коэффициент передачи и следовательно напряжение на выходе. Резистор в цепи эмиттера Rэ может ставиться для разных целей. Если, например, он ставиться для стабилизации рабочей точки (обычно в усилителях переменного тока) то он выбирается таким чтобы напряжение на нём было (0.1...0.2)*Uп. Этот резистор уменьшает коэффициент усиления усилителя и возможно если для этого он и ставится то его подбирают таким чтобы коэффициент усиления устраивал. Я пробовал вывести формулу для нахождения коэффициента усиления, вот что получилось:
    k=(Uп-Iб*h21э*Rк)/(Uбэ(Iб)+h21э*Iб*Rэ)
    k-это коэффициент усиления по напряжению
    Uбэ(Iб)-это Uбэ которое находится, в зависимости от Iб, по входной характеристике транзистора (см. рисунок 2). Если выразить Rэ то получиться:
    Rэ=((Uп-Iб*h21э*Rк)/(k*iб*h21э))-(Uбэ(Iб)/(iб*h21э))
    но я не уверен на счёт этой формулы.

    ОтветитьУдалить
  5. Спасибо большое.))

    Вы случайно не думали написать статью о работе блока питания(на транзисторах) с регулировкой тока.

    ОтветитьУдалить
  6. Обычно блоки питания близки по параметрам к источникам напряжения, т.к. напряжение которое они выдают почти не меняется при изменении нагрузки (ток может меняться), следовательно большую пользу представляла бы регулировка напряжения выдаваемого блоком питания. Я думаю что хорошим способом регулировки напряжения блока питания является ИППН (импульсный преобразователь постоянного напряжения). О принципе работы одного типа ИППН я уже писал-
    http://electe.blogspot.com/2011/07/blog-post_30.html
    также приводил математическую модель-
    electe.blogspot.com/2011/08/blog-post.html
    Вместо ключа S можно использовать полевой или IGBT транзистор если ИППН не очень мощный то можно биполярный. Также можно поставить тиристор но тогда для него придется делать схему запирания.

    ОтветитьУдалить
  7. sergey, смоделировал вашу схему в multisim. Собственно не вижу самого усиления сигнала. Куда Вам можно скинуть схему что бы Вы проверили? :)

    ОтветитьУдалить
  8. Сюда:
    http://www.labview.ru/forum/viewforum.php?f=4
    можно задать вопрос по multisim. Сам я этой программой не пользуюсь т.к. считаю её не лучшим вариантом для моделирования схем. Если чисто в схеме проблема то можете скинуть PrintScreen схемы на экране на почту:
    freedms@yandex.ru

    ОтветитьУдалить
  9. Я прочитал с:
    http://www.labview.ru/forum/viewtopic.php?f=4&t=11146
    вынужден согласиться с supsup.
    Неработоспособность схемы мой косяк. Эту схему, в собранном виде, я перепроверил, внимательнее, и оказалось что она выдает напряжение близкое к 5в при напряжении на входе больше 0.6в и выдает почти ноль при меньшем напряжении на входе.
    Первоначально предполагалось что данная схема будет усиливать постоянное напряжение без инверсии и что этого возможно добиться путём каскадного соединения двух инвертирующих усилителей. Усиление напряжения в схеме всё же происходит но не так как планировалось.

    ОтветитьУдалить
  10. Ответы
    1. Анонимный2 июня 2012 г., 11:10

      объясните пожалуйста как подбирается операционный усилитель, если ток нужно усилить в 100000 раз с нано до мили

      Удалить
    2. Я думаю что при усилении тока важно подобрать такой операционный усилитель у которого максимальный выходной ток больше того тока который требуется на его выходе. В остальном не вижу проблем, хотя может я и не прав.
      Ток на выходе можно найти умножив коэффициент усиления Ку операционного усилителя на напряжение на входе Uвх и поделив это произведение на сумму выходного сопротивления Rвых (этого операционного усилителя) и сопротивления нагрузки Rн: Iвых=Kу*Uвх/(Rвых+Rн) НО это в том случае если предполагать что у операционного усилителя схема замещения такая как у усилителей на рисунке 2 из статьи http://electe.blogspot.com/2011/03/blog-post.html.
      Ток на входе, в этом же случае, может быть найден по формуле: Iвх=Uвх/Rвх где Rвх - входное сопротивление операционного усилителя.

      Удалить
  11. Подскажите схему усилителя постоянного тока с малым дрейфом нуля и коэффициентом усиления 10000. Оч надо.

    ОтветитьУдалить
  12. Может подойдёт операционный усилитель (оу) с малым дрейфом нуля?
    http://www.chipdip.ru/video.aspx?vid=ID000302544
    http://kit-e.ru/articles/usil/2009_06_38.php
    А коэффициент усиления можно задать например включив оу по инвертирующей схеме:
    http://cxem.net/beginner/beginner42.php
    и изменяя сопротивления резисторов в цепи отрицательной обратной связи.
    Можно каскадно соединить несколько таких усилителей и увеличить глубину отрицательной обратной связи ослабив, тем самым, нежелательные изменения выходного напряжения.
    Можно также использовать усилитель с преобразованием (из постоянного тока в переменный и обратно) и построить его на транзисторах но схема будет значительно сложнее.

    ОтветитьУдалить
  13. Подскажите пожалуйста схему усилителя постоянного тока для входного сигнала около 100 mV

    ОтветитьУдалить
  14. Возможно подойдет такая схема:
    http://freedms.narod2.ru/vh_100mV.png
    R1 и R2 можно рассчитать в зависимости от требуемого коэффициента усиления по программе внизу:
    http://electe.blogspot.ru/2012/08/blog-post_19.html
    или по более простой:
    http://electe.blogspot.ru/2012/06/blog-post_19.html
    Думаю при таких входных напряжениях можно взять коэффициент усиления 10...20.
    Выбор сопротивления R4 зависит от того какая будет нагрузка и от напряжения питания.

    ОтветитьУдалить
  15. а как теоретически на трехкаскадном усилителе напряжения найти входные напряжения, если известны только коэффиценты усиления на каждом каскаде и выходное напряжение на третьем каскаде?

    ОтветитьУдалить
  16. Если это коэффициенты усиления напряжения то перемножить их и выходное напряжение поделить на это произведение коэффициентов усиления получится напряжение на входе первого каскада потом умножить это напряжение на коэффициент усиления первого получится напряжение на входе второго, аналогично для третьего.
    напряжение на входе первого каскада:
    Uвх1=Uвых3/(K1*K2*K3)
    Uвых3-выходное напряжение на третьем каскаде, K1,K2,K3-коэффиценты усиления по напряжению.
    напряжение на входе второго каскада:
    Uвх2=Uвx1*K1
    напряжение на входе третьего каскада:
    Uвх3=Uвх2*K2
    или:
    Uвх3=Uвх1*K1*K2

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Можно по другому:
      1)Uвх3=Uвых/K3
      2)Uвх2=Uвх3/K2
      2)Uвх1=Uвх2/K1

      Удалить
  17. Подскажите, а зачем нужен Rк? Кстати, а зачем вообще делитель нужен (Rд1 и Rд2)? Зачем нужно получить Iд?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Делитель нужен для более стабильной работы усилителя чем с одним резистором. Делитель как бы создаёт напряжение от которого будет зависеть ток базы, если ток базы задать одним резистором то от нагрева и д.р. рабочая точка будет немного сдвигаться. Iд д.б. больше тока базы для того чтобы делитель имело смысл ставить. На первую двухкаскадную схему не смотрите, она не правильная, я её удалю.

      Удалить
    2. Удалил. Rк вместе с транзистором образуют делитель напряжения.

      Удалить