Elektornika II.

Dokumenty a příklady

Návrh dvoustupňového předzesilovače

Název  úlohy:  Návrh dvoustupňového předzesilovače

Zadání:  Navrhněte  dvoustupňový zesilovač pro kmitočtové pásmo 20 až 20 000 Hz. Je požadován vstupní odpor zesilovače , výstupní odpor zesilovače , po­žadavek na napěťový zisk a_u = 40 dB. Napájecí stejnosměrné napětí U_CC = 12 V. R_v = 50 Ω.

Použijte tranzistor KF 508, jenž má  pro pracovní bod U_CE = 5 V a I_C = 1 mA zadány  ná­sledující hodnoty h-parametrů: h_11e = 4,5 kΩ, h_12e = 2,2.10^-4, h_21e = 300, h_22e = 30.10^-6 S.

Požadavek na teplotní stabilizaci pracovního bodu u obou tranzistorů je Se ≤ 0,1.

Řešení:

1. Při výpočtu vyjdeme z požadavku na vstupní a výstupní odpor  zesilovače. Těmto po­žadavkům vyhovuje kombinace kaskádního zapojení tranzistorů se společným emitorem SE a se společným kolektorem SC.

Dalším výchozím údajem je požadavek na napěťový zisk, který má být 40 dB, což zna­mená, že napěťové zesílení má být 100. Jestliže se má jednat o kaskádní řazení SE + SK, musí toto zesílení zabezpečit první stupeň (SE).

,  kde R_Z1 je po zjednodušení v podstatě roven R_C1. Ve skutečnosti je dán paralelní kombinací R_C1, R_B2 a r₁ tranzistoru T₂. Zjednodušení můžeme použít vzhledem k předpokladu, že R_C1 je minimálně o řád menší než ostatní dva odpory s ním v paralelní kombinaci (zdůvodnit).

K výpočtu je nutno přepočítat h_e parametry z přiložených grafů do zvoleného pracovního bodu, který je pro U_CE  dán napájecím napětím U_CC, když U_CE = ½.U_CC, a proud I_C zvolíme s ohledem na P_CDOV a průběh výstupních charakteristik. Z rovnice kolektorového obvodu pro stejnosměrné veličiny  můžeme vypočítat emitorový odpor R_E1 při zjednodušení, že I_C je přibližně roven I_E.

.

Nebo naopak vypočítat I_C1,  ,  při zvoleném R_E1 = (¹/₃÷¹/₂) R_C1, pokud R_C1 vypočítáme  z h_e parametrů uvedených v zadání. Pak je však nutno výpočet R_C1 znovu  upřes­nit pro nový pracovní bod  stanovený vypočítaným kolektorovým proudem.

Při výpočtu je nutno provádět odhady na základě dosud provedených výpočtů.

2. Při výpočtu bázového obvodu je nutno vzít v úvahu, že I_B1 = I_C1/h_21e a děličem tvoře­ným bázovými odpory prochází proud I_D1 (5 až 10) krát větší než I_B1. Dalším poznatkem je požadavek na velikost celkového bázového odporu R_B12 (paralelní kombinace R_B1 a R_B2) ze stanovené hodnoty   .

Pokud vypočítáme  odpor R_B2 z rovnice     můžeme R_B1 vypočítat již z míněné paralelní kombinace tvořící R_B12, když platí odvozený vztah :  .

3. Můžeme již překontrolovat vstupní odpor zesilovače, který bude dán po zjednodušení vstupním odporem zesilovací součástky (T₁) pokud platí, že r₁ « R_B12  a  R_C1 « R_VST2, kde r₁ je vstupní odpor prvního tranzistoru a R_VST2 je vstupním odporem druhého zesilovacího stupně (ten je dán paralelní kombinací R_B3 a r₁ druhého tranzistoru, tedy odporů u nichž je předpoklad ,že budou mnohonásobně větší než R_C1).

, kde tedy R_Z1 je R_C1. Vstupní odpor zesilovače musí přibližně odpoví­dat zadání.

4. Druhý tranzistorový stupeň bude plnit funkci impedančního přizpůsobení pro požado­vaný výstupní odpor, což bude výchozí poznatek pro další výpočet. . Z tohoto vztahu můžeme odvodit  velikost R_E2, neboť pokud bude R_E2 o řád větší než r₂ dru­hého tranzistoru, výstupní odpor druhého zesilovacího stupně a tedy i celého zesilovače bude určen výstupním odporem T₂. Je třeba si uvědomit, že celkovou velikost výstupního odporu můžeme odporem R_E2 ovlivnit, ale pouze směrem nahoru od velikosti výstupního odporu zesi­lovací součástky.

Ze zvoleného R_E2, napájecího napětí, které určuje U_CE2  (¹/₂.U_CC), vypočteme I_C2, čímž máme určeny souřadnice klidového pracovního bodu. Do tohoto pracovního bodu můžeme přepočítat h_e parametry, které ještě musíme přepočítat pro zapojení tranzistoru se společným kolektorem podle následujících vztahů: h_11c = h_11e, h_12c = -h_12e, h_21c = 1 a h_22c = h_22e (vztahy jsou uvedeny ve zjednodušené podobě). Zároveň můžeme ověřit splnění požadavku na vý­stupní odpor zesilovače. Výstupní odpor druhého tranzistoru je dán vzta­hem: , kde R_g2 je vnitřní odpor zdroje signálu pro druhý stupeň, který je dán hodnotou R_C1 pokud R_C1 « R_B3.

5. V bázovém obvodu můžeme můžeme pro výpočet bázových odporů v můstkovém za­pojení použít stejný postup a stejné vztahy jako u prvního stupně vyplývající z teplotní stabili­zace  klidového pracovního bodu (viz druhý bod tohoto postupu).

6. Ověříme celkové napěťové zesílení zesilovače které je dáno součinem napěťových zesí­lení jednotlivých stupňů  A_UC = A_U1.A_U2 (pro výpočet jednotlivých zesílení použijeme vztah z prvního bodu tohoto postupu).

7. Na závěr vypočítáme jednotlivé kapacity, vazební C_V, emitorové C_E či kapacitu pro omezení horního pásma kmitočtů C_CE podle následujících vztahů:

,        ,        ,

, kde R je paralelní kombinací R_C1, R_B12 a  .

 , kde R^/ je paralelní kombinací R_C1 a . 

Nové mezní kmitočty zohledňující počet stupňů n = 2 a původní mezní kmitočty f_d = 20 Hz  a f_h = 20 000 Hz jsou dány vztahy: . 

8. Poznámky k řešení : Při řešení je nutno řadu  hodnot volit na základě použitých součástek či zkušeností. Dále je u řady výpočtů  použito zjednodušení vyplývající například z paralelního řazení odporů lišících se o více než jeden řád apod. Stejně tak u volby výpočtu existuje někdy i více variant výpočtu, volby jednotlivých variant necháván na řešiteli. Výše uvedený postup je tedy jedním z možných způsobů řešení výpočtu dvoustupňového zesilovače.

Schéma zapojení dvoustupňového zesilovače