Федеральное агенство связи Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Савиных В.Л.
РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ
Методические указания
по выполнению курсовой работы
Новосибирск, 2013
УДК 621.383.82
К.т.н., доцент Савиных В.Л., Разработка интегрального усилителя,
методические указания, Новосибирск, 2013, стр.
Приведены методические указания к выполнению курсовой работы на тему Разработка интегрального усилителя. В указаниях приводится структурная и принципиальная схемы проектируемого устройства и их описание. Приведена методика выбора элементной базы и рассмотрены особенности электрического расчета усилителя на биполярных и полевых транзисторах.
Каф. Технической электроники
Ил. 7, табл.3, список лит. - 4 назв.
Рецензент ктн доц.
Для направлений 210 300, 210 400
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве практикума
@ Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2013 г.
Оглавление
Стр.
Цели работы......................................................................................................
Задание..............................................................................................................
Содержание курсовой работы ........................................................................
Структурная схема усилителя.......................................................................
Порядок расчета усилителя...........................................................................
Приложение А. Параметры и характеристики бескорпусных
транзисторов……………….............................................................................
Литература ………...........................................................................................
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Научиться составлять электрические схемы интегрального усилителя по заданным параметрам.
Осуществлять правильный выбор БТ и ПТ и определять их параметры по характеристикам или путем измерения.
Проводить электрический расчет пассивных элементов схемы.
4 Рассчитывать элементы схемы для получения заданной АЧХ.
ЗАДАНИЕ
Задание на курсовую работу включает составление и электрический расчет схемы интегрального усилителя в соответствии с заданными параметрами (Таблица 1).
Таблица 1
|
№ |
КU ≥ |
RВХ, кОм ≥ |
UВЫХ max, В |
RН, кОм |
fВ, МГц |
MВ, дБ |
UП, В |
Вх |
|
|
|
20 |
20 |
2 |
1 |
3 |
1 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
100 |
2 |
0,4 |
2,2 |
2 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
120 |
1,2 |
0,2 |
1,4 |
2,8 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
25 |
1 |
0,2 |
2,4 |
3 |
± 12 |
- |
|
|
|
10 |
500 |
1.8 |
0,2 |
1 |
2,4 |
± 9 |
+ |
|
|
|
20 |
25 |
1.8 |
0.6 |
1 |
1,2 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
30 |
1,6 |
0,4 |
2,6 |
1,4 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
105 |
1.8 |
0,3 |
2 |
2,2 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
125 |
1 |
0,2 |
2,4 |
3 |
± 12 |
+ |
|
|
|
12 |
600 |
1,6 |
0,4 |
2,6 |
2,6 |
± 9 |
- |
|
|
|
20 |
35 |
1,4 |
0,35 |
1,2 |
1,6 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
20 |
2 |
0,4 |
2,2 |
2,4 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
100 |
2 |
0,2 |
1,4 |
1,2 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
50 |
1,2 |
0,3 |
2,2 |
1,2 |
± 6 |
- |
|
|
|
14 |
700 |
1,4 |
0,2 |
1,2 |
2,8 |
± 9 |
+ |
|
|
|
20 |
40 |
1,2 |
0,3 |
2,2 |
1,8 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
105 |
1.8 |
0,2 |
2,4 |
1,4 |
± 10 |
+ |
|
|
|
25 |
25 |
1.8 |
0,6 |
2 |
2,6 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
45 |
1 |
0,2 |
2 |
2 |
± 15 |
+ |
|
|
|
18 |
900 |
1 |
0,2 |
2 |
1 |
± 9 |
- |
|
|
|
20 |
20 |
0,8 |
0,16 |
2,8 |
2,2 |
± 6 |
+ |
|
|
|
20 |
50 |
0,8 |
0,2 |
1,8 |
2,2 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
25 |
0,6 |
0,15 |
1,6 |
2,4 |
± 15 |
+ |
|
|
|
20 |
130 |
0,8 |
0,16 |
2,8 |
1 |
± 12 |
- |
|
|
|
20 |
1000 |
0,8 |
0,16 |
1,8 |
1,2 |
± 9 |
+ |
|
|
|
25 |
30 |
1,6 |
0,2 |
1,8 |
2,8 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
120 |
1,2 |
0,2 |
3 |
2 |
± 9 |
+ |
|
|
|
20 |
60 |
2 |
0,25 |
1,4 |
2,6 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
65 |
1.8 |
0,2 |
2,4 |
2,8 |
± 15 |
+ |
|
|
|
8 |
800 |
0,6 |
0,15 |
1,6 |
1,4 |
± 9 |
- |
|
|
|
25 |
70 |
1,6 |
0,2 |
2,8 |
3 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
75 |
1,4 |
0,2 |
1,5 |
1 |
± 15 |
- |
|
|
|
25 |
80 |
1,2 |
0,2 |
3 |
1,2 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
85 |
1 |
0,2 |
1 |
1,4 |
± 15 |
- |
|
|
|
10 |
600 |
2 |
0,25 |
1,4 |
1,6 |
± 6 |
+ |
|
|
|
20 |
18 |
1,6 |
0,4 |
1,8 |
1,8 |
± 15 |
- |
|
|
|
25 |
90 |
0,8 |
0,2 |
2,6 |
1,6 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
25 |
1,4 |
0,2 |
1,6 |
3 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
135 |
0,6 |
0,12 |
1,5 |
1,2 |
± 12 |
+ |
|
|
|
12 |
700 |
1.8 |
0,3 |
2,4 |
1,8 |
± 6 |
- |
|
|
|
25 |
15 |
0,6 |
0,3 |
1,2 |
1,8 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
110 |
1,6 |
0,2 |
1,8 |
2,4 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
140 |
2 |
0,5 |
3 |
1,4 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
110 |
1,6 |
0,2 |
2,8 |
1,6 |
± 10 |
- |
|
|
|
14 |
800 |
1,6 |
0,2 |
2,8 |
2 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
25 |
1,4 |
0,2 |
1,6 |
2,6 |
± 15 |
- |
|
|
|
20 |
145 |
1.8 |
0,3 |
1 |
1,6 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
40 |
1,2 |
0,3 |
1,4 |
1 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
150 |
1,6 |
0,4 |
2,6 |
1,8 |
± 12 |
+ |
|
|
|
16 |
900 |
1,4 |
0,7 |
1,5 |
2,2 |
± 6 |
- |
|
|
|
20 |
160 |
1,4 |
0,15 |
1,2 |
2 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
25 |
0,6 |
0,12 |
1,5 |
2,4 |
± 6 |
- |
|
|
|
20 |
115 |
1,4 |
0,2 |
1,5 |
1,8 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
170 |
1,2 |
0,2 |
2,2 |
2,2 |
± 12 |
- |
|
|
|
18 |
1000 |
1,2 |
0,6 |
3 |
2,4 |
± 6 |
+ |
|
|
|
20 |
180 |
1 |
0,25 |
2 |
2,4 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
50 |
0,8 |
0,2 |
2,8 |
1,4 |
± 10 |
+ |
|
|
|
25 |
45 |
1 |
0,5 |
2,4 |
1,2 |
± 10 |
- |
|
|
|
25 |
190 |
0,8 |
0,2 |
1,8 |
2,6 |
± 12 |
+ |
|
|
|
8 |
1200 |
0,8 |
0,1 |
2,6 |
2,8 |
± 6 |
- |
|
|
|
25 |
22 |
2 |
0,5 |
1,4 |
3 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
90 |
0,8 |
0,2 |
1,8 |
3 |
± 10 |
- |
|
|
|
25 |
200 |
0,6 |
0,15 |
1,6 |
2,8 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
16 |
1 |
0,1 |
1 |
2,6 |
± 6 |
- |
|
|
|
10 |
700 |
0,6 |
0,1 |
1,2 |
3 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
24 |
1.8 |
0,3 |
2,4 |
1 |
± 12 |
- |
|
|
|
20 |
125 |
1 |
0,2 |
1 |
2,2 |
± 9 |
+ |
|
|
|
25 |
260 |
1,6 |
0,25 |
2,8 |
1,2 |
± 12 |
- |
|
|
|
20 |
25 |
1,4 |
0,2 |
1,2 |
1 |
± 6 |
+ |
|
|
|
12 |
800 |
2 |
0,4 |
2,2 |
1 |
± 6 |
- |
|
|
|
25 |
280 |
1,4 |
0,25 |
1,5 |
1,4 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
30 |
1,2 |
0,3 |
3 |
1,6 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
320 |
1 |
0,4 |
1 |
1,8 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
30 |
2 |
0,4 |
3 |
2,6 |
± 6 |
- |
|
|
|
14 |
900 |
1.8 |
0,4 |
2 |
1,2 |
± 6 |
+ |
|
|
|
20 |
22 |
2 |
1 |
3 |
1 |
± 15 |
- |
|
|
|
25 |
55 |
0,6 |
0,15 |
1,5 |
1,6 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
75 |
1 |
0,2 |
2 |
1,4 |
± 6 |
- |
|
|
|
20 |
60 |
0,8 |
0,25 |
1,8 |
1,6 |
± 12 |
+ |
|
|
|
16 |
1000 |
1,6 |
0,4 |
1,8 |
1,4 |
± 6 |
- |
|
|
|
25 |
100 |
0,8 |
0,2 |
2,6 |
1 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
15 |
0,6 |
0,2 |
1,2 |
1,2 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
13 |
0,8 |
0,2 |
2,6 |
2,4 |
± 9 |
+ |
|
|
|
25 |
60 |
2 |
0,4 |
3 |
1,8 |
± 10 |
- |
|
|
|
18 |
800 |
1,4 |
0,2 |
1,6 |
1,6 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
65 |
1.8 |
0,3 |
1 |
2 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
70 |
1,6 |
0,2 |
2,6 |
2,2 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
75 |
1,4 |
0,2 |
1,2 |
2,4 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
80 |
1,2 |
0,2 |
2,2 |
2,6 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
1200 |
1,2 |
0,3 |
1,4 |
1,8 |
± 6 |
- |
|
|
|
20 |
85 |
1 |
0,2 |
2 |
2,8 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
25 |
0,6 |
0,3 |
1,6 |
1,8 |
± 12 |
- |
|
|
|
20 |
95 |
0,6 |
0,15 |
1,6 |
1 |
± 10 |
+ |
|
|
|
25 |
22 |
2 |
0,2 |
3 |
2,2 |
± 9 |
- |
|
|
|
8 |
500 |
1 |
0,25 |
2,4 |
2 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
340 |
0,8 |
0,4 |
2,6 |
2 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
360 |
0,6 |
0,15 |
1,2 |
2,2 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
20 |
0,6 |
0,15 |
1,5 |
2 |
± 9 |
- |
|
|
|
25 |
135 |
0,6 |
0,15 |
1,2 |
2,6 |
± 9 |
+ |
|
|
|
20 |
1000 |
1,6 |
0,4 |
1,8 |
1,8 |
± 15 |
- |
|
|
|
25 |
18 |
2 |
0,25 |
2,2 |
2,8 |
± 9 |
+ |
|
|
|
22 |
16 |
1.8 |
0,25 |
2 |
3 |
± 9 |
- |
|
|
|
25 |
150 |
1,6 |
0,25 |
1,8 |
1 |
± 9 |
+ |
|
|
|
24 |
160 |
1,4 |
0,25 |
1,6 |
1,2 |
± 9 |
- |
|
|
|
25 |
700 |
2 |
0,5 |
1,4 |
2 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
18 |
1,2 |
0,25 |
1,4 |
1,4 |
± 9 |
- |
|
|
|
25 |
180 |
1 |
0,25 |
2,4 |
1,6 |
± 9 |
+ |
|
|
|
26 |
190 |
0,8 |
0,2 |
2,8 |
1,8 |
± 9 |
- |
|
|
|
20 |
35 |
1.8 |
0,2 |
1 |
2,8 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
750 |
1.8 |
0,6 |
2,4 |
2,2 |
± 12 |
- |
|
|
|
20 |
40 |
1,6 |
0,25 |
2,6 |
3 |
± 6 |
+ |
|
|
|
25 |
80 |
1,6 |
0,4 |
2,8 |
2,4 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
15 |
1,4 |
0,35 |
1,5 |
2,6 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
90 |
1,2 |
0,3 |
3 |
2,8 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
900 |
1 |
0,25 |
1 |
3 |
± 12 |
+ |
|
|
|
25 |
110 |
2 |
0,5 |
2,2 |
1,4 |
± 12 |
- |
|
|
|
25 |
115 |
1.8 |
0,6 |
2 |
1,6 |
± 12 |
+ |
|
|
|
20 |
18 |
1,2 |
0,25 |
1,4 |
1,4 |
± 9 |
- |
|
|
|
22 |
50 |
1.8 |
0,2 |
1 |
2,8 |
± 6 |
+ |
|
|
|
20 |
500 |
1.8 |
0,2 |
1 |
2,8 |
± 6 |
- |
|
|
|
24 |
35 |
1,4 |
0,35 |
1,2 |
1,6 |
± 15 |
+ |
|
|
|
25 |
20 |
2 |
0,4 |
2,2 |
2,4 |
± 10 |
- |
|
|
|
20 |
100 |
2 |
0,2 |
1,4 |
1,2 |
± 10 |
+ |
|
|
|
20 |
50 |
1,2 |
0,3 |
2,2 |
1,2 |
± 6 |
- |
|
|
|
14 |
800 |
1,4 |
0,2 |
1,2 |
2,8 |
± 9 |
+ |
|
СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Перед выполнением курсовой работы студент должен изучить основные вопросы, касающиеся принципа работы и особенностей построения интегральных усилителей.
Курсовая работа состоит из введения, составления и электрического расчета принципиальной схемы и заключения.
Во введении необходимо кратко описать преимущества разработки электронных устройств с использованием в качестве элементной базы интегральных микросхем.
Основная часть проекта посвящена разработке и электрическому расчету принципиальной схемы усилительного устройства в соответствии с заданными параметрами, а также расчету АЧХ. Эта часть заканчивается приведением полной принципиальной схемы усилителя с указанием типов БТ или ПТ и номиналов пассивных элементов, а также АЧХ.
В заключении привести краткие выводы о проделанной работе, в частности можно коротко рассмотреть другие варианты разработки усилительного устройства и сравнить эти варианты конструктивно с точки зрения технологического исполнения ИМС.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ
Усилитель состоит из трех каскадов (рис. 1):
1 Дифференциальный каскад (ДК) предназначен для усиления разности двух напряжений UВЫХ ДК=КU ДК(UВХ2 - UВХ1) или при равенстве одного из них нулю происходит усиление входного сигнала с инверсией или без инверсии
(используется вариант в зависимости от задания);
2 схема смещения уровня (ССУ): т.к. постоянное напряжение на выходе ДК не равно нулю, то назначение этого каскада исключить эту составляющую в выходном напряжении;
3 эмиттерный повторитель (ЭП) служит для согласования устройства с низкоомной нагрузкой.
Рис. 1
Один из вариантов принципиальной схемы усилителя без инверсии входного сигнала, соответствующий выше приведенной структуре, приведена на рис.2.
Рис. 2
Дифференциальный каскад на БТ
Принципиальная схема ДК на биполярных транзисторах приведена на рисунке 2. Этот каскад включает дифференциальную пару транзисторов VT1 и VT2, источник тока на транзисторе VT3, резисторы R1-R5 и диод VD1. В зависимости от того, на какой вход подан сигнал, выходное напряжение будет инвертировано или неинвертировано относительно входного.
Коэффициент передачи каскада определяется как
КU ДК= h21Э ∙RК Э /2∙ h11Э, (1)
где RК Э -эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора, состоящее из параллельно включенных R2 и RВХ ССУ. Если RВХ ССУ>> R2 , то можно принять RК Э≈ R2.
Рис. 2 – Дифференциальный каскад
Входное сопротивление ДК равно
RВХ ДК =2∙ h11Э. (2)
Из этих формул видны противоречия:
1 увеличение входного сопротивления (параметра h11Э) приводит к снижению коэффициента усиления;
2 для увеличения входного сопротивления надо брать малые токи базы, а это также приводит к снижению h21Э и, следовательно, коэффициента усиления.
Если заданные параметры не выполняются, то можно поступить следующим образом:
1 Увеличить R2, но при этом снизится напряжение UКЭ. Это напряжение должно превышать в два-три раза напряжение сигнала на выходе ДК.
2 Выбрать другие транзисторы с большей величиной h21Э или применить составные или полевые транзисторы.
Составной транзистор
Биполярный составной транзистор (схема Дарлингтона) состоит из двух транзисторов, включенных, как показано на рисунке 3. Такая схема применяется для создания входных сопротивлений усилителя в пределах RВХ=20-500 кОм.
Рис 3- Составной транзистор
Коэффициент передачи по току составного транзистора равен
h21Э=IК/IБ=h21Э(1)+h21Э(1)h21Э(2)+h21Э(2) (3)
а входное сопротивление
h11Э=h11Э(1)+ (1+h21Э(1))h11Э(2) (4)
индексы (1) и (2) соответствуют параметрам первого и второго транзисторов соответственно.
Для расчетов можно принять упрощенные формулы
h21Э≈h21Э(1)h21Э(2)(3а) иh11Э h21Э(1)h11Э(2). (4а)
Таким образом, входное сопротивление и коэффициент передачи по току составного транзистора увеличивается примерно в h21Э(1)раз. Заменяя в ДК транзисторыVT1 иVT2 на составные, получим значительное увеличение входного сопротивления ДК (сотни кОм), однако, коэффициент усиления при этом почти не изменится.
Дальнейшее увеличение входного сопротивления ДК можно получить, используя полевые транзисторы.
Дифференциальный каскад на ПТ
При очень больших входных сопротивлениях усилителя RВХ>0,5∙106 Ом в дифференциальном каскаде рекомендуется применять полевые транзисторы (рис. 4). Целесообразно применятьсдвоенные транзисторы типа КПС202 или им подобные, т.к. парные транзисторы, изготовленные на одной подложке, имеют минимальный разброс параметров.
Коэффициент передачи каскада определяется формулой
,
( 5 )
где S крутизна в рабочей точке ПТ и RСЭ эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи стока, состоящее из параллельно включенных R2 и RВХ СС.
Т.к. RВХ СС>> R2 , то RС Э≈ R2.
Крутизну в рабочей точке можно определить по формуле
(
6 )
Рис. 4-ДК на ПТ
Принимая, что на резисторе R2 падение напряжения составляет половину напряжения питания, его величину можно определить по формуле
,
( 7 )
где ток стока в рабочей точке определяется как
.
( 8 )
Подставляя (4) в (3), а затем (3) и (2) в (1) можно определить ток стока для получения необходимого коэффициента передачи
(
9 )
Причем параметры транзистора IС0 и UЗИ0 надо выбирать таким образом, чтобы ток стока IC ,был меньше, чем ток IC0, иначе ПТ будет работать при открытом p-n переходе затвор-исток, т.е. с токами затвора, а это приведет к резкому снижению входного сопротивления.
И отсюда можно рассчитать резистор в цепи стока
(
10 )
или
(10,
а)
(11)
Повысить коэффициент усиления ДК можно увеличивая величину сопротивления R2, но при этом снизится напряжение UСИ. Это напряжение должно превышать в два-три раза напряжение сигнала на выходе ДК. Можно использовать комбинированный составной транзистор.
Комбинированный составной транзистор
Рис. 5
В этом случае крутизна составного транзистора равна
SCT=SVT1∙(h21 Э VT2+1),
где h21Э определяется в рабочей точке исходя из значения коллекторного тока и напряжения на коллекторе транзистора VT2.
Крутизна SVT1 определяется по формуле
,
где UЗИ= UБЭ, которое определяется по входным характеристикам БТ.