TEMA PROIECTULUI:
(N=3)
Sa se proiecteze un amplificator de tensiune (joasa frecventa) cu urmatorii
parametri:
? Semnal de intrare , Vi= ?0,6V; p5j20jz
? Sarcina la iesire RL=3?;
? Rezistenta de intrare rI>6,6M?;
? Rezistenta de iesire r0<0,15?;
? Amplificarea in bucla deschisa a amplificatorului de eroare>10.000;
? Amplificarea in tensiune , av:-15;
Cap 1. Introducere:
Amplificatorul de tensiune este un circuit care are rolul de a furniza la iesirea
sa o tensiune proportionala cu cea de la intrare.Relatia de baza este:
(1.1)
unde :
- U¬ies= este tensiunea de la iesirea amplificatorului;
- Uin= este tensiunea de la intrarea amplificatorului;
- Av= amplificarea amplificatorului , marime adimensionala , mai mare , in modul
decat 1. Daca Av>0 , atunci amplificatorul se numeste neinversor , iar daca
Av<0 , amplificatorul se numeste inversor.
Formula (1.1) este mai greu de indeplinit cu exactitate in practica , deoarece
, in special , marimea Av nu este constanta , si depinde de mai multi factori
, printre care si Uin, ceea ce face ca amplificatoarele de precizie sa fie realizare
cu reactie negativa puternica. Pentru aceasta , se realizeaza un amplificator
cu doua intrari : una inversoare , si cealalta neinversoare ( amplificator diferential
). Amplificatorul amplifica de fapt diferenta tensiunilor de la intrarea neinversoare
, respectiv inversoare
La intrarea neinversoare se aplica semnalul , iar la cea inversoare o fractiune
din tensiunea de la iesirea amplificatorului , cu f<1.
Daca amplificarea in bucla deschisa av (calculata in lipsa reactiei negative
-; intrarea inversoare conectcata la masa ) indeplineste relatia
se poate demonstra ca amplificarea in prezenta reactiei negative AV?1/f , deci
constanta.
2. Proiectarea amplificatorului
O implementare posibila ( cu dispozitive discrete) a amplificatorului este
prezentata in Fig.2. Acest circuit are o retea de reactie negativa serie-paralel,
amplificare mare in bucla deschisa, impedanta de intrare foarte mare , impedanta
de iesire foarte mica.
Fig 2-Schema electrica a amplificatorului cu reactie negativa
2.1 Detalii de proiectare
Estimam mai intai tensiunea de alimentare:
-tensiunea de alimentare va trebui sa fie destul de mare astfel incat amplificatorul
sa poata livra in rezistenta de sarcina tensiunea necesara. Deoarece etajele
de iesire in clasa AB au un randament in jurul valorii de 78% teoretic , vom
calcula , pentru un randament de 60% (uzual in practica) , tensiunea de alimentare
diferentiala necesara:
VCC= =100/60?15?0,6V=15V
Deci tensiunea de alimentare va fi de ?15V
Tranzistoarele din etajul diferential de intrare Q1,2 vor functiona in mod simetric
la un curent mai mic decat IDSS/2 (Q1,Q2,Q3 se aleg de tip BF256 cu parametri
de catalog IDSS=6...10 mA, VT=-1..-3V, VDsmax= 30V) pentru a putea permite maximum
excursiei asimetrice in curent intre tranzistoare .
Suma curentilor de drena ai Q1,2 este:
ID1+ID2=ID3
Curentul ID3 este dat de ecuatiile :
ID3= si ID3=IDSS3
Presupunand pentru parametrii IDSS ,VT valorile tipice: IDSS=8 mA respectiv
VT = -2V rezulta ID3=2 mA. In cazurile cele mai defavorabile avem:
(IDSS = 6mA, VT = -3V) => ID3 ?1,6mA
(IDSS =10mA , VT= -1V) => ID3 ?2,8 mA
deci intotdeauna tranzistoarele de intrare Q1,2 vor functiona la un curent
static de drena mai mic decat IDSS/2.
Curentul prin Q1 este dat de expresia :
¬ID1=
Alegem Q4 de tip BC 177 (pnp de mica putere) la care ,conform curbelor de catalog,
VBE= 0,5..0,7 V pentru Ic =10 mA (la t=25?C).Tinand seama de toleranta lui R2
(5%), putem determina :
ID1min =0,8 mA si ID1 max =1,2 mA intotdeauna avem un curent diferit de 0 prin Q2 . Curentul prin Q4 ?IDSS5 (BF
256 ,IDSS5=6..10 mA)
Compensarea functionarii nesimetrice a Q1,Q2 se va face prin R1. Alegem R1 =1k?
(20%), deoarece ,in cel mai nefavorabil caz (R1min, ID3min) se poate compensa
o tensiuune de 1,12 V ,mai mare decat diferenta (VGS1 -;VGS2)max= 0,8 V
Dioda D asigura functionarea Q1,2 la aceeasI tensiune VDS.
Curentul static prin Q6,7 va fi ales suficient de mare astfel incat sa avem
un ? stabil pentru tranzistoare iar curentul de baza al tranzistoarelor sa fie
neglijabil in raport cu acesta .
Circuitul “super-dioda” format din Q8, P, R4 are rolul compensarii
neliniaritatilor la comutarea de pe un tranzistor final pe celalalt si al fixarii
curentului de mers in gol pentru etajul final .
Tensiunea VCE8 este data de expresia
VCE8=VBE8
Unde P’ este rezistenta din bratul lui P de langa R4 ,plus R4 .Alegem
Q8 de tipul BC107 (npn de mica putere ) la care , conform curbelor de catalog
, VBE =0,5..0,7V la IC =10 mA (la t=25?C). Tinand seama de tolerantele componentelor
,VCE8 se poate regla in intervalul 0,5-4,8V. Q8 se va monta pe acelasi radiator
cu tranzistoarele finale pentru ca super dioda sa copieze driftul termic al
acestora si curentul de mers in gol al etajului final sa nu se modifice .
Etajul final este in clasa AB. Tranzistorul final de tip npn este un Darlington
(Q11,12) si va suporta , in cel mai defavorabil caz, 3A la o tensiune CE de
circa 15V . Alegem Q11 BC107 (?>100,VCB0= 25V, ICmax =100 mA) si Q12 2N3055
(Pmax=117W, VCB0=80V, ICmax=11A, ?=15..100). Tranzistorul echivalent are ?>1500
deci, la curentul maxim ,Ib< 2 mA deci negijabil in raport cu IC6 . Tranzistoarele
au ambele tensiuni de strapungere superioare celor ce pot aparea in montaj.
Curentul maxim suportat de Q11 este de 200mA < ICmax. Puterea disipata de
tranzistorul echivalent este aproape in intregime localizata la nivelul Q12
si in cel mai defavorabil caz este circa jumatate din puterea in sarcina (13,5
W) deci acest tranzistor nu se poate distruge .
Tranzistorul final tip pnp este in configuratie Super G (Q13,14) si va suporta
in cel mai defavorabil caz 3A sau o tensiune CE de circa 15V. Alegem Q13 BC177
(?>100,VCB0= 25V, ICmax =100 mA) si Q14 2N3055. Tranzistorul echivalent are
?>5000 deci, la curentul maxim ,Ib<2 mA deci negijabil in raport cu IC6
.Acest tranzistor disipa tot 13,5W , deci nu se poate distruge.
Rezistentele R13,14 (1 k?) se aleg astfel incat sa forteze curent prin tranzistoarele
de mica putere si atunci cand curentul prin tranzistorul echivalent este mic
(pentru a evita scaderea lui ? odata cu cresterea sarcinii). An acelasi timp
ele evita amplificarea curentilor reziduali ai Q13,11 prin finalii de putere.
|inand seama de tolerantele tensiunii VBE si ale rezistentelor R13,14 (?20%)
rezulta curentii minimi pentru perioadele de conductie de la care se deschid
finalii de putere ti anume 0,5V/1,2k?=0,4mA.
Circuitul de protectie pentru tranziostorul final npn va limita curentul de
baza al acestuia la depasirea limitei de 3,5 A. Pentru acest sistem de protectie
este necesar ca in caz de suprasarcina, pe R11 sa cada o tensiune mai mare de 0,8 V necesara deschiderii lui Q9 (uzual npn de
mica putere). Alegem Q9 BC107 ,la care, conform curbelor de catalog , VBE on=0,5..0,7V
.Pentru siguranta deschiderii lui Q9 alegem R11=0,68 ? (20%). La o suprasarcina
de 2,5 A la bornele ei va apare ,in cel mai defavorabil caz ,o tensiune de 1,3V.
Aceasta tensiune va fi preluata de divizorul rezistiv R9 care se va calibra
in funtie de parametrii concreti ai Q9 . An mod identic rezulta sistemul de
protectie al tranzistorului final pnp.
Curentul de mers in gol al etajului se regleaza din tensiunea VCE8 , deoarece.
VCE8= VBE11+VBE12+(R11+R12) Igol+VEB13
Curentul Igol se alege la circa 1/20 din curentul maxim (in acest caz , aproximativ
0,06A). Rezulta ca avem nevoie, in cel mai nefavorabil caz-(toate VBE sunt maxime
iar toleranta rezistentelor este 20% ) de o tensiune de circa 4,8V , tensiune
ce se poate obtine din reglajul R6 .
Calculul parametrilor de curent alternativ:
-Amplificarea in bucla deschisa , av:
In calculul acestor marimi tinem cont ca de fapt numai primele doua etaje(Q1-Q2
respectiv Q4) amplifica , celelalte fiind de fapt repetoare pe emitor cu amplificarea
foarte apropiata de unitate:
Amplificarea primului etaj , Q1-Q2 este , conform a1i , cap 3.5 de
Amplificarea celui de al doilea etaj este de :-gm4?(ro5/rin10)
Amplificarea va fi deci , av=
Calculam:
ro5 este rezistenta sursei de curent realizata cu Q5 , si are , conform i1s
o valoare de ordinul sutelor de M?
Rezulta av= =180000.
Rezistenta de intrare este de 10M? data practic de R1.
Rezistenta de iesire este:
= 0,01?
Proiectarea stabilizatorului:
Vom realiza stabilizatorul de tensiune pozitiva cu circuitul ?A 723C dupa urmatoarea
schema:
Cea de tensiune negativa:
Rezistentele R1,R2 precum si T1,T2 sunt identice pentru ambele scheme.
Alegem T1=BD135 cu (VCE,max=45V,Pd=6,5W,Imax=2A),T2=2N3055
R1,R2 se aleg asfel incat sa divizeze tensiunea de iesire de la valoarea de
15V la valoarea de 7,15V , necesara la intarea circuitului integrat. Alegem
R1=25K? , iar R2=22K?.
In acest caz tensiunea de la iesire are valoarea :
Bibliografie:
1. Paul R. Gray , Robert Mayer-Circuite integrate analogice ,Editura Tehnica
,1997 traducere de Mircea Bodea
2. I. Ristea , C.A.Popescu-Stabilizatoare de tensiune , Editura Tehnica ,1983
