[lory 1]

Всем привет!

Это мой первый пост здесь, так что заранее извиняюсь, если что-то оформлено не так, как принято.

Я проектирую дискретный усилитель постоянного тока (без разделительных конденсаторов) в Proteus 8 Professional. Конечная цель — также собрать физическую плату (PCB), поэтому схема должна быть реализуемой на практике, а не только работать в симуляции. Преподаватель допускает погрешность не более 5% по всем параметрам.

Требуемые параметры:
- Коэффициент усиления по напряжению Av = 30 000
- Входное сопротивление >= 200 кОм
- Напряжение питания ±22В
- Полный ток потребления <= 6 мА
- Размах выходного напряжения ±15В
- CMRR >= 90 дБ

Я попробовала две топологии. Опишу их в порядке от наиболее перспективной.

---

Схема 1 (наиболее перспективная, над ней сейчас работаю):

За основу взята схема из учебника (прилагаю), которая в симуляции вообще не работала — ни ток не тёк, ни напряжения не было, ни усиления. Я её существенно доработала.

Топология:
- Дифференциальный каскад на PNP транзисторах: T1, T2 (BC557)
- Каскодный каскад на PNP: T3, T4 (BC557)
- Активная нагрузка — токовое зеркало на NPN: T5, T6, T7 (BC547)
- Два диода 1N4148 для стабилизации напряжения на базах каскода
- Генератор тока хвоста: N-канальный JFET (2N3819) + PNP транзистор T10 (BC557) + потенциометр + резистор
- Выходной эмиттерный повторитель на PNP (BC557)

Результаты измерений при обоих входах на GND:
- Vout = -0.06В (хорошо сбалансировано)
- Общий ток потребления ~ 5 мА

При подаче сигнала на один вход:
- 100 мкВ → Vout = -0.04В
- 1 мВ → Vout = +0.02В

Отклик есть, но усиление очень далеко от 30 000.

Основные проблемы:
- PNP каскод тянет коллекторный узел к -22В, что затрудняет правильное смещение выходного каскада
- Сдвиг уровня между выходом каскода и входом повторителя — проблематичен
- Любое изменение резистора, улучшающее усиление, нарушает баланс, и наоборот

---

Схема 2 (менее перспективная, собрана из готовых блоков):

После трудностей со схемой 1 попробовала собрать схему из известных функциональных блоков:
- Дифференциальный каскад на NPN: Q3, Q4 (BC547)
- Активная нагрузка — токовое зеркало на PNP: Q5, Q6 (BC557) к +22В
- Токовое зеркало хвоста на NPN: Q1, Q2 (BC547)
- Сдвигатель уровня на PNP: Q9 (BC557)
- Выходной эмиттерный повторитель на PNP: Q13 (BC557) с активной нагрузкой Q11/Q12

Та же проблема: при балансировке (Vout ~ 0.3В) измеренное усиление составляет 10–30. Любая попытка увеличить усиление нарушает баланс.

---

Дополнительно:

Я не уверена, что правильно рассчитываю резисторы — у меня нет нормальных теоретических материалов по данному типу схем. Также не понимаю, как корректно определить рабочую точку покоя (PSF / Q-point) для многокаскадного усилителя постоянного тока. В качестве отправной точки использую IC = 0.5 мА на транзистор, исходя из ограничения по току, но не уверена, что это правильный подход.

Буду очень благодарна за любую помощь по топологии, методике расчёта резисторов или выбору рабочей точки.

Спасибо!

[rezident 112]

22 минуты назад, lory сказал:

Коэффициент усиления по напряжению Av = 30 000

На одном каскаде получить такой Ку не реально. Посмотрите схему какой-нибудь старой "классики". Вот, например, схема OP07, который близок к заданным вам парамерам.

 

OP07.pdf

[_Neofit 103]

10 минут назад, lory сказал:

Схема 1 (наиболее перспективная, над ней сейчас работаю):

.....

- Каскодный каскад на PNP: T3, T4 (BC557)

Для чего применён каскод?

Спойлер

В задании есть какие-то требования по верхней границе частотного диапазона?

 

20 минут назад, lory сказал:

- Генератор тока хвоста: N-канальный JFET (2N3819) + PNP транзистор T10 (BC557) + потенциометр + резистор

Прямо скажу - странная схема генератора стабильного тока.

 

21 минуту назад, lory сказал:

Результаты измерений при обоих входах на GND:
- Vout = -0.06В (хорошо сбалансировано)

Судя по circuit1, усилитель - сильно разбалансирован. Поэтому и не усиления.

Спойлер

Где надо измерять баланс? Как его сбалансировать при отсутствии отрицательной обратной связи по постоянному току?

 

18 минут назад, lory сказал:

- Любое изменение резистора, улучшающее усиление, нарушает баланс, и наоборот

Какого резистора?

Спойлер

RV1? Он не для балансировки.

 

22 минуты назад, lory сказал:

- Токовое зеркало хвоста на NPN: Q1, Q2 (BC547)

В схеме - ошибка.

 

23 минуты назад, lory сказал:

- Сдвигатель уровня на PNP: Q9 (BC557)

Больше похож на 5-е колесо.

 

24 минуты назад, lory сказал:

- Выходной эмиттерный повторитель на PNP: Q13 (BC557) с активной нагрузкой Q11/Q12

Странное включение "нагрузки".

 

25 минут назад, lory сказал:

В качестве отправной точки использую IC = 0.5 мА на транзистор, исходя из ограничения по току, но не уверена, что это правильный подход.

На начальном этапе разработки, тем более - учебной схемы, - считаю приемлемым.

[lory 1]

1 hour ago, Точка Опоры said:

Прямо скажу - странная схема генератора стабильного тока.

Какой вариант вы бы порекомендовали?
 

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Судя по circuit1, усилитель - сильно разбалансирован. Поэтому и не усиления.

Как понять, что именно в схеме требует исправления?

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

В схеме - ошибка.

Подскажите, пожалуйста, на что стоит обратить внимание?

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Больше похож на 5-е колесо.

Стоит полностью убрать?

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Странное включение "нагрузки"

Ориентировалась по книге, где материал представлен фрагментарно, поэтому, возможно, допустила ошибку в соединениях.

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Для чего применён каскод?

Если судить по книге, каскод используется для устранения эффекта Миллера и резкого увеличения выходного импеданса для обеспечения высокого коэффициента усиления.
 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Где надо измерять баланс? Как его сбалансировать при отсутствии отрицательной обратной связи по постоянному току?

Насколько я поняла, задача в том, чтобы обеспечить 0 на выходе при подключении обоих входов к GND. В примере не показана обратная связь. Правильно ли я понимаю, что нужно реализовать её, подключив выход к одному из входных транзисторов?

 

1 hour ago, Точка Опоры said:

Какого резистора?

Пробовала подбирать значения R1–R4

Какую схему вы бы посоветовали развивать дальше?
Cпасибо

1 hour ago, rezident said:

На одном каскаде получить такой Ку не реально. Посмотрите схему какой-нибудь старой "классики". Вот, например, схема OP07, который близок к заданным вам парамерам.

 

OP07.pdf 1.07 MB · 0 downloads

Cпасибо, обязательно гляну!

1 hour ago, Точка Опоры said:

В задании есть какие-то требования по верхней границе частотного диапазона?

Если я правильно понимаю вопрос – да, fs ≥ 20 кГц.

[_Neofit 103]

19 минут назад, lory сказал:

Какой вариант вы бы порекомендовали?

В принципе, тот, что на картинке, - приемлем. Он он неправильно перенесён в модель. Что не так?

20 минут назад, lory сказал:

Как понять, что именно в схеме требует исправления?

Какие есть предположения?

22 минуты назад, lory сказал:

Пробовала подбирать значения R1–R4

2 из этих 4 - не помогут. Какие есть предположения?

31 минуту назад, lory сказал:

Какую схему вы бы посоветовали развивать дальше?

Обе выглядят приемлемо. После устранения ошибок. Давайте попробуем первую развить.

[firstvald 54]

я бы не стал строить звездолет. начните с простого дифф каскада на двух транзисторах. для начала и в эмиттерах и в коллекторах резисторы. зафиксировать потенциал одной базы и другую крутить. и смотреть что на коллекторах по напряжению и по току. и в эмиттерах смотреть ток. второй шаг: в эмиттерах генератор тока. и снова покачали потенциал базы и смотрим что происходит с напряжениями коллекторов и токами коллекторов. на этом этапе как раз решаем вопрос с токами на которых работаем. работоспособный каскад можно получить на разных токах. просто относително большие токи позволяют быстрее перезаряжать емкости дальнейших цепей. профессиональные разработчики скажут что им тогда проще менять необходимый объем носителей за меньшее время в следующей структуре, но у нас усилитель постоянного тока,  это значит что быстродействие перезаряда последующих цепей не определяющий фактор.скажем так: пусть токи на которых будем работать - порядок тока эмиттера будет на два три порядка больше обратного теплового тока коллектора. это даст нам величину порядка ста микроампер. дальше: для этого тока прикидываем номиналы резисторов в коллекторных цепях. коэффициент усиления дифф каскада ,  если снимаем напряжение с одного коллектора относительно замли : (1/2)*(Rколлектор/(re+Rв эмиттерах)). re=26милливольт/ Iэмиттера. (это надо в теории pn перехода посмотреть в контексте модели перехода Эберса Молла).   И смотрим на схемотехнику и параметры достигнутые в микросхеме 122УД1.  На мой взгляд неплохо бы пробежать по книге Шило Линейные интегральные схемы. Главы 2 и 3. Рисунки 2.11 2.13   3.1   3.13   3.26   3.32   3.38   3.39.   Посмотрите упрощенные схемы операционных усилителей. Особенно гибридных . Что то типа 3.38  вам подойдет.

 

И да. Я смотрю выше накидали аж с многоэмиттерными и многоколлекторными транзисторами. Особенности реализации схемы в виде монолитной микросхемы порождает таких страшных тараканов . За которыми прячется суть функционирования каскада. 

 

Посмотрите внутреннее устройство LM358 . Смотреть надо упрощенную схему и я бы в цепях коллектора поставил резисторы вместо токового зеркала. 

 

Можно глянуть на схемотехнику CA3033/ Во входном каскаде упростить до просто составных транзисторов. Второй каскад тоже на составных транзисторах Каскад сдвига уровня и выходной каскад. Чуть упрощаем. 

CA3033.pdf

[Plain 407]

Двухкаскадный усилитель:

Коэффициент усиления с разомкнутой ОС подчёркнут, т.е. для Ку=30000 есть 10-кратный запас.

[_Neofit 103]

@Plain, при всëм уважении, - можно было попытаться научить ловить рыбу, а не кормить ею.

[lory 1]

11 hours ago, Точка Опоры said:

Что не так?

В первый раз, когда я перенесла схему в симулятор по примеру, тока не было. VT9 и VT10 не работали вместе так, как описано. Тогда я попробовала изменить тип JFET и способ его подключения к Rs (RV1).

Но, насколько я понимаю, стоит изменить схему генератора стабильного тока.

 

11 hours ago, Точка Опоры said:

Какие есть предположения?

Думаю, проблема может быть связана с T7 — я не уверена в правильности его подключения.
Также, если честно, я не до конца понимаю, на что именно влияют D1 и D2.

11 hours ago, Точка Опоры said:

2 из этих 4 - не помогут. Какие есть предположения?

R1 и R3 взаимосвязаны, думаю, они совместно влияют на результат, особенно если изменять только один из них.
R4, насколько я заметила, в большей степени влияет на общее значение тока.

11 hours ago, Точка Опоры said:

Давайте попробуем первую развить.

Хорошо, спасибо, буду пробовать!

9 hours ago, firstvald said:

я бы не стал строить звездолет. начните с простого дифф каскада на двух транзисторах. для начала и в эмиттерах и в коллекторах резисторы. зафиксировать потенциал одной базы и другую крутить. и смотреть что на коллекторах по напряжению и по току. и в эмиттерах смотреть ток. второй шаг: в эмиттерах генератор тока. и снова покачали потенциал базы и смотрим что происходит с напряжениями коллекторов и токами коллекторов. на этом этапе как раз решаем вопрос с токами на которых работаем. работоспособный каскад можно получить на разных токах. просто относително большие токи позволяют быстрее перезаряжать емкости дальнейших цепей. профессиональные разработчики скажут что им тогда проще менять необходимый объем носителей за меньшее время в следующей структуре, но у нас усилитель постоянного тока,  это значит что быстродействие перезаряда последующих цепей не определяющий фактор.скажем так: пусть токи на которых будем работать - порядок тока эмиттера будет на два три порядка больше обратного теплового тока коллектора. это даст нам величину порядка ста микроампер. дальше: для этого тока прикидываем номиналы резисторов в коллекторных цепях. коэффициент усиления дифф каскада ,  если снимаем напряжение с одного коллектора относительно замли : (1/2)*(Rколлектор/(re+Rв эмиттерах)). re=26милливольт/ Iэмиттера. (это надо в теории pn перехода посмотреть в контексте модели перехода Эберса Молла).   И смотрим на схемотехнику и параметры достигнутые в микросхеме 122УД1.  На мой взгляд неплохо бы пробежать по книге Шило Линейные интегральные схемы. Главы 2 и 3. Рисунки 2.11 2.13   3.1   3.13   3.26   3.32   3.38   3.39.   Посмотрите упрощенные схемы операционных усилителей. Особенно гибридных . Что то типа 3.38  вам подойдет.

 

И да. Я смотрю выше накидали аж с многоэмиттерными и многоколлекторными транзисторами. Особенности реализации схемы в виде монолитной микросхемы порождает таких страшных тараканов . За которыми прячется суть функционирования каскада. 

 

Посмотрите внутреннее устройство LM358 . Смотреть надо упрощенную схему и я бы в цепях коллектора поставил резисторы вместо токового зеркала. 

 

Можно глянуть на схемотехнику CA3033/ Во входном каскаде упростить до просто составных транзисторов. Второй каскад тоже на составных транзисторах Каскад сдвига уровня и выходной каскад. Чуть упрощаем. 

CA3033.pdf 383.73 kB · 3 downloads

Благодарю за развернутые рекомендации и предложенные источники.
Отдельное спасибо за учебные материалы обязательно изучу их сегодня.

3 hours ago, Plain said:

Двухкаскадный усилитель:

Коэффициент усиления с разомкнутой ОС подчёркнут, т.е. для Ку=30000 есть 10-кратный запас.

Большое спасибо!
Буду смотреть, попробую доработать свою схему и, если что-то не получится, вернусь к вашей.

[Plain 407]

1 час назад, Точка Опоры сказал:

можно было попытаться научить ловить рыбу

Я это и делаю, источник сигнала у автора отсутствует в обеих схемах, тогда как в оригинале из учебника он присутствует.

Та же схема с замкнутой ОС и полным по ТЗ размахом:

[lory 1]

12 minutes ago, Plain said:

источник сигнала у автора отсутствует в обеих схемах, тогда как в оригинале из учебника он присутствует.

Так и есть 
Когда делала скриншот подключила оба входа к GND чтобы увидеть сбалансирован ли усилитель 

При подключение источника сигнала был почти такой же "ответ" как и с gnd, поэтому попросила о помощи 
Буду пробовать, спасибо

[Plain 407]

5 минут назад, lory сказал:

подключила оба входа к

И сделали это посредством удаления источника сигнала? Преподаватель очевидно первое что спросит — любой усилитель усиливает требуемый по ТЗ сигнал, где вход для него и где он сам?

Далее, любой усилитель неидеален, следовательно, источник сигнала для первоначально неизвестной схемы должен это учитывать — конечно, схему можно рассчитать, но в случае симулятора проще сперва подать сигнал заведомо больше размахом, чтобы сразу увидеть, и то, что схема работает, и чего в ней надо удалить/добавить/поправить, например, напряжение смещения V4 на схеме выше я добавил, после того как измерил его на графике.

Наконец, что ещё за "учебник" с такими схемами? Почитайте лучше "Хоровиц и Хилл «Искусство схемотехники»".

[firstvald 54]

и токовые зеркала работают только в книжках. в крайнем случае, только на хорошо сопряженных парах транзисторов в интегральном исполнении.

 

В Хоровица имеет смысл заглянуть. В первом томе картинка 4.72. Только добавить по дороге еще один диф каскад.

 

Кстати посмотрите как в 174 серии микросхем дифф каскады просто цепочкой друг за другом цепляли.

[Алексей123 5]

17 часов назад, lory сказал:

Требуемые параметры:
- Коэффициент усиления по напряжению Av = 30 000
- Входное сопротивление >= 200 кОм
- Напряжение питания ±22В
- Полный ток потребления <= 6 мА
- Размах выходного напряжения ±15В
- CMRR >= 90 дБ

Непонятно, как в задание попал CMRR=90 дБ.

В остальном так: понятное дело, что изобрести усилитель с нуля и без опыта - проблематично, но хоть что-то же знать надо, по крайней мере где и что искать.

Поэтому, смотрим, как устроен самый простой и понятный ОУ, например, К544УД1:

 

 

и усилитель Лина: 

 

 

Сопоставляем, видим, что это одно и то же, выкидываем ненужное и получается самое простое, то, что может дать усиление 30000 с ООС:

 

 

Здесь есть самый простой дифкаскад, нагруженный на зеркало, с самым простым ГСТ.

Второй каскад усилителя отделён от дифкаскада повторителем, для того, чтобы не потерять усиление дифкаскада.

Второй каскад нагружен на ГСТ.

Поскольку сопротивление нагрузки усилителя в задании не фигурирует, я задал 10 килоом и ограничился одной ступенью повторителя на Q18, 21.

Фигня на транзисторе Q14 - задаёт ток покоя повторителя.

Настройка заключается в установке нуля на выходе резистором R4 (или R3).

Режимы каскадов можно задать: резистором R9 для дифкаскада и R22 для усилителя напряжения.

Я от фонаря натыкал, чтобы уложиться в 6 мА, но можно и посчитать.

[_Neofit 103]

6 часов назад, firstvald сказал:

и токовые зеркала работают только в книжках. в крайнем случае, только на хорошо сопряженных парах транзисторов в интегральном исполнении.

Хм-м-м... а что с ними не так? Начиная с того, что "хорошо согласованные" пары транзисторов - делаются отдельными микросхемами со специальными схемотехническими уловками. Заканчивая тем, что токи на входе и выходе пусть и не тождественно равны, но их пропорциональность друг-другу, обычно, - достаточно хороша и постоянна.