Расчет транзисторных усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д.Серикбаева

Кафедра «Приборостроение и автоматизация технологических процессов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Электроника»

Тема: «Расчет транзисторных усилителей»

Выполнил:

студент группы 12-РТ-1

Мусин Д.К.

Проверил

доцент кафедры ПиАТП

Корнев В.А.

Усть-Каменогорск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Аналитический обзор

1.1 Классификация усилителей

1.2 Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах

1.3 Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики

1.4 Типы связи между отдельными усилительными каскадами

1.5 Обратная связь

2 Расчет транзисторного усилителя

2.1 Оценка предельных параметров и выбор транзистор

2.2 Расчет первого каскада

2.2.1 Расчет по постоянному току

2.2.2 Динамический расчет усилитель транзистор биполярный

2.3 Расчет второго каскада

2.3.1 Расчет по постоянному току

2.3.2 Динамический расчет

2.4 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

ВВЕДЕНИЕ

Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, это усиление. В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы.

В настоящее время знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобретает особую актуальность с развитием микроэлектроники.

В технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов. Высокая чувствительность, быстродействие, компактность, экономичность электронных усилителей обусловили их широкое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности.

Усилители мощности, иногда называемые оконечными усилителями, предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, что бы они могли возбудить электроакустические преобразователей, головные телефоны и другие. Принцип работы усилителей мощности состоит в том, что преобразует подводимую к ним от источника питании мощности с постоянного тока в переменный ток, причем форма сигнала на выходе усилителя полностью повторяет сигнал на входе. Усилители мощности должны обладать небольшими искажениями. Качество звучания любого звуковоспроизводящего комплекса во многим зависит от параметров усилителя мощности звуковой частоты. К настоящему времени опубликованы множество вариантов транзисторных усилителя мощности звуковой частоты, отличающего порой очень качествами показателями, однако, поиск новых схемных решении, позволяющих в еще большой мере приблизить звучания звукопроводящих устройств к естественному, продолжается.

Основная цель работы - получение необходимых навыков практического расчета транзисторных усилителей, обобществление полученных теоретических навыков

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Классификация усилителей

УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

В зависимости от назначения усилители подразделяются на:

усилители постоянного тока (ЖЕ),

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

Операционные усилители относятся к классу многофункциональных, или универсальных, так как с их помощью можно реализовать практически любой вид усиления электрического сигнала.

В настоящее время основным элементом электронного усилительного устройства является транзистор.

Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора. Это свойство транзистора может быть использовано для различных преобразований электрических сигналов (усиление, генерирование, преобразователей формы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойствами и другими признаками.

В данном курсовом проекте используется биполярный транзистор типа n-р-п, и имеющий два р-п- перехода. На рисунке 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рисунке 1б изображена схема подключения внешних элементов, генератора усиливаемого входного напряжения (UВХ) и источника питания (+Un) к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзисторов, так как в ней наилучшим образом используются усилительные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые используются реже.

Рисунок 1 - Условное графическое и буквенное обозначение биполярных транзисторов типа n-р-n на электрических схемах

Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му закону Кирхгофа для транзистора (смотреть рисунок 16) можно записать

(1)

т.е. ток коллектора Iк меньше тока эмиттера Iэ на величину тока базы Iб.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной является ток базы, а выходной - ток коллектора.

Рисунок 2 - а) входные характеристики б) выходные или характеристики

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзистора в схеме с ОЭ являются:

а) входные характеристики (рисунок 2, а)

при (2)

б) выходные или коллекторные характеристики (рисунок 2, б)

при (3)

Входные характеристики при UKЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для UKЭ = 0 В и UКЭ=3 В, либо UKЭ = 5 В.

Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с IБ=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения IБнас. При Iв= IБнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыщения и отсечки (смотреть линии со штриховкой на рисунке 2, б). В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом.

На входные и выходные характеристики транзистора (смотреть рисунок 2, а и б) существенно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквивалентно поднимаются вверх (смотреть рисунок 2, б).

В справочниках приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока (или) в схеме с ОЭ; граничное напряжение UKЭ; обратный ток коллектора IК0; граничная частота fгр коэффициента , т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент (или) уменьшается в раза и др.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рисунок 3). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяемые между базой и эмиттером транзистора, а также источник входного сигнала (UBХ).

Рисунок 3 - Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ

Выходная цепь каскада включает источник питания Un, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока iK , управляемого током базы iб , создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи + Un-- Rl- внутреннее сопротивление источника ив (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллекторной цепи Г (смотреть рисунок 2, а) задается соответствующей величиной тока базы сигнала, вносимых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняется, если точка покоя П (смотреть рисунок 2, а и б) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 8…10 раз больше необходимого тока покоя базы Iбп.

Резистор Rэ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Р по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие Сэ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада [2] .

Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение.

При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток iб в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относительно точки покоя П (смотреть рисунок 2, а и б). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллектора г, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоаналитический метод расчета нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.

Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:покоя rgn (смотреть рисунок 2, а), протекающего от источника питания Un через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения питания U , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению Uбп (смотреть рисунок 2, а). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного

(4)

Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение

(5)

Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах Iк и Uкэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах IK и Uкэ, называется линией нагрузки каскада по постоянному току (смотреть прямую линию на рисунке 2, б). Точка пересечения этой линии с характеристикой, соответствующей I6п, т.е. точка П, определяет режим работы каскада по постоянному току.

В режиме усиления рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллектора iк и напряжения UКЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения UКЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основных свойств такого каскада.

Основным показателем любого усилителя является его коэффициент усиления - это величина, равная отношению выходного сигнала к входному.

Коэффициент усиления тока базы h21э, транзистора для схемы включения с ОЭ в статическом режиме является:

h21э=в = Iк / Iб, при Uкэ= const (6)

1.3 Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относительно точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рисунке 2, б). При Uвх>Uвх2 линейность амплитудной характеристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзистора.



Рисунок 4 - Нелинейности вольтамперных характеристик транзистора

Это приводит к появлению искажений формы выходного сигнала относительно формы входного, т.е. так называемых, нелинейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды входного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рисунке 5.

Рисунок 5 - Общий вид АЧХ для усилителя с разделительными конденсаторами

Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элементов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры которых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных искажениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различными коэффициентами усиления. Анализируя рисунок 6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом КV0.

Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500...1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые "завалы" АЧХ).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называют полосой пропускания, которая определяет нижнюю fH и верхнюю fa граничные частоты усиления при заданном уровне частотных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет KVo /v2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обусловлен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсатора Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление хС=1/щС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления хс возрастают, что приводит к увеличению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора Сэ при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной свя­зи по переменному току и снижению коэффициента усиления каскада.

"Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтировании соответствующих р-п- переходов тем большем, чем выше частота усиливаемого сигнала.

1.4 Типы связи между отдельными усилительными каскадами

Можно выделить следующие типы связи между отдельными усилительными каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с помощью RC0 цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.

Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще используют первый и второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритов трансформаторов, невозможности их микроминиатюризации, высокой стоимости, сложности изготовление, повышенных нелинейных искажений. Четвертый тип используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

1.5 Обратная связь

На практике ни один усилитель не используется без обратной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

На рисунке 6 пока структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиления К через звено ОС с коэффициентом передачи г поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут входить линейные, нелинейные, частотно-зависимые и другие элементы или даже целые устройства.

Рисунок 6 - Структурная схема усилителя с обратной связью

Существует целый ряд квалификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то используется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во втором - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складываются, либо вычитаются).

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается последовательно с напряжением источника входного сигнала (рисунок 7, а) во втором - параллельно (рисунок 7, 6).

Рисунок 7 - а) последовательная обратная связь

б) параллельная обратная связь

В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рисунке 8а показан усилитель, охваченный последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Оценим свойства такого усилителя.

ООС расширяет полосу пропускания (рисунок 8, а) и линейный участок амплитудной характеристики (рисунок 8, б), что приводит к уменьшению искажений как линейных, так и нелинейных.

Рисунок 8 а) - полоса пропускания б) - линейный участок амплитудной характеристики

1.6 Составление структурной схемы

Для проектируемого усилителя целесообразно применить схему, включающую в себя делитель напряжения, разделительные емкостные элементы(конденсаторы).

Делитель напряжения предназначен для смещения напряжения на базе. Делитель состоит из сопротивлений Rб1 и Rб2. Сопротивление Rб1 подключается к положительному контакту источника постоянного напряжения Ек параллельно коллекторному сопротивлению Rк, а Rб2 между ветвью базы и отрицательным контактом источника постоянного напряжения Ек.

Разделительные конденсаторы служат для отсекания постоянной составляющей сигнала по току(т.е. функция этих элементов не пропускать постоянный ток). Располагаются они между каскадами усилителя, между источником сигнала и каскадами, а также между последним каскадом усилителя и нагрузкой(потребителем усиленного сигнала).

Помимо этого используются конденсаторы в цепи эмитерной стабилизации. Подключаются параллельно эмитерному сопротивлению Rэ. Служат для отвода переменной составляющей сигнала от сопротивления эмиттера.

От источника сигнала на первый каскад усилителя подается слабый сигнал, который усиливается на транзисторе за счет постоянного напряжения питания, получаемого от источника питания. Далее уже в несколько раз усиленный сигнал попадает на вход второго каскада, где также посредствам напряжения питания усиливается до нужного уровня сигнала, после чего передается к потребителю (в данном случае-нагрузке).

Принцип действия двухкаскадногоусилителя представлен на рисунке 9.

Рисунок 9- Структурная схема двухкаскадного усилителя

Проведем расчет транзисторного усилителя по заданным параметрам в следующем пункте.

2. РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

2.1 Технические условия и характеристики для расчета

Технические условия и характеристики для проектирования маломощного низкочастотного усилителя взяты в соответствии с индивидуальным заданием курсового проекта (Варианта 1).

В таблице 1 приведены данные для расчета каскада усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером представлена на рисунке 9.

Таблица 1 - Данные варианта для расчета

вариант №	Um вых, В	Еи, В Umах вх	Ек, В	Rи, Ом	Rн, кОм	Fн Fв, Гц	toокр, оС
8	14	0,05	11	100	4,5	20-100000	20

Обозначения:

Um вых , В - амплитудное значение напряжения на выходе усилителя;

Um вх, В - амплитудное значение напряжения источника входного сигнала;

Ек - напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора;

Rи - внутреннее сопротивления источника сигнала (внутреннее сопротивление генератора);

Rн - сопротивление в цепи нагрузки усилителя;

Fн Fв - диапазон усиливаемых частот;

Мв = Мн - коэффициент частотных искажений;

toокр ,оС - рабочая температура усилителя.



Рисунок 9 - Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером

Расчет каскада усилителя будет выполнен в три этапа:

оценка предельных параметров работы каскада и выбор транзистора;

расчет по постоянному току;

расчет по переменному току.

2.2 Оценка предельных параметров и выбор транзистора

К предельным параметрам транзистора относятся:

1) максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения Uкэмах = 1,2 * Ек и в нашем случае равно:

Uкэмах ? 1,2 Ч11= 13,2 В.

2) ток коллектора рекомендуется выбирать в пределах от 1мА до 3 мА, так как, токи в коллекторной цепи усилителей малой мощности довольно низкие

Выбор транзистора осуществляем по двум параметрам: напряжению Uкэмах и максимальной частоте Fм. Выбираем транзистор типа n-p-n с большим статическим коэффициентом усиления по току h21э (для расчета из справочника выбираем минимальное значение этого коэффициента).

По условиям подходит транзистор КТ315Б. Технические характеристики, которого приведены в Приложении А.

2.3 Расчет первого каскада

2.3.1 Расчет по постоянному току

При проектировании используем графоаналитический метод расчета. Режим по постоянному току транзистора определяет все технико-экономические параметры усилителя. В первую очередь выбираем рабочие точки по току и напряжению входной и выходной (коллекторной) цепи транзистора. Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: Rб1, Rб2, Rэ, Rк, которые необходимо найти.

Выбираем рабочую точку транзистора на входной вольт-амперной характеристике (приложение Б), которую обозначим П. Этой точке соответствует постоянный ток базы транзистора - Iбп и напряжение между базой и эмиттером - Uбэп, которые соответственно равны:

Iбп = 0,19 мА

Uбэп = 0,5В

На оси напряжения Uбэ определим минимальное Uбэмин и максимальное Uбэмакс значения напряжения, отложив в обе стороны отрезки равные Umвх. От полученных значений проведем перпендикуляры до пересечения с кривой графика, а от точек пересечения с графиком до оси тока базы Iб. Значения точек пересечения с осью соответственно будут равны Iбмин и Iбмакс

На графике выходных характеристик транзистора (приложение В) определим положение рабочей точки. Рабочий ток покоя коллектора будет равен

Iкп = h21э* Iбп = 50 * 0,19 = 9,5 мА.

Проведя из точки Iкп на оси Iк горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы. Это будет точкой покоя П коллекторной цепи.

Опуская перпендикуляр на горизонтальную ось напряжения Uкэ, получим точку покоя рабочего напряжения коллектора Uкэп = 9 В.

Построим статическую нагрузочную прямую по двум точкам, одна из которых является П, лежащая на ветви тока базы Iбп. Вторая точка откладывается на горизонтальной оси напряжения Uкэ и равна напряжению питания Ек. (Приложение В)

Построив нагрузочную прямую, при её пересечении с осью коллекторного тока, получаем точку Iкз = 25мА. Это точка, которая имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе (перемычке).

Проведем расчет сопротивлений.

1) Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и вычисляется по формуле

Rэ = URэ/ Iкп

Напряжение URэ рекомендуется выбирать равным 0.1Ек, т.е

URэ = 0.1Ч15 = 1,5 В,

откуда

Rэ = 1,5 /(9,5*10-3) = 158 Ом.

2) Расчет сопротивлений резисторов Rб1 и Rб2.

Для расчета сопротивлений Rб1 и Rб2 существуют рекомендации выбирать ток делителя Iд в маломощных каскадах в 8-10 раз больше тока базы.

Iд=10*Iбп= 10* 0,19 = 1,9 мА

Тогда, зная ток базы Iбп и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:

Iд*Rб2 = Uбэ + Rэ*Iкп и отсюда Rб2 = (Uбэ + Rэ*Iкп)/ Iд

Rб2= (0,5+1,5)/1,9*10-3 = 1053 Ом;

Тогда, Rб1 = (Ек - Iд * Rб2)/ Iд.

Rб1 = (11 -1,9*10-3 *1053)/(1,9Ч10-3) = 4736 Ом

3) Расчет сопротивления Rк

Если Iк = Ек/(Rк + Rэ), то отсюда получим

Rк= Ек /Iкз - Rэ

Rк= 11/ 25*10-3 - 158 = 282 Ом

Таким образом, сопротивления Rк и Rэ, Rб1 и Rб2 найдены.

2.3.2 Динамический расчет каскада

Рассчитаем при заданных технических условиях и характеристиках теоретический коэффициент усиления по напряжению по формуле:

Ku=14B/0,05B=280;

Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока Rб по формуле:

Rб = (4736*1053)/(4736+1053) = 861,463 Ом

Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения рассчитаем по формуле:

Rэкв = (Rи · Rб)/( Rи + Rб),

Rэкв = (100*861,5)/(100+861,5) = 89,6 Ом

Напряжение эквивалентного генератора на входе рассчитаем по формуле:

Uэкв = (Еи · Rб)/( Rи + Rб )

Uэкв = (0,05*861,5)/(100+861,5) = 0,045 В

Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала, и используя входную характеристику транзистора нужно сначала определить минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:

Uбдmin = Uбэп - Uэкв = 0,5- 0,045 = 0,455 В;

Uбдmax = Uбэп + Uэкв = 0,5 + 0,045 = 0,545 В.

По динамическим значениям входного напряжения на входной ВАХ находятся соответствующие динамические входные токи

Iбдmin = 0,17 мA;

Iбдmax =0,20мA.

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и в первую очередь общее сопротивление коллекторной нагрузки, которое будет найдено из выражения:

,

= (RнЧRк)/ (Rн + Rк) = (4500Ч282)/(4500+282)=265,37 Ом.

Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной ВАХ транзистора. Первая точка останется, как и для статического режима (точка П). Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по формуле:

Iкд = Ек/Rґн

Iкд = 11/265,37 = 0,041 А или 41 мА

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из приложения В, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд1 = 5,5 В и Uкд2 = 7В

Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:

К = (Uкд2 - Uкд1)/(2·Еи)

К =(7-5,5)/(2*0,05) = 15.

Сравним фактический коэффициент усиления каскада и коэффициент усиления по напряжению К<Ku (15<100) => необходимо первый усилительный каскад дополнить вторым каскадом усиления и продолжить расчет.

Для этого необходимо рассчитать по формуле

Uвых=(Uкд2-Uкд1)/2

Uвых = 0,75 В

2.3 Расчет второго каскада

2.3.1 Расчет по постоянному току

Выбираем второй транзистор по тем же параметрам, описанным при выборе первого транзистора. По условиям подходит транзистор КТ807Б технические характеристики, которого приведены в Приложении Г.

Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: Rб1, Rб2, Rэ, Rк, которые необходимо найти.

Рабочий режим по постоянному току определяется на входной и выходной вольт - амперных характеристиках (ВАХ), которые представлены в приложении Д и Е соответственно. Графоаналитический расчет выполняется по алгоритму, который использовался для расчета первого каскада.

Найдем по входной и выходной вольтамперной характеристикам следующие данные:

Uбэп=0,65 B

Iбп=10 мА

Iкп= 0,3 А

Uкэп = 9 В

Проведем расчет сопротивлений.

1) Сопротивление Rэ2 предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и вычисляется по формуле

Rэ2 = URэ/ Iкп

Напряжение URэ рекомендуется выбирать равным 0.1Ек, т.е

URэ = 0.1Ч15 = 1,5 В,

откуда

Rэ2 = 1,5 /(0,3) = 5 Ом.

2) Расчет сопротивлений резисторов Rб3 и Rб4 .

Для расчета сопротивлений Rб3 и Rб4 существуют рекомендации выбирать ток делителя Iд в маломощных каскадах в 8-10 раз больше тока базы.

Iд=10*Iбп= 10* 10 = 100 мА

Тогда, зная ток базы Iбп и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:

Iд*Rб4 = Uбэ + Rэ*Iкп и отсюда Rб4 = (Uбэ + Rэ2*Iкп)/ Iд

Rб4= (0,65+5*0,3)/0,1 = 21,5 Ом;

Согласно закону Кирхгофа Rб3 = (Ек - Iд Ч Rб4)/ Iд = (11 - 0,1*21,5)/0,1 = 88,5 Ом

3) Расчет сопротивления Rк2

Сопротивление Rк2 найдем из статической нагрузочной прямой.

Точка пересечения нагрузочной прямой и ординаты Iк имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе - Iкз. Численное значение тока Iкз может быть найдено из выходной ВАХ КТ807Б, где Iкз = 0,85А.

Если Iкз = Ек/( Rк2 + Rэ2), то отсюда получим

Rк2= Ек /Iкз - Rэ2

Rк2= 11/ 0,85 - 5 = 7,94 Ом

Таким образом, сопротивления Rк2 и Rэ2, Rб3 и Rб4 найдены.

Динамический расчет каскада

Следующим этапом является динамический расчет каскада.

Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока Rб по формуле:

R'б=(88,5*21,5)/(88,5+21,5)=17,29

Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения рассчитаем по формуле:

Rэкв = (Rи · Rб)/( Rи + Rб),

Rэкв = (100*17,29)/( 100+17,29) = 17,74 Ом

Напряжение эквивалентного генератора на входе рассчитаем по формуле:

Uэкв = (Ег· Rб)/( Rи + Rб )

Uэкв = (0,65*17,29)/(100+17,29) = 0,1 В

Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала, и используя входную характеристику транзистора нужно сначала определить минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:

Uбдmin = Uбп - Uэкв = 0,55В;

Uбдmax = Uбп + Uэкв = 0,75В

По динамическим значениям входного напряжения на входной ВАХ находятся соответствующие динамические входные токи:

Iбдmin = 5 мA;

Iбдmax = 30 мA

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и в первую очередь общее сопротивление коллекторной нагрузки, которое будет найдено из выражения:

,

= (RнЧRк2)/ (Rн + Rк2) = (4500Ч7,94)/(4507,94)= 7.92 Ом.

Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной ВАХ транзистора. Первая точка останется, как и для статического режима (точка П). Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по формуле:

Iкд = Ек/Rґн

Iкд = 11/7,92 = 1,38А

Реально нагрузочный динамический диапазон будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд1 = 4,9 В и Uкд2 = 12В

Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:

К = (Uкд2 - Uкд1)/(2·Еи)

К =(12-4,9)/(2*0,05) = 71.

Сравним фактический коэффициент усиления каскада и коэффициент усиления по напряжению К<Ku (71<280)

Рассчитаем реальное усиление:

Kр = КЧ

Кр =71Ч15= 1065;

Сравним фактический коэффициент усиления каскада и коэффициент усиления по напряжению Кр>Ku (1065>280) => для усиления хватит двух каскадов.

2.3 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера

Емкости межкаскадных связей Ср1, Ср2 предназначены для гальванической развязки (исключение влияния между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым каскадом и, дальше между каждым из каскадов по всему тракту усиления. Емкость Сэ предназначена для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по следующим формулам:

Для второго каскада (по тем же формулам, что и для первого каскада):

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта был произведен выбор принципиальной схемы, расчет всех элементов двухкаскадного усилителя с заданными техническими характеристиками.

В качестве схемы усилителя взята стандартная схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером для проводимости типа n-p-n .Усилитель по току, режим класс «А». Транзисторы кремневые маломощные высокочастотные эпитаксильно планарные n-p-n типа усилительные КТ312Б и КТ807Б.

Разработанный двухкаскадный усилитель соответствует заданным условиям курсового проекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, КубК-а 1994. - 384с.;ил.

Корнев В.А. Методические указания к курсовому проекту. ВКГТУ, 2010.

Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности./А.А.

Лаврененко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е издание перераб. К. Технiка, 1980. - 464с.; ил.

Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам. Издание 2. - Таганрог, 219 с., ил.

Справочное пособие по основам электротехники и электроники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: Энергоатомиздат, 1995.

Электротехника и основы электроники. /Под ред. О.П.Глудкина, Б.П.Соколова. М.: Высш. шк., 1993.

Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М. : Связь, 1971.

Назаров С.В. Транзисторные стабилизаторы напряжения. - М. : Энергия, 1980.

Цыкина Л.В. Электронные усилители. - М. : Радио и связь, 1982.

Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. - М. : Высшая школа, 1980.

Размещено на Allbest.ru