Расчет усилителя с общим эмиттером. Расчет транзисторного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе Расчет усилителя напряжения на транзисторах

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Усилители являются одними из самых распространенных. электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосистемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: равные токи, напряжения, разные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усиления наибольшее применение получили резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного усилительные схемы получили следующие названия:

1. С общим эмиттером - ОЭ (Error: Reference source not found1).

2. С общей базой - ОБ (Error: Reference source not found).

3. С общим коллектором (эмиттерный повторитель) - ОК (Error: Reference source not found3).

Наиболее распространенной является схема каскада ОЭ, так как она обеспечивает наибольшее усиление сигнала по мощности. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьшим выходным сопротивлениями, поэтому его применяют в тех случаях, когда эта особенность позволяет согласовать те или иные звенья усилителя в целях улучшения качества усиления.

Рассмотрим усилительный каскад с ОЭ. При расчете каскада усилителя обычно являются известными:1) R н – сопротивление нагрузки, на которую должен работать рассчитываемый каскад. Нагрузкой может являться и аналогичный каскад; 2) I н.м – необходимое значение амплитуды тока нагрузки; 3) допустимые частотные искажения; 4) диапазон рабочих температур; 5) в большинстве случаев является заданным напряжение источника питания коллекторной цепи.

В результате расчета должны быть определены: 1) тип транзистора; 2) режим работы выбранного транзистора; 3) параметры каскада; 4) значения всех элементов схемы (резисторы, конденсаторы), их параметры и типы.

Расчет усилителей

Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения низкой частоты

с реостатно-емкостной связью

Последовательность расчета приводится для транзистора, включенного по схеме ОЭ (общий эмиттер) На рис. 1 дана схема каскада усилителя.

Исходные данные: 1) напряжение на выходе каскада U вых.м (напряжение на нагрузке); 2) сопротивление нагрузки R н ; 3) нижняя граничная частота f н ; 4) допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частот М н ; 5) напряжение источника питания Е П .

Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора; 3) сопротивление коллекторной нагрузки R K ; 4) сопротивление в цепи эмиттера R Э ; 5) сопротивления делителя напряжения R 1 и R 2 стабилизирующие режим работы транзистора; 6) емкость разделительного конденсатора С Р; 7) емкость конденсатора в цепи эмиттера С Э ; 8) коэффициент усиления каскада по напряжению К U .

Порядок расчета

1. Выбираем тип транзистора, руководствуясь следующими соображениями:

а) U кэ.доп  (1,11,3)Е П , U кэ.доп – наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках;

б)

I н.М – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки; I к.доп – наибольший допустимый ток коллектора, приводится в справочниках.

Примечания: 1) Заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор.

2. Для выбранного типа транзистора выписать из справочника значения коэффициентов усиления по току для ОЭ  мин и  М. В некоторых справочниках дается коэффициент усиления  по току для схемы ОБ и начальный ток коллектора I к.н. . Тогда =/(1-) (при выборе режима работы транзистора необходимо выполнение условия I к.мин  I к.н ). Для каскадов усилителей напряжения обычно применяют маломощные транзисторы типа П6; П13; П16; МП33; МП42 и др.

3. Режим работы транзистора определяем по нагрузочной прямой, построенной на семействе выходных статических (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на Error: Reference source not foundНагрузочная прямая строится по двум точкам: т.0 – точка покоя (рабочая) и т.1, которая определяется величиной напряжения источника питания Е П . Координатами т.0 являются ток покоя I к0 и напряжение покоя U кэ0 (т.е. ток и напряжение, соответствующие U вх =0).

Можно принять I к0 = (1,05-1,2)I вых  (1,05-1,2)I н.М, но не меньше l мА:

U кэ0 = U вых.м + U ост,

где U ост - наименьшее допустимое напряжение U кэ.

При U кэ <U ост возникают значительные нелинейные искажения, так как в рабочую зону попадают участки характеристик, обладающие большой кривизной. Для маломощных транзисторов можно принять U oc т = l В.

4. Определяем величины сопротивлений R К и R Э .

По выходным характеристикам (Error: Reference source not found) определяем R об = R К + R Э . Общее сопротивление в цепи эмиттер-коллектор

г
де I – ток, определяемый т.4, т.е. точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов.

П
ринимая R Э =(015  0,25)R К, получим

R Э = R об – R К

5. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I вх.м и напряжения U вх.м, необходимые для обеспечения заданного значения, U вых.м. Задавшись наименьшим значением коэффициента усиления транзистора по току  мин получим:

т
огда

По входной статической характеристике для схемы с ОЭ, снятой при U кэ = –5В (Error: Reference source not found), и найденным значениям I б. min и I б. max находят величину 2 U вх.m .

6. Определяем входное сопротивление R вх каскада переменному току (без учета делителя напряжения R 1 и R 2 ):

7
. Определяем сопротивления делителя R 1 к R 2 . Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают

R
1-2  (8  12) R вх~

8. Определяем коэффициент стабильности работы каскада:

где  М – наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа транзистора.

Для нормальной работы каскада коэффициент стабильности S не должен превышать нескольких единиц. (s
)

9. Определяем емкость разделительного конденсатора С р:

где R вых.Т – выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случаев R вых.Т >>R К , поэтому можно принять R вых  R К + R Н .

принимают к установке

10. Определяем емкость конденсатора

1
1. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Примечание. Приведенный порядок расчета не учитывает требований на стабильность работы каскада.

А. Бепьский
РМ. КВ-УКВ. 1/2002

При конструировании транзисторных усилителей мощности радиолюбители зачастую не выполняют полный расчет схемы ввиду сложности и большого объема вычислений. Компьютерные методы моделирования радиотехнических устройств несомненно облегчают процесс конструирования, но приобретение и освоение таких программ также вызывает определенные проблемы, поэтому графические методы расчета для некоторых радиолюбителей могут оказаться наиболее приемлемыми и доступными, например, метод, описанный в .

Одна из главных целей при конструировании усилителей мощности - получение максимальной выходной мощности. Однако при выборе величины напряжения питания усилителя должно соблюдаться условие - Uкэ max выходного транзистора не должно превышать более чем на 10% значение, приводимое для него в справочнике. При проектировании также необходимо учитывать справочные значения Iк max и Pк max транзистора и, кроме того, знать значение коэффициента в.

Смысл используемых обозначений иллюстрирует рис.1. Используя справочные параметры транзистора, на миллиметровке строится система координат Uк, Iк, и на ней проводятся прямые Iк max, Uкэ max и кривая предельной мощности Рк max (рис.2). Внутри площади, ограниченной прямыми Iк max и Uкэ max и гиперболой Рк max располагается рабочая точка транзистора.

Рис.1

Выходная мощность каскада будет тем больше, чем ближе к гиперболе Рк max проходит нагрузочная прямая.

Максимум мощности достигается при касании гиперболы прямой. Максимальное выходное напряжение обеспечивается, если нагрузочная прямая выходит из точки Uкэ max. Для одновременного выполнения обоих упомянутых условий, выходящая из точки Uкэ max прямая должна касаться гиперболы Рк max.

Иногда возникает необходимость получения большого тока через выходной транзистор. В этом случае необходимо провести нагрузочную прямую из точки Iк max касательно к гиперболе Рк max. Транзистор будет работать в режиме класса А.

Выберем рабочую точку Мр транзистора так, чтобы выходное напряжение было максимальным и симметричным. Из рабочей точки проводим прямые, параллельные осям Uк и Iк. В точке пересечения с осью Uк получим значение напряжения питания каскада, а в точке пересечения с осью Iк - величину тока покоя транзистора (Iко). После этого, зная коэффициент в транзистора, можно определить ток базы Iбо для выбранной рабочей точки. Кроме того, можно рассчитать и другие параметры каскада, важные для разработчика. Следует иметь в виду, что сопротивление резистора Rэ необходимо выбирать как можно меньше (в предельном случае - равное нулю).

С целью иллюстрации описанного метода расчета предельных параметров усилителей мощности рассмотрим алгоритм разработки выходного каскада на транзисторе 2N3632 (приблизительный аналог - КТ907).

Для этого транзистора: Uкэ max =40В; Рк max=23 Вт; Iк max=3 А; b=50...110 (для расчетов принимаем в=100); ft=400 МГц.

Графическим путем получим следующие данные: Uп=16 В; Iко=1,36 A; Uвых=30 В: Iкm=2,8А.

Определяем ток базы:

Ток через делитель:

Сопротивление резисторов делителя.

Министерство образования РФ

Уральский Государственный Технический Университет

Кафедра Автоматика и управление в технических системах

РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НА ТРАНЗИСТОРЕ КТ3107И

Курсовая работа по

Электронике

Студент гр. Р-291а А.С. Клыков

Преподаватель

доцент, к.т.н. В. И. Паутов

Екатеринбург 2000

1. Предварительные данные для расчета усилителя 3

2. Выбор транзистора4

3. Расчет режима транзистора по постоянному току 4

4. Выбор напряжения источника питания 5

5. Расчет элементов, обеспечивающих рабочий режим тр-ра5

6. Расчет емкостей С ф, С 1 , С 2 , С э 7

7. Результаты расчета8

8. АЧХ и ФЧХ усилителя 9

9. Список литературы 10

1. Предварительные данные для расчета усилителя

U Н = 0.2 В

R Н = 0.3 кОм

R С = 0.5 кОм

t max = 70 0 C

f н = 50 Гц

f в = 25 Гц

2. Выбор транзистора.

Для выбранного транзистора добротность D т:

где r¢ б – объемное сопротивление базы, равное 150 Ом C к – емкость коллекторного перехода

По расчетным данным и из условий: Р к max >Р к, B min ³ B необх, ¦ в ³¦ в,необх выбираем транзистор КТ3107И

3. Расчет режима транзистора по постоянному току.

Ток коллектора I к определяем по формуле:
где R вх = В * r э = 1к9 - входное сопротивление каскада Е с – источник сигнала
Напряжение на оллекторе-эмиттере U кэ:Рабочая точка транзистора =1.5 В

I 0 к = 1.82 В

4. Выбор напряжения источника питания.

Найдем R э по формуле:

где S – температурный коэффициент

R б = (5¸10) R вх = 5*1900 = 9500 Ом – общее сопротивление базы

Найдем U б:
Определим R ф:

По ГОСТу выбираем:

R 1 = 6к0 R 2 = 16к0 R э = 3к2 R ф = к45

Проверим выполнение неравенства:

I 0 к * R э + U 0 кэ + I 0 к * R к + (I 0 к + I д ) * R ф ³ Е к

5.824 + 1.5 + 2.5 + 1.179 ³ 5

11 ³ 5 – неравенство выполняется

Определим для повторителя R э2:

U Б2 = U К1 = I 0 э *R э + U 0 Кэ = 1.82мА * 3.2кОм + 1.5В = 7.32 В

U Бэ2 = r¢ б * I 0 э = 150 * 1.82мА = 0.27 В

Найдем R вх2 и R вых2:
Коэффициент усиления первого каскада:
6. Расчет емкостей С ф, С 1 , С 2 , С э.

где К СГ = 40 – коэффициент сглаживания

f П = 100 Гц – основная частота пульсации ист.питания

8. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.
10	20	30	40	60	100	160	320	640	1280	2560	5120	10240	20480	40960	81920	163840
1	1.30103	1.47712125	1.60205999	1.77815125	2	2.20411998	2.50514998	2.80617997	3.10720997	3.40823997	3.70926996	4.01029996	4.31132995	4.61235995	4.91338994	5.21441994
62.8	125.6	188.4	251.2	376.8	628	1004.8	2009.6	4019.2	8038.4	16076.8	32153.6	64307.2	128614.4	257228.8	514457.6	1028915.2
0.2	0.4	0.6	0.8	1.2	2	3.2	6.4	12.8	25.6	51.2	102.4	204.8	409.6	819.2	1638.4	3276.8
5	2.5	1.66666667	1.25	0.83333333	0.5	0.3125	0.15625	0.078125	0.0390625	0.01953125	0.00976563	0.00488281	0.00244141	0.0012207	0.00061035	0.00030518
0.4	0.8	1.2	1.6	2.4	4	6.4	12.8	25.6	51.2	102.4	204.8	409.6	819.2	1638.4	3276.8	6553.6
4.6	1.7	0.46666667	-0.35	-1.56666667	-3.5	-6.0875	-12.64375	-25.521875	-51.1609375	-102.380469	-204.790234	-409.595117	-819.197559	-1638.39878	-3276.79939	-6553.59969
25	6.25	2.77777778	1.5625	0.69444444	0.25	0.09765625	0.02441406	0.00610352	0.00152588	0.00038147	9.5367E-05	2.3842E-05	5.9605E-06	1.4901E-06	3.7253E-07	9.3132E-08
0.16	0.64	1.44	2.56	5.76	16	40.96	163.84	655.36	2621.44	10485.76	41943.04	167772.16	671088.64	2684354.56	10737418.2	42949673
0.21242964	0.50702013	0.90618314	0.94385836	0.53803545	0.27472113	0.16209849	0.07884425	0.03915203	0.01954243	0.00976702	0.00488299	0.00244143	0.00122071	0.00061035	0.00030518	0.00015259
1.35673564	1.03907226	0.43662716	-0.33667482	-1.00269159	-1.29249667	-1.40797942	-1.49187016	-1.53163429	-1.55125265	-1.56102915	-1.56591332	-1.5683549	-1.56957562	-1.57018597	-1.57049115	-1.57064374

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Усилители низкой частоты основаны на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты может входить любой сигнал (датчик, предыдущий усилитель, микрофон и др.) Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. В состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Простейшая схема резистивного усилительного каскада

Данная схема имеет название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R б практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров b даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема с делителем напряжения

В этой схеме резисторы и подключенные параллельно источнику питания Е к, образуя тем самым делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, в противном случае входное сопротивление каскада окажется малым.

При построении схем транзисторных усилителей необходимо принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Причина, по которой приходится прибегнуть к данным мерам является влияние температуры. Есть несколько вариантов так называемой термостабилизации режимов работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из вариантов представлены на рисунках 3,4,5.

В схеме (см. рисунок 3) терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора.

Рисунок 3 - Схема с терморезистором

Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема термостабилизации с помощью полупроводникового диода

В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема с цепью эмиттерной стабилизации RэСэ

В этой схему навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора включено напряжение, возникающее на резисторе R э при прохождении через него тока эмиттера. Пусть, например, при увеличении температуры постоянная составляющая коллекторного тока возрастет. Увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера и падению напряжения на резисторе R э . В результате напряжение между эмиттером и базой уменьшиться, что приведет к уменьшению тока базы, а следовательно, тока коллектора. В большинстве случаев резистор R э шунтируется конденсатором большой емкости. Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R э .

3 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 R б1 и R б2 . Сопротивление R б1 подключается к положительному контакту источника постоянного напряжения Ек параллельно коллекторному сопротивлению R к , а R б2 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.

Принцип действия двухкаскадногоусилителя представлен на рисунке 6.

Рисунок 6- структурная схема двухкаскадного усилителя

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).

Задание:

Разработать схему предварительного усилителя напряжения низкой частоты средней мощности с заданными параметрами:

Амплитудное значение напряжения на выходе усилителя Uвых = 6 В;

Амплитудное значение сигнала источника Uвх = 0,15 В;

Напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора Ек = 20 В;

Сопротивление в цепи нагрузки усилителя Rн = 3,3 кОм;

Диапазон усиливаемых частот F н F в =20 Гц - 20000 Гц;

Коэффициент частотных искажений М в = 1,18;

Внутреннее сопротивления источника сигнала Rи = 130 Ом.

Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ, должно удовлетворять условию:

Uкэмах ≥ 1,2 × Ек.

Uкэмах ≥ 1,2 ×20=24 В.

По условиям подходит транзистор ГТ 404А (Приложение А)

h 21э = 30 ÷ 80

Рисунок 7 – Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером

4 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

4.1 Первый каскад.

4.1.1Расчет усилителя по постоянному току

При расчете усилителя используем графоаналитический метод расчета.

Первое: выбираем рабочую точку транзистора на входной вольт - амперной характеристике ВАХ (см. приложение А). Из точки на ветви Uбэп проведем перпендикуляр до пересечения с графиком входной кривой. Эта точка являться точкой покоя базы. Опуская из нее перпендикуляр к оси Iб, найдем постоянный ток базы Iбп, мА

На оси напряжения Uбэ определим минимальное Uбэ мин и максимальное Uбэ макс 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.

На графике семейства выходных характеристик определим положение рабочей точки, проведя из точки Iкп на оси Iк горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы (см. приложение Б). Это будет точкой покоя П коллекторной цепи. Опустим перпендикуляр на ось напряжений Uкэп, где получим точку покоя рабочего напряжения.

Построим статическую нагрузочную прямую по двум точкам, одна из которых является П, а вторая на оси Uкэ равная Ек. Построив нагрузочную прямую, при её пересечении с осью коллекторного тока, получаеся точка Iкз - это фиктивная точка, которая имеет смысл тока протекавшего бы при короткозамкнутом транзисторе (перемычке).

Расчет сопротивлений резисторов R б1 и R б2 (Ом) делителя напряжения

Ток делителя выберем в пределах (8 ÷ 10) :

4.1.2 Динамический расчет каскада.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению по формуле:

Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и его внутреннее сопротивление «ко входу» первого каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину параллельного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R б по формуле:

Параллельно сопротивлению Rб будет подключено входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора, которое определяется по входной ВАХ, как отношение приращений входного напряжения к току, т.е.:

Динамические входные токи:

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 характеристике (приложение А).

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из приложения А, будет находитьссля в пределах двух ветвей базового тока Iбд 1 и Iбд 2 1 и Uкд 2

7,5<40

Следут добавить второй каскад.

Для этого рассчитаем:

4.2. Второй каскад

4.2.1 Расчет усилителя по постоянному току

Для второго каскада выберем транзистор средней мощности. По всем параметрам подходит ГТ 404В h 21э = 30 ÷ 80.

Т.к. входная ВАХ одинаковая у ГТ 404А и ГТ 404В, то начальные будут одинаковые. Аналогично строим график и берем значения.

Также выберем рабочую точку (см. приложение Г).

Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-0.3)Rк.

Ток делителя для транзистора средней мощности следует выбрать (2 ÷ 3) Iбп

Рассчитаем сопротивления резисторов R б3 и R б4 , Ом делителя напряжения

4.2.2Динамический расчет каскада.

Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R б по формуле

Входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора равно:

Параллельное соединение сопротивлений Rвх и Rб будет равно:

Тогда эквивалентный переменный сигнал на входе транзистора будет равен:

Определим минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:

Динамические входные токи:

Рассчитаем сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения:

Первая точка останется, как и для статического режима - точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и вычислим по формуле:

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из рисунка 2.14, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд 1 и Iбд 2 . Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд 1 и Uкд 2 . Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:

Рассчитаем реальное усиление:

4.3 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора

1-ый каскад:

2-ой каскад:

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

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении данной курсовой работы был разработан усилитель на транзисторах ГТ404А и ГТ404В, (рассчитаны 2 каскада в схеме усилителя). Получена принципиальная электрическая схема усилителя. Коэффициент усиления напряжения равен 40, что удовлетворяет условию.

Литература

1 Бочаров Л.И., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. – М. : Энергия, 1978.

2 Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М. : Энергия, 1972.

3 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М. : Высшая школа, 1986.

4 Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. – М. : Энергия, 1967.

5 Цыкин Г.С. Усилительные устройства. – М. : Связь, 1971.

6 Малинин Р.М. Справочник по транзисторным схемам. – М. : Энергия,1974.

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

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

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

10 Горюнов Н.Н. Полупроводниковые транзисторы. Справочник – М. : Энергоатомиздат, 1983

Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель - это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис..Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис., иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК - IК m RК) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис а, а затем рис б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП. Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме в первом рисунки.

Схема, приведенная на рис., получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра в даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе В этой схеме резисторы R"Б и R"Б, подключенные параллельно источнику питания ЕК, составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Сопротивление R"Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R"Б и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R"Б и R"Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, - влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис.

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R"Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

Данные для расчета.

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ

Основные характеристики

Транзистор

Uкэ/(Iк/Iб)В/(мА/мА)

Uкэ/RВ/кОм

Iкм/IкнмА/мА

Условные обозначения электрических параметров биполярного транзистора КТ312В:

Обозначение:	Параметр
	статический коэффициент передачи тока
	предельная частота коэффициента передачи тока
	емкость коллекторного перехода (Cк) и напряжение на коллекторе (Uк), при котором она измеряется
	емкость эмиттерного перехода (Cэ) и напряжение эмиттер/база (Uэ), при котором она измеряется
Rб*Cк псек	постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте

Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА)	напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб)
	обратный ток коллектора
	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база
Uкэ/R В/кОм	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) при заданной величине сопротивления, включенного между базой и эмиттером (R)
	максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база
Iкм/Iкн мА/мА	предельно допустимый постоянный (Iкм) ток коллектора предельно допустимый ток коллектора в режиме насыщения (Iкн)или в импульсе
	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе