Расчет основных характеристик усилительного каскада биполярного транзистора

Расчет основных характеристик усилительного каскада биполярного транзистора

Исходные данные к курсовой работе

Номер варианта:034

Тип активного элемента: КТ201А

Схема включения:ОЭ

Резистор в цепи коллектора Rк (кОм): 0,82

Резистор в выходной цепи усилительного каскада Rн (кОм): 1,2

Величина напряжения питания Еп (В): 15

Введение

транзистор усилитель каскад

Целью данной курсовой работы по предмету “Схемотехника телекоммуникационных устройств” является применение знаний полученных при изучении данного предмета, получение опыта разработки и расчета основных характеристик усилительного каскада, использование справочной литературы, определение параметров эквивалентной схемы биполярного транзистора.

В данном курсовом проекте будем рассчитывать усилительный каскад на биполярном транзисторе включенный по схеме с общим эмиттером с использованием эмиттерной стабилизации, которая применяется для предотвращения сильных нелинейных искажений, тепловой неустойчивости транзисторов и уменьшения нестабильности параметров усилительного каскада.

1.Параметры транзистора КТ201А

Кремниевый планарно-эпитаксиальный n-p-n транзистор предназначен для использования в усилительных схемах.

Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,6 г.

Электрические параметры

Обратный ток коллектора Iкб0 (Uк = 20 В), мкА 1

Обратный ток эмиттера Iэб0 (Uэ =20 В), мкА 3

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте |h21э|

(Uк = 5 В,Iэ = 10 мА, ƒ = 10 МГц) 1

Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме

малого сигнала h21б (Uк = 5 В , Iэ = 1 мА , ƒ = 1 кГц) 3*10^ -3

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21э (Uк = 1 В,Iэ = 5 мА) min=20; max=60

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21э  при Тс =+125 оС (Uк = 1 В,Iэ = 5 мА) min=20; max=100

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21э при Тс = -60 оС (Uк = 1 В,Iэ = 5 мА) min=8; max=60

Емкость коллекторного перехода Ск (Uк = 5 В, ƒ = 10 МГц),пФ 20

Максимально-допустимые параметры

(Гарантируются при температуре окружающей

среды Тс = -60 оС… +125 оС )

Iк max1) - постоянный ток коллектора ,мА 20

Iк и max - импульсный ток коллектора (tи ≤ 100 мкс, Q ≥ 10),мА 100

Uэб макс - постоянное напряжение эмиттер -база ,В20

Uкб макс - постоянное напряжение коллектор -база ,В20

UкэR макс - постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Rб ≤ 2 кОм),В 20

Pк макс2) - постоянная рассеиваемая мощность коллектора (при Тс = -60 …+90оС), мВт 150(при Тс = +125 оС) , мВт 60

Тп макс - температура перехода, оС 150

Допустимая температура окружающей среды, оС -60 оС… +125

)        Для приборов, которым присвоен государственный Знак качества, максимально допустимый постоянный ток коллектора Iк max =30мА. При этом значение статистического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ не нормируется.

)        При повышении температуры от 90 до 125 оС допустимая мощность уменьшается линейно.

. Семейства входных и выходных характеристик транзистора

На рисунках 1 и 2 представлены семейства входных и выходных характеристик транзистора КТ201А.

3.Практическая схема каскада с общим эмиттером

Рисунок 3. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией

.Выбор режима работы транзистора

На семействе выходных характеристик транзистора построим нагрузочную прямую по постоянному току (рисунок 4). Координаты точек этой прямой:

(0,Е/(Rк+Rэ)) и (Е,0) - (15,2 и 15,0)

Сопротивление в цепи эмиттера возьмём из соотношения:э=0,2 Rк; э=0,2820 =164 Ом к=820 Ом э =160 Ом

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке Uкэ рт. найдем по формуле (1)

 (1)

Рассчитанная точка не совпала с одной из характеристик семейства, поэтому примем за рабочую точку ближайшую точку пересечения:

=7,2 В , Iк рт=8мА

Отметим выбранную точку на выходной характеристике транзистора (рисунок 5) Iб=0,1мА

=7,2 В

Iк рт=8мА

Iб рт= 0,1мА

5.Расчет делителя в цепи базы

На практике сквозной ток делителя выбирают из условия

Iд=(3÷10) Iб рт=5 0,2=1мА

Согласно закону Ома, сопротивление резистора

 (2)  (3)

По ряду Е24 выбираем сопротивление = 2,4 кОм

Производим пересчёт

Далее произведем расчет резистора RБ1 по формуле (5)

 (5)

По ряду Е24 выбираем сопротивление = 11 кОм

.Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех

h-параметров: входное сопротивление h11э, статический коэффициент передачи тока

базы транзистора h21э и выходную проводимость h22э.

Входное сопротивление h11э=ΔUБЭ/ΔIБ при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (UКЭ=const) определяют по входным характеристикам транзистора.

Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ΔUБЭ симметрично относительно рабочей точки (рисунок 6)

и определим соответствующее приращение тока базы ΔIБ.

Рисунок 6. Входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора

 (6)

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора h21э= ΔIк/ ΔIБ при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора(UКЭ=const) определяют по выходным характеристикам транзистора.

Для нахождения параметра h21э необходимо задать приращение тока базы ΔIБ и определить соответствующее приращение тока коллектора ΔIк, (рисунок 7).

 (7)

Выходную проводимость =ΔIк/ ΔUкэ в режиме холостого хода на входе транзистора (Iб=const) определяют также, как и параметр  по выходным характеристикам транзистора(рисунок 8).

 (8)

Четвертый параметр-коэффициент обратной связи по напряжению  по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно.У маломощных транзисторов коэффициент обратной связи по напряжению .

Примем .

7.Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

Эта схема известна также в литературе под названием <<гибридная схема замещения>> и <<схема замещения Джиаколетто>>.

Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база Uкб= Uкбрт

 (9)

Где -емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база.

Значения и  возьмем из справочника,причем значение -из той же строки справочника, что и

Напряжение коллектор-база в рабочей точке  рассчитаем по формуле:

 (10)

Выходное сопротивление транзистора

 (11)

Сопротивление коллекторного перехода транзистора

 (12)

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера

 (13)

 (14)

Сопротивление эмиттерного перехода для тока базы

 (15)

Сопротивление базы транзистора

 (16)

У транзисторов малой мощности средней частоты значение  не нормируется,поэтому для этих транзисторов =100200 Ом.

Примем =150 Ом.

Диффузная емкость эмиттерного перехода

 (17)

-граничная частота коэффициента передачи тока, частота на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером =1

 рассчитывается по формуле

==1=Гц

где -частота, на которой измерен модуль коэффициента передачи тока базы

Крутизна транзистора

 (18)

.Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению

 (19)

 (20)

Коэффициент усиления по мощности

 (21)

Входное сопротивление каскада

 (22)

Выходное сопротивление каскада

 (23)

.Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току (рисунок 10) ,

которая будет проходить через рабочую точку и точку <В> с напряжением

Точки пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора занесём в таблицу 1.

Напряжение база-эмиттер ,соответствующие токам iк1- iк4 находим по входной характеристике транзистора.

рисунок 10

Таблица 1

Для повышения точности графических построений, начальный участок графика входной характеристики следует исключить, сместив начало отчета по оси напряжений база-эмиттер, и изменив масштаб по оси напряжений база-эмиттер, как показано на рисунке 11.

Используя пары значений UБЭ, IК из таблицы, строим сквозную характеристику,

рисунок 12.

Рисунок 12.Сквозная характеристика транзистора

Запишем полученное значение максимальной амплитуды входного сигнала UБЭ m=0,09 В. UБЭ.РТ=0,76 В

.Оценка нелинейных искажений, вносимых каскадом, при максимальной амплитуде входного напряжения

Для оценки нелинейных искажений воспользуемся методом пяти ординат, который позволяет приближенно найти амплитуду первых четырех гармоник выходного колебания каскада и соответствующие коэффициенты гармоник. Для использования метода пяти ординат построим на сквозной характеристике точки C и D,которые будут удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала. В результате на сквозной характеристике получаем пять равноудаленных по оси напряжения точек A ,B ,PT, C и D,ординаты которых iA , iB , iPT , iC , iD, используются при расчете коэффициентов гармоник.

iA=3 , iB=22 , iPT=8 , iC=6 , iD=13

Коэффициент второй гармоники

 (24)

Коэффициент третьей гармоники

 (25)

Коэффициент четвертой гармоники

 (26)

Интегральный коэффициент гармоник

 (27)

.Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора RК,

 (28)

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера RЭ

 (29)

Мощность, рассеиваемая резистором RБ1 в цепи базы транзистора

 (30)

 (31)

Расчет емкости конденсатора СБ

 (32)

Расчет емкости конденсатора СК

 (33)

Расчет емкости конденсатора СЭ

 (34)

Где: ==513 Ом =60 Ом =50 Гц

Для выбора конденсаторов необходимо также рассчитать рабочие напряжения, при которых они будут работать в усилителе.

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы СБ

 (35)

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора СК

 (36)

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера СЭ

 (37)

Номинальное напряжение соответствующего конденсатора должно с некоторым запасом превышать рабочее напряжение, рассчитанное по формулам (35)-(37).

Вывод

В данной курсовой работе были произведены расчеты усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, малосигнальных параметров транзистора, элементов малосигнальной эквивалентной схемы и динамических параметров усилительного каскада. В данной работе наиболее полезным является усвоение методики расчета биполярного

Список литературы

1. В.А. Матвиенко/Методические указания к курсовой работе/ Екатеринбург 2012

. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб: пособие для вузов.-М.: Радио и связь, 1989.-400 с.: ил.

. Транзисторы и полупроводниковые диоды. Справочник под редакцией Николаевского И.Ф. М.: Связьиздат. 1963. 646с

. Электронные приборы.: Учебник для вузов/ В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина, 4-е изд., перераб. доп. М.: Энергоатомиздат, 1989 496 с

Приложение

Перечень элементов