Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Введение

Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники» заключается в расчете типового усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Целью курсовой работы является:

·      закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины;

·        формирование углубленного понимания физических процессов в усилительных устройствах;

·        изучение методов расчета усилительных устройств и их основных параметров;

·        ознакомление с элементной базой аналоговых электронных устройств;

·        усвоение правил составления и оформления технической документации.

Исходные данные к курсовой работе включают:

·      тип транзистора;

·        номинальное напряжение источника питания;

·        сопротивление резистора в цепи коллектора;

·        сопротивление нагрузки каскада.

Варианты задания выдаются преподавателем. Вариант задания выбирается по двум последним цифрам студенческого билета.

В результате выполнения курсовой работы студент должен представить:

·      пояснительную записку;

·        чертеж принципиальной схемы усилительного каскада;

·        перечень элементов.

Выполнение данной курсовой работы призвано активизировать самостоятельную работу студентов и является важным этапом в формировании профессиональных компетенций.

1. Расчет усилительного каскада

.1 Исходные данные к курсовой работе

транзистор стабилизация цепь замещение

Таблица 1- Исходные данные

В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.

.2 Характеристики используемого транзистора

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ342Б. Кремниевые планарные n-p-n транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60МГц.

Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,5 г.

Таблица 2. Максимально допустимые параметры (гарантируются при температуре окружающей среды Т_с= -60…+125⁰С)

Таблица 3-Электрические параметры транзистора КТ301Е

Таблица 4. Входные и выходные характеристики биполярных транзисторов

1.3 Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистора

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией изображена на рисунке.

2. Построение нагрузочной прямой по постоянному току

Уравнение нагрузочной прямой при выборе схемы включения биполярного транзистора.

Нагрузочную прямую строим по двум точкам:

1)         при I_к=0 и U_кэ=E_п = 12 В

2)      при U_кэ=0 и

Рабочая точка (т.РТ) выбирается в точке пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой.

Для определения параметров покоя построим также входную характеристику транзистора.

Параметры режима покоя:

U_кэрт=2,5 В

I_крт=25 мА

I_брт= 0,075 мА

U_бэрт= 0,63В

I_эрт= I_крт+ I_брт= 25·10^-3 +0,075·10^-3 =25,075 мА

3. Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя R_Б1, R_Б2 в цепи базы. Чем больше будет сквозной ток делителя I_Д = E/(R_Б1 + R_Б2), тем стабильнее будет режим работы при замене транзистора и изменении температуры окружающей среды, но тем больше будет ток, потребляемый каскадом от источника питания, поэтому сквозной ток делителя выбирают из компромиссных соображений. Сквозной ток делителя выбираем из условия I_д= (3¸10) I_{б рт.}

Выберем ток делителя , протекающий через, из условия:; Пусть , тогда

Согласно закону Ома, сопротивление резистора:

(номинал R_Б2 = 2,4кОм ± 5%)

Рассчитаем сопротивление резистора R_Б1:

(номинал R_Б1 = 8,2кОм ± 5%)

4. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h_11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э и выходную проводимость h_22Э.

) Входное сопротивление при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора:

2)      Статический коэффициент передачи тока базы транзистора при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора

определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h21_Э необходимо задать приращение тока базы ΔI_Б и определить соответствующее приращение тока коллектора ΔI_К.

3)      Выходная проводимость в режиме холостого хода на входе транзистора определяют также как и параметр h_21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_22Э необходимо задать приращение напряжения коллектор-эмиттер ΔU_КЭ и определить соответствующее приращение тока коллектора ΔI_К.

4) Коэффициент обратной связи по напряжению, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора о приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. Для всех типов биполярных транзисторов и рабочих точек принято(DI_к, DI_к,DU_бэ, DU_кэ - приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки РТ).

5. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

1)      Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор - база U_КБ =U_{КБ рт}:

)        Выходное сопротивление транзистора:

3)      Сопротивление коллекторного перехода транзистора:

4)      Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера:

5)      Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы:

.

6)      Сопротивление базы транзистора:

,

7)      Диффузионная емкость эмиттерного перехода:

,

где f_гр - граничная частота коэффициента передачи тока - частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером |h_21Э| = 1 (для граничной частоты часто используется международное обозначение f_т),

f_изм - частота, на которой измерен модуль коэффициента передачи тока базы |h_21Э|.

Значения |h_21Э| и f_изм берётся из справочника, причем значение f_изм - из той же строки справочника, что и |h_21Э| (колонка «Режимы измерения»).

8)      Крутизна транзистора:

6. Расчет основных параметров каскада

1)      Коэффициент усиления по напряжению:

2)      Коэффициент усиления по току:

)        Коэффициент усиления по мощности:

4)      Входное сопротивление каскада:

)        Выходное сопротивление каскада:

7. Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B (рис. 8) с напряжением:

U_B = U_{КЭ рт}+I_{К рт} (R_К||R_Н).

Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада U_{ВЫХ m} с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитуда U_{ВЫХ m} будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке U_{КЭ рт} и разности напряжений U_B -U_{КЭ рт}.

Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора i_К от напряжения база-эмиттер u_БЭ, для чего предварительно заготовим следующую таблицу:

Таблица 5 - Данные для построения сквозной характеристики

Сквозную характеристику строим по нагрузочной прямой по переменному току. В таблице ΔI_Б - шаг по току базы, с которым приведены выходные характеристики в справочнике.

Каждую точку пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора спроецируем на ось токов. Полученные значения тока коллектора i_К1 - i_К7 занесём в таблицу.

Напряжения база-эмиттер, соответствующие токам i_К1 - i_К7, можно найти по входной характеристике транзистора (рис. 9), для чего на оси токов надо отложить значения токов базы из таблицы, спроецировать их на входную характеристику, а затем - на ось напряжений база-эмиттер. Если воспользоваться входными характеристиками транзистора, приводимыми в справочнике, то точность отсчета напряжений база-эмиттер будет крайне низкой.

Используя пары значений U_БЭ, I_К из таблицы, построим сквозную характеристику каскада, и определим наибольшую амплитуду входного сигнала U_БЭm.

Оценим нелинейные искажения, вносимые каскадом, при максимальной амплитуде входного напряжения. Для оценки нелинейных искажений воспользуемся методом пяти ординат, который называют также методом Клина. Метод пяти ординат позволяет приближенно найти амплитуды первых четырех гармоник выходного колебания каскада и соответствующие коэффициенты гармоник.

Для использования метода пяти ординат построим на сквозной характеристике точки C и D, которые должны быть удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала. В результате на сквозной характеристике получите пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых i_A, i_B, I_{К рт}, i_C, i_D, используются при расчете коэффициентов гармоник.

i_A =18 мА

i_B = 52 мА

I_{К РТ} = 25 мА

i_C =20 мА

i_D =38 мА

2)      Коэффициент третьей гармоники:

3)      Коэффициент четвертой гармоники:

4)      Интегральный коэффициент гармоник:

8. Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

)        Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора R_К:

.

2)      Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера R_Э:

.

3)      Мощность, рассеиваемая резистором R_Б1 в цепи базы транзистора:

4)      Мощность, рассеиваемая резистором R_Б2 в цепи базы транзистора:

Допускаемое отклонение сопротивления резистора от номинального значения следует выбирать с учетом его влияния на значимые параметры каскада. Поскольку от сопротивления резисторов RБ1, RБ2, RЭ существенно зависит режим работы каскада, а от сопротивления резистора RК - коэффициент усиления каскада по напряжению, то требования к допуску на сопротивление этих резисторов должны быть достаточно жесткими. Рекомендуется допуск ± 5%. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления резисторов стандартизованы.

Для выбора конденсаторов прежде всего необходимо знать их емкость. Рассчитывается емкость конденсаторов С_Б, С_К, С_Э по формулам, полагая нижнюю граничную частоту полосы пропускания каскада f_н = 50 Гц. Сразу после расчета соответствующей емкости выбераем ближайшее большее значение по ряду Е6 [10]. Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20%, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20% больше рассчитанного значения. Если это условие не выполняется, то следует взять следующее большее значение емкости по ряду Е6.

Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20%, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20% больше рассчитанного значения. По ряду Е6 выберем ближайшие большие подходящие значения ёмкостей:

С_б=15 мкФ,

С_к=33 мкФ,

С_э=6800 мкФ.

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

)        Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы С_Б:

2)      Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора С_К:

3)      Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера С_Э:

Номинальное напряжение соответствующего конденсатора должно с некоторым запасом превышать рабочее рассчитанное напряжение. Тип конденсатора будем выбирать по номинальной емкости и номинальному напряжению из числа перспективных конденсаторов с оксидным диэлектриком.

Заключение

В ходе курсовой работы, мы добились поставленных целей: то есть закрепили теоретические знания, полученные при изучении дисциплины; сформировали углубленное понимание физических процессов в усилительных устройствах; изучили методы расчета усилительных устройств и их основных параметров; ознакомились с элементной базой аналоговых электронных устройств; получили навыки информационного поиска и пользования справочной информацией; ознакомились с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности; усвоили правила составления и оформления технической документации.

Так же в ходе работы проделали следующие вычисления: выбрали режим работы транзистора, при помощи нахождения рабочей точки на семействе выходных характеристик; определили h-параметры транзистора по статическим характеристикам: входное сопротивление, статический коэффициент передачи тока базы, входная проводимость, коэффициент обратной связи по напряжению, рассчитали параметры элементов схемы по напряжению: емкость коллекторного перехода, напряжение коллектора-базы в рабочей точке, входное сопротивление транзистора, сопротивление коллекторного перехода транзистора, сопротивление эмиттерного перехода для тока эмиттера и для тока базы, сопротивление базы транзистора, диффузионная емкость эмиттерного перехода; рассчитали основные параметры каскада коэффициент усиления по напряжению, току, мощности, входное сопротивление каскада и выходное сопротивление каскада; оценили нелинейные искажения каскада; так же выбрали резисторы и конденсаторы, которые перечислили в перечне элементов.

Список литературы

1.  Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. вузов / В.Н. Павлов. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 288 с.

2.      Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов. - В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - 5-е изд., стер. - М.:Высш. шк., 2008. - 798 с.

.        Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник / В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко; Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. - Киев: Вищашк. Головное изд-во, 1989. - 431 с.

.        Агаханян Т.М. Линейные импульсные усилители / Т.М. Агаханян. - М.: Связь, 1970. - 472 с.

.        Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.

.        Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

.        Булычев А.Л. Электронные приборы / А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. - М.:Лайт Лтд, 2000. - 416 с.

.        Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - Спб.: КОРОНА принт, 1998. - 400 с.