Расчет маломощного усилительного каскада

Расчет маломощного усилительного каскада

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра автоматики и вычислительной техники

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

по дисциплине "Электроника"

Тема: "Расчет маломощного усилительного каскада"

Выполнил: студент группы А(б)-221(2)

Крюков М.В.

Проверил: преподаватель Солодов В.С.

Мурманск

Содержание

1. Краткие теоретические сведения об усилителях переменного тока

. Усилительный каскад с общим эмиттером

. Расчет маломощного усилительного каскада с ОЭ

1.     
Краткие теоретические сведения об усилителях переменного тока

Усилитель переменного тока - это устройство, предназначенное для усиления входного сигнала, как правило, синусоидальной формы. Такие усилители в основном выполняются на транзисторах, как биполярных, так и полевых, причем используются различные схемы их включения.

Усилители, как правило, выполняют из нескольких каскадов, осуществляющих последовательное усиление сигнала. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады разделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады - для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

Простейший усилитель на одном биполярном транзисторе, включенном по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером, представлен на рис 1.1.

Рис. 1.1 Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) усилительного каскада

Особенностью этой схемы является малые нелинейные искажения и низкий коэффициент полезного действия (КПД), который зависит от величины входного сигнала и колеблется в пределах (0... 25 %). Такой режим усилителя с малыми нелинейными искажениями называется режимом класса А. Усилители могут работать еще в нескольких классах - В, АВ, С и Д.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент (УЭ), функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником питания Е, эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_вх принятый для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал напряжения снимается с выхода УЭ или с резистора R.

Выходное напряжение создается за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему выходного тока усилительного элемента УЭ. Поскольку ток УЭ изменяется по закону, заданному входным напряжением, то и падение напряжения на резисторе R изменяется во времени по такому же закону. В соответствии со структурной схемой рис. 1.1, а закон изменения выходного напряжения определяется выражением

где второе слагаемое определяет переменную составляющую выходного сигнала.

При подаче переменного напряжения на вход УЭ происходит изменение тока в его цепи, а, следовательно, и напряжения на резисторе R. Таким образом, происходит процесс преобразования энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения тока УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Выходное сопротивление каскада равно сопротивлению резистора R и параллельно соединенного выходного сопротивления УЭ. Однако выходное сопротивление транзисторов очень велико, поэтому оно практически не оказывает влияния на выходное сопротивление.

Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U₀ (рис. 1.1,6). Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада кроме переменного усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_0вх (рис. 1.1,а), или постоянного входного тока I_0вх.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя во входной цепи (U_0вх и I_0вх) и в выходной цепи (U₀ и I₀) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, исполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК и общей базой ОБ. Однако наибольшее распространение для усиления напряжения получила схема с ОЭ (рис. 1.2) как имеющая максимальный коэффициент усиления по мощности.

2.      Усилительный каскад с общим эмиттером

Рис. 1.2 Схема усилительного каскада с ОЭ

Основными элементами схемы (рис. 1.2) являются источник питания Е_к управляемый элемент - транзистор VT и резистор Rк в цепи коллектора.

Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания коллекторного тока, управляемого по цепи базы, создастся усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Резисторы R₁, R₂ используются как делитель напряжения и служат для задания режима покоя каскада. Резистор R₁ предназначен для создания цепи протекания тока базы покоя I_0б, который определяет величину тока покоя коллектора

маломощный усилительный каскад расчет

где β - коэффициент усиления по току;

 - тепловой ток.

При нормальной комнатной температуре тепловой ток можно не учитывать в виду его малости.

При отсутствии R₂ схема называется схемой с фиксированным током базы. В этом случае режим покоя будет обеспечен базовым током, обусловленным только резистором R₁. Такая схема очень чувствительна к колебаниям температуры. Поэтому ее целесообразно применять только для устройств, работающих в узком пределе их изменения. Значительно большее распространение получила схема с фиксированным потенциалом базы, который и обеспечивается с помощью делителя R₁-R₂.

Резистор Rэ осуществляет отрицательную обратную связь по току и предназначен для стабилизации режима покоя при изменении температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая проявление отрицательной обратной связи по переменному току и соответствующее уменьшение коэффициентов усиления каскада.

Стабилизирующее действие сопротивления Rэ. на ток I_0к можно пояснить следующим образом. Допустим, под влиянием температуры увеличился ток I_0к. В такой же степени увеличится и ток эмиттера I_0э = I_0к + +I_0б и напряжение на сопротивлении R_э, U_Rэ=I_эR_э. Напряжение U_R2 можно считать постоянным, так как при проектировании каскада выбирается ток делителя I_д на порядок больше тока базы покоя транзистора I_д=10I_0б. Поэтому напряжение покоя эмиттер-база транзистора уменьшается U_0эб=U_R2-U_Rэ. В соответствии с входной характеристикой транзистора уменьшается и ток базы I_0б, вызывая уменьшение тока покоя коллектора I_0к, чем создается препятствие увеличению тока коллектора I_0к.

3.      Расчет маломощного усилительного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Транзистор ГТ309Б с параметрами (гарантируются при температуре окружающей среды -40 … +55ºС):

_0к=11 мА;_0кэ=7 В;

Е_к=12 В;_н=600 Ом;=750 Гц;

β=50.

Расчет значений сопротивлений резисторов.

Сопротивление резистора R_э выбирается таким образом, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,1 … 0,3)Е_к.

Если принять U_Rэ=0,2Е_к получим:

Высчитываем коллекторное сопротивление:

Линия нагрузки по постоянному току.

Для построения линии нагрузки по постоянному току необходимо две точки, так как это прямая линия. На оси абсцисс находится первая точка, исходя из режимка холостого хода. Вторая точка определяется из режима короткого замыкания при U_кэ=0, т.е.

.

На этой линии находится точка покоя П, которой соответсвует точка покоя на входной характеристике.

Найдем ток покоя базы:

Сквозной ток делителя напряжения.

Для обеспечения стабильности работы усилительного каскада задаются достаточно большим значением сквозного тока через сопротивление делителя на порядок превышающее значение тока базы:

Определим величину резистораов R₂ и R₁:

U_0эб=0,475(В), тогда:

Линия нагрузки по переменному току.

Линия нагрузки по переменному току обязательно проходит через точку покоя. Вторую точку можно найти, задав приращение тока коллектора и определив соответствующее ему приращение напряжения . Для того, чтогбы эта точка находилась на оси абсцисс примем , следовательно вторая точка будет находится на оси абсцисс на расстоянии  вправо от абсциссы точки покоя.

 - сопротивление нагрузки переменному току.

Это сопротивление можно найти, если учесть, что R_э зашунтировано конденсатором C_э, сопротивление которого переменному току равно нулю, также, как и сопротивление C₂, к тому же сопротивление источника питанияпеременному току также близко к нулю. Значит, сопротивление каскада переменному току определяется R_к и R_н, включеными паралелльно:

Значит,

Расчет коэффициентов усиления, входных и выходных сопротивлений каскада.

Эти значения определяются путем расчета усилительного каскада по переменному току. С этой целью составляется схема замещения усилительного каскада по переменному току, в которой транзистор представлен его схемой замещения в h-параметрах.

Входное сопротивление каскада равно сопротивлению параллельно соединенных резисторов R₁ и R₂ и сопротивления r_вх=h₁₁ входной цепи транзистора.

Входное сопротивление транзистора r_вх определяется по входной характеристике как отношение приращения напряжения эмиттер-база к приращению тока базы:

Тогда входное сопротивление каскада:

Сопротивление 180 Ом подобрано из ряда Е24.

Выходное сопротивление каскада можно считать равным коллекторному сопротивлению: R_вых=236(Ом).

Коэффициент усиления каскада по току равен отношению тока нагрузки к входному току. Выразим ток нагрузки через входной ток, для этого вначале определим ток базы транзистора через входной:

Ток нагрузки связан с током коллектора соотношением:

С учетом связи между токами базы и коллектора транзистора , найдем ток, протекающий через нагрузку:

Находим коэффициент усиления каскада по току:

Коэффициент усилительного каскада по напряжению:

Коэффициент нестабильности каскада.

,

где S - коэффициент нестабильности каскада,

 ‒ эквивалентное сопротивление базы транзистора,

 ‒ коэффициент усиления транзистора по постоянному току в точке покоя.

Так как S≈5, то можно считать, что нестабильность каскада по постоянному току удовлетворительная.

Определение емкостей C₁, C₂, C₃ усилительного каскада.

Величины емкостей конденсаторов выбирают с таким расчетом, чтобы их реактивная емкость не вносила затухания в полезный сигнал, проходящий через них соответственно от источника сигнала на вход каскада и с выхода каскада к нагрузке.

Следовательно, основой для выбора емкостей являются неравенства:

_Cвх<<R_вх; X_Cвых<<R_н; X_Cэ<<R_э.

Можно принять, что емкостные сопротивления составляют 10% от активных.

С_вх=18(мкФ).

Подобрано по ряду Е12.

С_вых≈60(мкФ), С_э≈21(мкФ).

Последние две емкости подобраны по ряду Е24.