Расчет типового усилительного каскада на биполярном транзисторе

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО "СибГУТИ" УрТИСИ

Кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей

Курсовая работа

по дисциплине "Схемотехника телекоммуникационных устройств"

Расчет типового усилительного каскада на биполярном транзисторе

Руководитель: канд. техн. наук, доцент

В.А. Матвиенко

Выполнил: студент группы И-13БН

А.В. Бабиков

Екатеринбург 2014

Содержание

. Параметры транзистора КТ 301А

. Выбор режима работы транзистора

. Расчет делителя в цепи базы

. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

. Расчет основных параметров каскада

. Оценка нелинейных искажений каскада

. Выбор резисторов и конденсаторов

Заключение

Список литературы

Приложение

1. Параметры транзистора КТ 301А

Транзистор с n-p-n переходом. Предназначен для использования в радиовещательной аппаратуре.

Электрические параметры

Постоянная времени цепи обратной связи при U_КБ=5 В, I_Э=1 мА, f=5 МГЦ - 2000 пс;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эммитером при U_К=10 В, I_Э=3 мА, Т=293 К - 40-120;

Модуль коэффициента передачи тока при I_Э=5 мА, U_КБ=10 В, f=100 МГц - 1,5;

Граничное напряжение при Т=298/343 К, I_Э=5 мА - 30 В;

Напряжение насыщения коллектор-эммитер при I_К=10 мА, I_Б=1 мА - 3 В;

Напряжение насыщения база-эммитер при I_К=10 мА, I_Б=1 мА - 25 В;

Обратный ток коллектора не более при: Т=293 К, U_К=25 В - 10 мкА;

Обратный ток эммитера не более при: Т=293 К, U_Э=5 В - 10 мкА;

Обратный ток коллектор-эммитер при: Т=293 К, U_К=25 В - 10 мкА;

Ёмкость коллекторного перехода при U_КБ=5 В - 10 пФ;

Постоянное напряжение коллектор-база при Т=213/318 К - 30 В;

Постоянное напряжение коллектор-эммитер при отключенной базе - 30 В;

Постоянное напряжение эммитер-база - 3 В;

Максимально-допустимые параметры

Постоянный ток коллектора - 10 мА;

Постоянная рассеиваемая мощность при Т=343 К - 150 мВт;

Общее тепловое сопротивление - 0,6є С/мВт;

Температура перехода - 393 К;

Температура окружающей среды - 233-358 К;

2. Выбор режима работы транзистора

На семействе выходных характеристик транзистора построим нагрузочную прямую по постоянному току. Сопротивление в цепи эмиттера возьмем из соотношения:

 (1.1)

 кОм

Посчитаем зависимость тока коллектора от сопротивлений резисторов Rэ и Rк по формуле:

 (1.2)

 мА

Соединим прямой линией точки на осях согласно значениям  и .

Рис.1 Выходная характеристика транзистора

Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_{КЭ рт}.

 (1.3)

 В

Построим на оси абсцисс перпендикуляр от точки В. до точки пересечения нагрузочной прямой по постоянному току с одной из характеристик семейства (Рис.1).

Проекция рабочей точки на ось  даст значение тока в рабочей точке.

мА

Отметим выбранную рабочую точку на входной характеристике транзистора (Рис.2).

Рис.2 Входная характеристика транзистора

Проекция рабочей точки на ось напряжения база-эмиттер даст значение напряжения база-эмиттер в рабочей точке U_БЭрт.

В

. Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя R_{Б 1},R_{Б 2} в цепи базы.

Согласно закону Ома, сопротивление резистора

 (2.1)

 (2.2)

В

 (2.3)

мА

кОм

кОм

 (2.4)

мА

Рассчитаем сопротивление резистора

 (2.5)

кОм

Выберем стандартное значение сопротивления R_{Б 1} по ряду Е 24.

кОм

. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

транзистор биполярный усилительный резистор

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

h_11Э = ДU_БЭ / ДI_Б (3.1)

при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ДU_БЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ДI_Б.

Рис.3 Определение по входной характеристике транзистора

В

мА

кОм

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора

h_21Э = ДI_К / ДI_Б

при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_21Э зададим приращение тока базы ДI_Б и определим соответствующее приращение тока коллектора ДI_К (Рис.4).

Рис.4 Определение по выходной характеристике транзистора

 (3.2)

Выходную проводимость

h_22Э = ДI_К / ДU_КЭ (3.3)

в режиме холостого хода на входе транзистора (I_Б = const) определяют также как и параметр h_21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_22Э зададим приращение напряжения коллектор-эмиттер ДU_КЭ и определим соответствующее приращение тока коллектора ДI_К (Рис.5).

Рис.5 Определение  по выходной характеристике транзистора

В

мА

мСм

Четвертый параметр - коэффициент обратной связи по напряжению h_12э по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. У маломощных транзисторов коэффициент обратной связи по напряжению h_12э = (1ч10) 10^-4.

. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

Рассчитаем физические малосигнальные параметры П-образной схемы замещения биполярного транзистора (Рис.6).

Рис.6 П-образная схема замещения

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

(4.1)

где - емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база  = . Значения  и  возьмем из справочника.

(4.2)

В

пФ

Найдем выходное сопротивление транзистора

(4.3)

кОм

Сопротивление коллекторного перехода транзистора

 (4.4)

кОм

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера

(4.5)

(4.6)

мА

Ом

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы

(4.7)

Ом

Сопротивление базы транзистора

(4.8)

где  - постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте.

Ом

Диффузионная емкость эмиттерного перехода

 (4.9)

где  - граничная частота коэффициента передачи тока.

(4.10)

Гц

нФ

Крутизна транзистора

(4.11)

. Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению

 (5.1)

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

 (5.3)

Входное сопротивление каскада

(5.4)

Ом

Выходное сопротивление каскада

(5.5)

Ом

7. Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току (Рис.7), которая будет проходить через рабочую точку и точку B с напряжением

(6.1)

В

Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер. Для чего предварительно заполним таблицу.

Рис.7 Нагрузочная прямая по переменному току на выходной характеристике транзистора

Максимальная амплитуда U_выхm будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке U_КЭрт и разности напряжений U_В - U_КЭрт.

В

В

В

Напряжение база-эмиттер, соответствующие токам , можно найти по входной характеристике транзистора, для чего на оси токов отложим значения токов базы из таблицы, спроецируем их на входную характеристику, а затем - на ось напряжений база-эмиттер (Рис.8).

Рис.8 Определение Uэб по входной характеристике транзистора

Используя значения таблицы, построим сквозную характеристику каскада и определим наибольшую амплитуду сигнала (Рис.9).

Рис.9 Сквозная характеристика транзистора

В

мА мА мА мА мА

Оценим нелинейные искажения, вносимые каскадом, при максимальной амплитуде входного напряжения. Для оценки нелинейных искажений воспользуемся методом пяти ординат. Этот метод 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 получим пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых , , , ,  используются при расчете коэффициентов гармоник.

Коэффициент второй гармоники

 (6.2)

Коэффициент третьей гармоники

 (6.3)

Коэффициент четвертой гармоники

 (6.4)

Интегральный коэффициент гармоник

 (6.5)

8. Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора R_К,

(7.1)

Вт

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера R_Э,

(7.1)

Вт

Мощность, рассеиваемая резистором R₁в цепи базы,

(7.2)

Вт

Мощность, рассеиваемая резистором R₂в цепи базы

(7.3)

Вт

Расчет емкости конденсатора С_Б

 (7.4)

мкФ

(7.5)

мкФ

Емкость конденсатора С_Э

(7.6)

Ф

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы

(7.7)

В

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора

(7.8)

В

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера

(7.9)

В

Заключение

В ходе курсовой работы изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала. Выяснено, что коэффициенты гармоник и степень нелинейных искажений существенно зависят от амплитуды входного сигнала (при уменьшении амплитуды искажения уменьшаются).

Принципиальная электрическая схема проектируемого усилительного каскада и перечень элементов приведены в приложении.

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.      Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учебник для вузов. - 2-е изд., исправ. / В.Н. Павлов, В.Н. Ногин. - М. : Горячая линия-Телеком, 2001. - 320 с.

.        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: Вища шк. Головное изд-во, 1989. - 431 с.

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

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

7.      ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. - М. : Издательство стандартов, 1983. - 28 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.

.        ГОСТ 28884-90. Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов. - М. : Издательство стандартов, 1991. - 12 с.

.        Матвиенко В.А. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Методические указания к курсовой работе. УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ". Екатеринбург, 2012.

Приложение