2 Исходные данные и результаты расчета

УСИЛИТЕЛЯ

Для выполнения расчёта усилительного устройства необходимо иметь исходные данные для расчёта, которые указываются в задании на курсовое проектирование, и перечень параметров и характеристик, которые надо соответственно рассчитать и выполнить графическое построение.

Исходными данными для расчёта усилительного каскада с общим эмиттером являются следующие:

1) U_п – напряжение источника питания;

2) U_m – амплитуда напряжения на выходе усилительного каскада;

3) R_н – сопротивление нагрузки;

4) уровни рабочего диапазона частот: f_н, f_в – нижнее и верхнее значения усиливаемой полосы частот;

5) значения допустимого уровня частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах: M_н, M_в – уровни частотных искажений на нижней и верхней граничной частоте;

6) рабочий диапазон температур окружающей среды: t_min, °C, t_max, °C – минимальное и максимальное значения температуры;

7) R_i – сопротивление источника входного сигнала;

8) режим работы усилительного каскада – класс А. В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает весь период действия входного сигнала, напряжение смещения U_см > 0, рабочая точка покоя находится в середине нагрузочной прямой. Транзистор работает в линейной области, поэтому класс А характеризуется минимальными нелинейными искажениями усиливаемого сигнала. Коэффициент полезного действия не более 0,5, в связи с этим класс усиления А используют в усилителях малой мощности.

В результате расчёта и анализа усилительного каскада должны быть определены, рассчитаны параметры транзистора и каскада и выполнено графическое построение следующим образом:

1 Выбрать тип транзистора по рассчитанным: току коллектора I_к, мощности транзистора P, верхней рабочей частоте f_в и напряжению U_кэ, и вольтамперные статические входные и выходные характеристики.

2 На статических характеристиках построить нагрузочную прямую, рабочую точку и определить ток и напряжение покоя (I_кп, U_кэп).

3 По статическим входным и выходным характеристикам определить h-параметры транзистора:

h₁₁ – входное сопротивление;

h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁ – коэффициент передачи тока базы;

h₂₂ – выходную проводимость.

4. Рассчитать номинальные значения сопротивлений и ёмкостей конденсаторов принципиальной электрической схемы усилительного каскада.

5 R_вх – входное сопротивление усилителя.

6 R_вых – выходное сопротивление усилителя.

7 K_U – коэффициент передачи (усиления) по напряжению входного сигнала.

8 K_I – коэффициент передачи по току входного сигнала.

9 K_P –коэффициент усиления по мощности входного сигнала.

10 Определить частотные искажения усилителя.

11 Построить схемы замещения усилительного каскада.

12 Определить передаточные функции для схем замещения усилителя.

13 На основе передаточных функций схем замещения построить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя.

3 Расчет усилителя по постоянному току

Исходные данные:

.

Выбираем транзистор VT, исходя из выполнения следующих условий.

Сопротивление коллектора

Выбираем (для максимального значения ). Рассчитанное значение соответствует стандартному ряду Е24 и принимаем

, принимаем

Допустимая максимальная мощность

где I_кп =(U_п − U_к )/ R_к.

Полагаем U_к= U_п/2;

I_кп =(25В − 25В/2 )/ 1200 Ом =0,010 А

P_{к max доп} ≥ I _кп U _кэп=0,010 А *12,5В=0,125 Вт

I_{к max доп} ≥ U_п / R_к ,

I_{к max доп} ≥ 25В / 1200 Ом =0,021 А

Рабочая частота транзистора f_р > 40 кГц.

По рассчитанным значениям:

1) I_{к max доп} = 21 мА; 2) P_{к max доп} = 125 мВт;

3) I_кп = 10 мА; 4) f_р > 40 кГц

из справочника по полупроводниковым приборам (транзисторам малой мощности) выбираем транзистор n-p-n КТЗ15А со следующими параметрами:

P_{к max доп} = 150 мВт; f_гр = 250 МГц; U_кэ = 25 В; I_{к max} = 100 мА; I_кбо = 0,5 мкА;

h_21э = 30...120.

Рассчитываем значение резистора. Полагаем, что R_э = (0,1...0,5) R_к ; тогда выбираем R_э = 0,25 ⋅ 1,2 кОм = 0,3 кОм .

Для определения рабочей точки транзистора и уточнения значений тока и напряжения покоя на статических входных и выходных характеристиках биполярного транзистора с ОЭ (рисунок 2 и 3) строим нагрузочную прямую на выходных характеристиках I_к = f (U_кэ).

Нагрузочная прямая на выходных характеристиках строится в режимах холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). Для выходной цепи транзистора (коллектор-эмиттер) по второму закону Кирхгофа

U_п = I_к R_к + U_кэ .

В режиме ХХ I_к = 0, при этом U_кэ = U_п = 25 В.

В режиме КЗ U_кэ = 0, при этом I_к = U_п / R_к=25В/1200 Ом=0,021 А .

На выходных характеристиках откладываем точку E, соответствующую режиму ХХ, и точку D, соответствующую режиму КЗ. Через точки D и Е проводим нагрузочную прямую, на которой отмечаем точку покоя А по координате тока коллектора покоя I_кп.

Для определения I_кп откладываем I_{к min} соответствующий I_{б min}. I_{к max} соответствует точка пересечения нагрузочной прямой DE и штриховой линии ОС, отделяющей на выходных характеристиках режим насыщения (точка В).

I_кп определяется по формуле

I_кп=( I_{к min}+ I_{к max})/2 = (2 мА + 18 мА)/2 = 10 мА.

Рабочей точке А соответствует напряжение U_кэп = 12,5 В.

Мощность рассеяния на коллекторе

P_к = U_кэп ⋅ I_кп = 12,5 В ⋅ 0,010 А = 125 мВт.

Согласно справочным данным, для выбранного транзистора КТЗ15А режим работы транзистора по мощности рассеяния допустим. Если этот режим не выполняется, то следует увеличить P_к или уменьшить U_п.

Рисунок 2 – Статические входные характеристики

биполярного транзистора КТ315 А с ОЭ I_б = f (U_бэ)

Выполняется расчёт h-параметров транзистора по характеристическим треугольникам в области рабочей точки А – на выходных характеристиках и в области рабочей точки А′ – на входных характеристиках. На входные характеристики рабочую точку А переносим по значениям тока базы I_б = 0,4 мА и

напряжению U_кэп = 12,5 В.

Для построения характеристического треугольника на равных расстояниях от точки А на входных характеристиках откладываются отрезки и обозначаются точки А₁ и А₂, из которых опускаются перпендикуляры на оси I_б и U_бэ.

Входное сопротивление транзистора

|

Выходная проходимость рассчитывается по отношению приращений ∆I_к и ∆U_кэ , которые определяются из построенного характеристического треугольника в области рабочей точки на выходных характеристиках А₄А₅А₆:

|

Рисунок 3 – Статические выходные характеристики

биполярного транзистора КТ315 А с ОЭ I_к = f (U_кэ)

Коэффициент обратной связи по напряжению h_12э определяется по входным характеристикам при постоянном токе базы для точек А′ и А₇:

∆U_кэ = 15 В − 12,5 В = 2,5 В;

∆U_бэ = 0,05 В;

|

Коэффициент передачи тока базы транзистора определяется по выходным характеристикам для точек А и А₈:

|

По эквивалентной Т-образной схеме замещения транзистора с ОЭ определяются физические параметры (рисунок 4) r_б , r_э , r_к , β.

Рисунок 4 – Т-образная схема замещения биполярного транзистора с ОЭ

Коэффициент передачи тока базы β ≈ h_21э ≈ 30;

;

В рассматриваемом усилительном каскаде с ОЭ для стабилизации тока коллектора используется эмиттерная стабилизация. Увеличение тока коллекто-

ра, например, при воздействии температуры окружающей среды, приводит к возрастанию тока эмиттера и падению напряжения на резисторе R_э. Это напряжение (с минусом) подаётся через делитель напряжения R_б1 и R_б2 на базу транзистора, препятствуя возрастанию тока коллектора.

При изменении температуры окружающей среды приращение тока коллектора ∆I_к определяется приращением следующих параметров:

где S – коэффициент нестабильности тока коллектора I_к ; ∆U_э – приращение напряжения на эмиттерном переходе; ∆h_21э – приращение коэффициента передачи по току; R_б – эквивалентное сопротивление базы; ∆I_ко – приращение обратного тока коллектора.

где - коэффициент токораспределения в цепи коллектора;

.

Подставляя полученное значение γ в формулу для определения коэффициента нестабильности

,

,

где Е – температурный коэффициент напряжения U_бэ , для кремниевых транзисторов, согласно справочным данным, Е = 2 мВ/град.

∆U_э = 2 мВ/град ⋅(Т_max K − Т_min K) =

= 2 мВ/град ⋅[( 273 + 100) K − (273 + 0) K ] = 220 мВ = 0,2 В.

Изменение коэффициента передачи тока при изменении температуры определяется по зависимостям из справочных данных. Принимаем ∆h_21э = 29 .

Приращение обратного тока коллектора при изменении температуры окружающей среды

,

где Т* – температура удвоения тока коллектора; T_о – начальная температура, при которой определялся

обратный ток I_ко (0 °С).

Обратный ток коллектора для транзистора КТ315 А берётся из справочника: I_ко = 1 мкА.

Приращение тока коллектора будет равно

Подставляем рассчитанные значения S, ∆U_э , R_б , ∆I_ко , ∆h_21э в формулу для определения приращения I_к :

Рассчитываем сопротивления делителя напряжения R_б1 , R_б2 :

,

где I_э = I_б + I_к , I_б = I_бп , I_к = I_кп ; I_э = 0,4 мА + 10 мА = 10,4 мА ;

.

По шкале номинальных значений сопротивлений принимаем R_б1 = 3,3 кОм

Рассчитываем R_б2 по формуле

.

Принимаем R_б2 = 0,470 кОм (Ряд Е24).