расчетка

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра Электроники и Электротехники

Дисциплина: Современная электроника

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения низкой частоты с реостатно-емкостной связью

Студент гр.2-АХ-2

Черепанов Ю. А.

Руководитель:

В. В. Кузнецов

2011

Схема каскада

Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения

низкой частоты с реостатно-емкостной связью

Целью работы является определение параметров установочных элементов транзисторного каскада и коэффициента его усиления.

Исходные данные:

- Напряжение выхода:U_вых.max=4 В;

- Нижняя граничная частота f_н=100 Гц;

- Сопротивление потребителя R_п=500 Ом;

- Допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частотМ_н= 1,2 В;

- Напряжение источника питания Е_п=12 В;

- Стационарные условия работы – при температуре +15... +25^о С;

- Режим работы транзистора не зависит от температуры окружающей среды;

Алгоритм расчета

1. Наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

Uк.э.доп>K1*Eп=1,21*12=14,52В

2. Наибольшая возможная амплитуда тока в ветви потребителя –

наибольшая возможная нагрузка транзистора

Iк.доп>2*Iн=2Uвых.макс/Rп=2*4/500=0,016А Тогда

3. Примем транзистор МП42А, имеющий Iк.доп=Iср.э= 30 мА, Uк.доп=15В, статический коэффициент усиления тока базы при + 20 ̊ С, Pmin=βmin= 30 и Pmax=βmax= 50, ток коллектора запертого транзистора при Uк.б=15 В и Uб.э= 0,5В, Iк.min.доп= 25 мкА и заданную вольтамперную характеристику (ВАХ) в виде статических выходной ВАХ и входной ВАХ.

Статический коэффициент усиления тока базы при Ik= 10 мА, Uk= B.

Предельная частота усиления тока при Uк= 5 В, Iкхх=1 мA, не менее 1 МГц.

Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения при Iэ= 10 мA, не более0,2 В.

Напряжение между базой иэмиттером в режиме насыщения при

Iб=10 мA, не более0,4 В.

Время переключения при Uк=15В, Iк=10 мA, не более1,5.

Предельные эксплуатационные данные

Ток коллектора в режиме переключения илиимпульсном режиме150 мА

Среднее значение тока эмиттера за 1 с 30 мА

Напряжение между коллектором и эмиттером 13,92 В

Напряжение между коллектором и базой 15 В

Мощность на коллекторе:

при 45 ̊C200 мВт

при 70 ̊C75 мВт

Диапазон рабочей температуры окружающей среды от –60 до 70 ̊C¹

4. Определение режима работы транзистора с помощью нагрузочной прямой.

Первая точка – точка покоя 0 (рабочая точка при отсутствии входного сигнала):

• Ток покоя

Iк.0=K2*Iн=1,16*0,008=0,00928А

И

Iн=Iy=0,00928A

• Напряжение покоя

Uк.э.0=Uвых.max+Uост.=4+0,676=4,676В

Вторая точка – точка K:

Примечание

Наименьшее допустимое напряжение

Uк.э min=Uост.=0,676В

для маломощных транзисторов можно принять Uост по данным таблицы вариантов.

5. По статическим выходным ВАХ и нагрузочной прямой ОК­-Iк

находят значение тока I.

I= Iк=0,0158A

6. Величины электрических сопротивлений Rк и Rэ :

- общее сопротивление цепи эмиттер–коллектор

Rоб=Eп/I=12/0,0158=759,49 Ом

- сопротивление коллекторной цепи

Rк=Rоб/K3=759,49/1,15=660,43 Ом

- сопротивление цепи эмиттера

Rэ=Rоб-Rк=759,49-660,43=99,06Ом

7. Наибольшее амплитудное значение входного тока Iвхmax и максимальное значение входного напряжения Uвхmax, необходимые для обеспечения заданного значения выходного напряжения Uвых.max.

При Uк.э= Uост = 0,676 В .

Если принять наименьший коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером Pmin=βmin=30, то при

I

и малом значении тока коллектора Iкmin можно допустить, что Iкmin=0, а величина минимального тока базы транзистора будет ничтожна (Iбmin0).

Максимальный ток базовой цепи транзистора, А,

Амплитуда входного тока находится на входной статической ВАХ Iб(Uб.э)с помощью динамической характеристики iб(t):

По входной статической ВАХ 1–UбА и динамической характеристике uб.э (t) определяются напряжения Uб.эmin , Uб.эmax ,2Uвх.А. Тогда входное максимальное значение напряжения будет равноамплитудному значению Uвхmax = Uвх.А.

Для входной статической ВАХ транзистора МП42А принять

8. Входное сопротивление транзистора переменному току

9. Сопротивления делителя напряжения.

Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цепь и каскада по переменному току величину эквивалентного сопротивления

принимают больше или равной величине

Тогда эквивалентное сопротивление делителя

R12=Kвх*Rвх=9,47*660=6250 Ом

величина первого сопротивления –

R1=Eп*R12/Rэ*Ik0=12*6250/(99,06*0,0149)=50814 Ом

второго –

R2=R1*R12/R1-R12=50814*6250/(50814-6250)=7126 Ом

10. Проверка стабильности работы усилительной схемы.

Коэффициент нестабильности работы усилительного каскада.

=(99,06*(6250+7126)+50814*7126)*(1-50)/(1-50)*(99,06+(50814*7126)=1,002

Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности недолжен превышать нескольких единиц. Следовательно, работа рассчитываемого каскада будет достаточно стабильна, если S <10.

11. Определение величин емкостей конденсаторов.

Емкость разделительного конденсатора при

Величину Cp обычно округляют до целого числа в большую сторону.

Емкость конденсатора обратной связи, Ф,

Сэ>=10/2П*fн*Rэ=10/6,28*100*99,06=1,62*10^-4 Ф

Полное устранение отрицательной обратной связи (ООС) будетнаблюдаться при емкости, большей, чем Сэ. Однако полное устранение ООС слишком дорого и поэтому обычно используют конденсаторы с меньшей емкостью Сэ=10 ÷30 мкФ.

12. Коэффициент усиления каскада по напряжению,

где Uвхmax – амплитудное значение входного напряжения; Uвх.max=Uвх.А; Uвых.max – амплитуда выходного напряжения (заданав исходных данных).

При вариантных значениях:

Квх=9,47 , К1=1,21, К2=1,16 , Uост=0,676 В, К3=1,15 – основные результаты расчета оказались следующими:

Iн=0,00928 А; Rвх=660 Ом; R1=50814 Ом; R2=7126 Ом; Rк=660,47 Ом; Rэ=99,06 Ом; Cр=2,01*10^-6 Ф; Cэ=1,62*10^-4 Ф; Ku=12,12; S=1,002

Выводы

1. Каскад усиления напряжения на транзисторе МП42А по схеме с общим эмиттером должен иметь входной делитель с сопротивлениями R1=50814 Ом; R2=7126 Ом резистор в цепи коллектора сопротивлением Rк=660,47 Ом, резистор в цепи эмиттера Rэ=99,06 Ом, разделительные конденсаторы емкостью и конденсатор ООС емкостью Сэ=1,62*10^-4 Ф.

При этом каскад работает стабильно, так как коэффициент нестабильности равен

2. Коэффициент усиления такого каскада при напряжении входа 0,33 В и сопротивлении потребителя 500 Ом равен .

3. Получение другого значения коэффициента усиления напряжения при неизменном входном сигнале возможно двумя путями: заменой транзистора или изменением параметров установочных элементов каскада.

Комментарий

Как видно из схемы замещения (рис. 8.4), коллекторный ток I к в динамическом режиме зависит не только от тока базы Iб , но и от напряжения между коллектором и эмиттером транзистора:

Uк.э.=Eп-Rк*Iк=12-660,47*0,0158=2,08 В

Эту зависимость называют уравнением динамического режима.

Характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при включенном потребителе, называются динамическими.

Они обычно строятся на семействе статических ВАХ при заданных значениях напряжения источника питания Eп и сопротивления потребителя Rп.

Уравнение динамического режима, представляющее собой уравнение прямой в отрезках, позволяет построить, так называемую, нагрузочную прямую на графике семейства статических выходных ВАХ. Тогда выходная динамическая характеристика будет являться геометрическим местом пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными ВАХ. При этом точку пересечения нагрузочной прямой со статической ВАХ при заданном токе базы называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала) – точкой покоя 0.

Точка покоя определяет ток покоя выходной цепи Iк0 и напряжение покоя Uк.э0 , при этом уравнение динамического режима будет иметь

Вид

Uк.э0=Eп-Rк*Iк=12-660,47*0,00982=6,47 В

Мерой частотных искажений, которые вносит каскад в области нижних частот, служит коэффициент частотных искажений Мн , равный отношению модулей коэффициентов усиления на средней рабочей частоте и нижней граничной частоте:

В идеальных условиях, когда каскад усиления не вносит частотных искажений, М = 1, в реальных – коэффициент частотных искажений М может быть больше или меньше единицы.

1 Справочник пополупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам; подобщ.ред. Н. Н. Горюнова. – М.: Энергия, 1979.