Задачи с вариантами и примерами решений

2.1.32. Транзистор включен в усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Каскад питается от одного источника напряжения Е. Для подачи смещения в цепи базы используется гасящий резистор. Генератор входного сигнала подключен к базе транзистора через разделительный конденсатор. По исходным данным, приведенным в таблицах 5 и 6 и характеристикам транзистора, требуется:

а) построить линию Р_ктах ;

б) по выходным характеристикам найти: постоянную составляющую тока коллектора /_ко ; постоянную составляющую напряжения коллектор-эмиттер U_кэ0, амплитуду переменной составляющей тока коллектора I_mк; амплитуду выходного напряжения U_тК=U_ткэ ; коэффициент усиления по току K_i; выходную мощность Р_ВЫХ ; мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора Р_к0, полную потребляемую мощность в коллекторной цепи Р_о; КПД коллекторной цепи . Проверить, не превышает ли мощность, выделяемая на коллекторе в режиме покоя Р_к0, максимально допустимую мощность Р_Kmax ;

в) с помощью входной характеристики определить: напряжение смещения U_БЭ0 ; амплитуду входного сигнала U_тБЭ, входную мощность Р_ВХ, коэффициент усиления по напряжению К_U и по мощности К_P , входное сопротивление каскада R_ВХ; сопротивление резистора R_Б и ёмкость разделительного конденсатора С_Р . Диапазон усиливаемых колебаний 100 Гц - 100 кГц. Начертить схему усилительного каскада.

Таблица 5

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Напряжение источника питания ЕК, В	9	12	14	16	18	17	15	13	11	9
Сопротивление резистора R, кОм	0,3	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6	0,5	0,4	0,3	0,3

Таблица 6

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Ток базы в рабочей точке /бо, мА	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2
Мощность, рассеиваемая коллектором Рктах, мВт	130	130	130	130	130	130	130	130	130	130
Амплитуда тока базы IтБ, мА	0,2	0,1	0,2	0,1	0,2	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1

Решение. Рассмотрим пример. Исходные данные: Eк=10В, I_Б0=0,3 mA, R_н= 500 кОм, Рк_таx= 150мВт. Диапазон усиливаемых колебаний 80Гц - 5кГц. Схема приведена на рис. 2.7. При отсутствии справочной литературы студент может воспользоваться характеристиками транзистора, на которых рассмотрен пример.

На семействе выходных характеристик строим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение:

I_Kmax=.

П

Рис. 2.7

одставляя в него значения U_кэ, равные, например, -7,5; -10; -15 и -20В, получаем значения I_К, равные 20; 15; 10 и 7,5 мА соответственно. Построенная по этим точкам линия Р_Ктах показана на рис.2.8, а .

а)

б)

Рис. 2.8

Затем, используя уравнение линии нагрузки I_к=(Е+U_КЭ)/ R_н, на семействе выходных характеристик наносим линию нагрузки: при Iк=0 U_КЭ=-E=-10B - первая точка линии нагрузки; при U_КЭ=0 I_к=E/R_н=10/500=20мА - вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы I_Б0=З00 мкА, определит рабочую точку. Ей будет соответствовать постоянная составляющая тока коллектора I_K0=6мА и постоянная составляющая напряжения U_КЭ0 = -7 В .

Амплитуду переменной составляющей тока коллектора определим как среднюю:

мА.

Дальнейший расчёт показан ниже.

Амплитуда переменного напряжения на нагрузке:

В.

Коэффициент усиления по току:

.

Выходная мощность:

мВт.

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи:

мВт.

КПД коллекторной цепи:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока:

мВт,

т.е. режим работы допустим.

Далее расчет ведем по семейству входных характеристик (рис.2.8, б). Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при U_KЭ=-5B.

Из графика находим:

|U_KЭ0| = 246 мВ 0,25 В.

Амплитуда входного напряжения:

мВ.

Модуль коэффициента усиления по напряжению:

|K_U|= .

Коэффициент усиления по мощности:

K_P = |K_IK_U| = 39 ^. 17,5 = 690 .

Входная мощность:

P_ВХ = 0,5I_mБU_mБ = 0,5 ^. 0,2^. 10^-3. 45^. 10^-3 = 4,5 мкВт.

Входное сопротивление:

R_ВХ = Ом.

Сопротивление резистора:

R_Б = кОм.

Ёмкость конденсатора C_P определяется из условия:

,

где - низшая рабочая частота.

И тогда:

мкФ.

2.1.33. В рабочей точке усилителя, рассмотренного в предыдущей задаче, найти параметры h_11Э, h_21Э, h_22Э, R_ВЫХ=1/h_22Э, и аналитически рассчитать К_I, К_U, К_P, R_ВХ .

Решение. Рассчитаем параметры в рабочей точке при U_КЭ= -7 В и I_K0= 6 мА:

.

По точкам В и Г (рис.2.8,б) определим:

.

По точкам Д и Е определим:

;

мкСм;

кОМ;

Параметр

по точкам М и N (рис.2.8,а) определим:

Ом.

С помощью найденных параметров определим искомые значения по приближённым формулам.

Коэффициент усиления по току , точнее:

(сходится с графо-аналитическим расчётом).

Входное сопротивление:

Ом.

Коэффициент усиления по напряжению:

,

Точнее

.

Коэффициент усиления по мощности:

K_P = |K_IK_U| = 17,5 ^. 41,5 = 725 .

2.1.34. Рассчитать, при каких напряжениях U_ВХ транзистор в схеме, приведенной на рис. 2.9, будет находиться:

а) в режиме насыщения;

б) в режиме отсечки;

в) в активном режиме.

Рис. 2.9

Исходные данные приведены в табл. 7 и 8.

Таблица 7

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Сопротивление R1, кОм	10	10	20	30	20	10	10	10	20	20
Сопротивление R2, кОм	10	20	10	30	20	10	20	30	20	10
Сопротивление R3, кОм	1	2	3	2	1	3	1	3	3	1
Коэффициент передачи тока β	60	50	40	30	20	20	30	40	50	60

Таблица 8

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Напряжение источника Ек, В	-10	+15	-10	+12	+9	-10	+10	-15	+15	+15
Напряжение источника Е, В	-10	+15	-10	+12	+9	-12	-3	+4	-2	-3
Напряжение порога Unop, В	0	+0,6	-0,6	0	+0,6	0	+0,6	-0,6	0	+0,6
Обратный ток IК0, мкА	20	2	4	30	1	10	2	4	20	2

Решение. Для получения режима насыщения необходимо на вход ключа подать такое напряжение U_ВХ, при котором будет протекать ток:

.

Для получения режима отсечки необходимо обеспечить напряжение на базе:

,

где U_ПОР – пороговое напряжение транзистора (для германиевых транзисторов , для кремниевых ).

Условие отсечки для n-p-n транзисторов:

.

Условие отсечки для p-n-p транзисторов:

.

По исходным данным таблицы 8 студент должен определить тип транзистора и материал изготовления и начертить схему с учетом типа транзистора (p-n-р или n-р-n).

В качестве примера рассмотрим ключ на германиевом р-n-р транзисторе. Для других вариантов нужно учесть знак Е_к, Е и величину U_ПОР.

Условие насыщения транзистора:

,

для рассматриваемой схемы можно записать в виде:

,

откуда получим:

.

Условие отсечки транзистора перепишем в виде:

,

откуда следует:

.

Условие активного режима:

.

Следует помнить, что нужно учитывать знак источника смещения E.

При записи студент обязан объяснить смысл формул, по которым производится расчёт.