Курсовая работа (т): Расчёт усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером

Расчёт усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером

Задание на курсовой проект

Рассчитать параметры резисторов , ,  и , исходя из заданного положения рабочей точки в классе А () и ее нестабильности () при напряжении источника питания схемы (), типе транзистора (VT1), для схемы, изображенной на рис.1.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная усилителя

Используя любую из программ анализа электронных схем, промоделировать работу схемы на постоянном токе. Рассмотреть узловые потенциалы в схеме. Построить передаточную характеристику схемы на участке база-коллектор транзистора  и нанести на нее рабочую точку. Обозначить на характеристике области работы транзистора.

Изменить коэффициент усиления по току транзистора () в два раза и определить, на сколько изменится ток коллектора. Проделать то же, изменив неуправляемый ток коллекторного перехода в десять раз.

Дать заключение о степени соответствия прогноза, сделанного на основании аналитических расчетов, и результатов моделирования по работе схемы на постоянном токе.

Оценить расчетным путем основные малосигнальные параметры рассматриваемой схемы , , , , , , а также, при какой амплитуде входного сигнала в схеме возникнут нелинейные искажения.

На основе сведений о нижней граничной частоте () полосы пропускания усилителя с учетом данных о сопротивлениях нагрузки () и источника сигнала () определить емкости разделительных ( и )  и блокировочного () конденсаторов. Спрогнозировать верхнюю граничную частоту () полосы пропускания усилителя.

Промоделировать работу схемы на переменном токе и построить АЧХ и ФЧХ усилителя, по которым определить граничные частоты полосы пропускания усилителя. Определить также на основе моделирования с использованием зависимого источника сигнала входное () и выходное () сопротивления усилителя на средней частоте.

Предсказать аналитически и исследовать с помощью моделирования реакцию усилителя на импульсный сигнал малой величины.

Провести сравнение аналитических прогнозов поведения усилителя на переменном токе  с результатами моделирования и сделать необходимые выводы.

Оформить отчет о проделанной работе, в котором представить:

исходные данные и задание;

аналитические расчеты параметров деталей схемы и параметров выходных сигналов, характеризующих ее поведение на постоянном и переменном токе;

результаты моделирования в виде распечаток принципиальной схемы с узловыми потенциалами, передаточной, амплитудно-частотной, фазо-частотной и переходной характеристик (приведенные графики должны быть обработаны и на них указаны извлекаемые параметры);

распечатки библиотечных параметров транзистора VT1, источников синусоидального и импульсного сигналов с объяснением каким образом все эти параметры были назначены;

выводы по работе.

Исходные данные

Таблица 1. Исходные данные задания на курсовой проект

Согласно ОСТ 11 336.919-81, устанавливающего систему условных обозначений современных типов транзисторов, KT363А - кремниевый биполярный транзистор, относящийся к классу маломощных (максимальная рассеиваемая мощность не может превышать 0.15 Вт) Более точно параметры этого транзистора определим, воспользовавшись справочником (табл. 2).

Таблица 2. Параметры транзистора КТ363А, взятые из справочника

Выполнение задания

Расчёт резисторов , ,  и

Резисторы ,  и  призваны обеспечить режим работы транзистора VT1 по постоянному току (вывести его рабочую точку в класс А), а резистор  - стабилизировать этот режим введением последовательной отрицательной обратной связи по току.

При расчёте постоянных составляющих используем схему рис.2. При этом не будем учитывать обратный ток коллекторного перехода .

Рис. 2. Упрощённая схема усилителя для расчёта постоянных составляющих

В соответствие с табл. 2, примем коэффициент усиления тока .

Положим . Тогда , где

 - коэффициент передачи тока.

Итак, =.

По первому закону Кирхгофа ток базы транзистора:

,

где

;

.

(Поскольку используется кремниевый транзистор, то ).

Если подставить  и  в , обозначив , то получим

.

Учтём, что  и , тогда из :

Значение  можно найти из условия обеспечения заданной стабильности рабочей точки транзистора. Поскольку , то

Теперь  представляет собой уравнение относительно сопротивления . Решая , находим

Понятно, что.

Желая получить , рассчитаем величину сопротивления :

.

Моделирование работы схемы на постоянном токе

Для моделирования работы электрических схем будем использовать программу Electronics Workbench 5.12 Pro (как наиболее изученную).

Параметры транзистора (рис. 3) назначим из следующих соображений. Для кремниевых транзисторов типовым значением тока насыщения (Saturation current) при комнатной температуре является . В качестве значения коэффициента усиления в схеме с общим эмиттером (Forward current gain coefficient) возьмём среднее значение (см. табл. 2 - параметр ). Типовыми значениями коэффициента усиления тока в схеме ОЭ при инверсном включении (Reverse current gain coefficient) и объёмного сопротивления базы (Base ohmic resistance) являются соответственно  и . Ёмкость коллекторного перехода при нулевом напряжении (Zero-bias B-C junction capacitance) возьмём из таблицы 2 - параметр  

Рис. 3. Параметры модели транзистора КТ315Г

Время переноса заряда через базу (Forward transit time) рассчитаем как (см. табл. 2) . Время переноса заряда через базу в инверсном включении (Reverse transit time) . Оба перехода транзистора будем считать плавными, поэтому коэффициенты плавности эмиттерного (B-E junction grading coefficient) и коллекторного (B-C junction grading coefficient) переходов положим равными 0.333.

Напряжение Эрли (Early voltage) примем равным  (см. табл. 2). Ток начала спада усиления по току (Forward beta high-current knee-point) положим равным  (см. табл. 2).

Картина распределения узловых потенциалов представлена в табл. 3.

Рис. 4. Моделирование работы усилителя на постоянном токе

Таблица 3. Распределение узловых потенциалов в схеме рис. 4.

Рис. 5. Передаточная характеристика участка база-коллектор для схемы рис. 4

Расположение рабочей точки усилителя в середине линейной части передаточной характеристики (рис. 5) (при этом транзистор работает в нормальной активной области) свидетельствует о том, что основная задача данной стадии проектирования - выбор резисторов, обеспечивающих положение рабочей точки усилителя в классе А - решена верно.

Кроме того, из рис. 5 можно приблизительно определить коэффициент усиления по напряжению на постоянном токе:  (знак «минус» говорит о том, что  усилитель будет инвертировать входной сигнал).

Изучение влияния изменения параметров транзистора на работу усилителя

Из : , поэтому ток коллектора при увеличении коэффициента усиления транзистора VT1 (рис. 4) в два раза должен составлять:

.

То есть, изменение коллекторного тока теоретически должно составить  от номинального значения.

Если же, наоборот, уменьшить коэффициент усиления транзистора VT1

в два раза:

.

Тогда, .

При проверке полученных результатов с помощью моделирования в программе Electronic Workbench 5.12 есть некоторые особенности. Математическая модель биполярного транзистора в этой программе содержит параметр  (где ,  - тепловые токи соответственно эмиттерного и коллекторного переходов). Поэтому чтобы изменение параметра не повлияло на тепловые токи переходов, нужно соответствующим образом изменять параметры  и .

Проанализируем поведение схемы при увеличении в 10 раз неуправляемого тока коллекторного перехода .

Ток  равен сумме двух составляющих: теплового тока коллекторного перехода  и тока утечки , обусловленного дефектами структуры коллекторного перехода. Для простоты, пренебрегая второй составляющей, будем считать .

Поскольку для транзистора справедливо равенство , то увеличение в 10 раз теплового тока коллекторного перехода  приведёт к увеличению во столько же раз теплового тока эмиттерного перехода . Это, в свою очередь, повлечёт уменьшение напряжения на участке база-эмиттер транзистора, поскольку .