Курсовая работа (т): Усилитель на биполярном транзисторе

Усилитель на биполярном транзисторе

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Описание электрической схемы усилителя

. Исходные данные для расчета усилителя

. Расчет усилителя по постоянному току

. Расчет усилителя по переменному току

. Построение частотных характеристик усилителя

. Оценка искажений усилителя

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта по дисциплине "Общая электротехника и электроника" является приобретение самостоятельных навыков расчета современных усилителей на биполярных и полевых транзисторах.

Важной задачей при проектировании радиоэлектронных средств является усиление электрических сигналов по току, напряжению или мощности до требуемой величины и, следовательно, разработка теории усилителей и методика их расчета.

При расчете усилителей первоочередной задачей является проведение сравнительного анализа схемотехники усилителей аналогичного назначения. Кроме того, необходимо учитывать новейшие достижения усилительной техники и современной элементной базы.

1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ приведена на рисунке 1.

Усилительный каскад выполнен на биполярном транзисторе n-p-n-типа. На вход усилителя подключен источник входного сигнала Ec, который имеет внутреннее сопротивление Ri. Конденсаторы Cp1 и Cp2 предназначены для разделения режима работы усилителя по постоянному току, не пропускают постоянную составляющую переменного сигнала. Резисторы Rб1 и Rб2 составляют делитель напряжения на входе транзистора, формируют напряжение смещения, которое определяет положение рабочей точки транзистора на нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора. Резистор Rк является нагрузочным в цепи коллектора по постоянному току, определяет выходное сопротивление усилительного каскада и коэффициент усиления по напряжению KU. С увеличением значения Rк (до определённого ограничения) коэффициент KU возрастает.

Рисунок 1 - Схема усилительного каскада с ОЭ

Для термостабилизации рабочей точки транзистора применяется последовательная отрицательная обратная связь по току, которая формируется через резистор Rэ. Конденсатор Cэ является шунтирующим, служит для увеличения коэффициента усиления каскада по переменной составляющей, а также для формирования частотной характеристики усилителя.

Усилительный каскад на рисунке 1 имеет параллельную структуру, является фазоинверсным, так как фаза выходного напряжения изменяется на угол π по отношению к входному напряжению. Усилитель с ОЭ усиливает входной сигнал по току, напряжению и мощности. Входное сопротивление каскада определяется сопротивлениями Rб1, Rб2 и входным сопротивлением транзистора h11. Выходное сопротивление каскада зависит от сопротивления коллектора

вых ≈ Rк ≈ 1/h22.

Коэффициент усиления по напряжению определяется зависимостью выходного напряжения от входного

=Uвых/ Uвх.

Ток коллектора рассчитывается на основе тока базы Iб и коэффициента передачи тока базы β

к= β Iб.

Частотные свойства усилителя зависят от частотных характеристик базового транзистора, выходного сопротивления источника сигнала и нагрузки.

Нелинейные искажения усилительного каскада определяются внутренним сопротивлением генератора на входе, сопротивлением нагрузки и уровнем амплитуды выходного сигнала.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах находят наибольшее применение в предварительных усилительных каскадах, так как усиливают ток и напряжение, а следовательно, обеспечивается усиление сигнала по мощности.

. 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:

) Uп - напряжение источника питания;

) Um - амплитуда напряжения на выходе усилительного каскада;

) Rн - сопротивление нагрузки;

) уровни рабочего диапазона частот: fн, fв - нижнее и верхнее значения усиливаемой полосы частот;

) значения допустимого уровня частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах: Mн, Mв - уровни частотных искажений на нижней и верхней граничной частоте;

6) рабочий диапазон температур окружающей среды: tmin, °C, tmax, °C - минимальное и максимальное значения температуры;

7) Ri - 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 Uсм > 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:

Выбрать тип транзистора по рассчитанным: току коллектора Iк, мощности транзистора P, верхней рабочей частоте fв и напряжению Uкэ, и вольтамперные статические входные и выходные характеристики.

На статических характеристиках построить нагрузочную прямую, рабочую точку и определить ток и напряжение покоя (Iкп, Uкэп).

По статическим входным и выходным характеристикам определить h-параметры транзистора:- входное сопротивление;- коэффициент обратной связи по напряжению;- коэффициент передачи тока базы;- выходную проводимость.

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

Rвх - входное сопротивление усилителя.

Rвых - выходное сопротивление усилителя.

KU - коэффициент передачи (усиления) по напряжению входного сигнала.

KI - коэффициент передачи по току входного сигнала.

KP -коэффициент усиления по мощности входного сигнала.

Определить частотные искажения усилителя.

Построить схемы замещения усилительного каскада.

Определить передаточные функции для схем замещения усилителя.

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

. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Исходные данные:п=25В; Rн=120 Ом; fн=9 Гц; Мн=1,1; Мв=1,3; Ri=1,2 кОм; =0 °C, tmax=110 °C.

Выбираем транзистор VT, исходя из выполнения следующих условий.

Сопротивление коллектора

к = Kн Rн ,

где Kн = 5…10.

Выбираем Rк = 10·120 Ом = 1200 Ом (для максимального значения Kн). Рассчитанное значение Rк соответствует стандартному ряду и принимаем к =1200 Ом.кэ max доп ≥ Uп , принимаем Uкэ max доп = 25 В.

Допустимая максимальная мощностьк max доп ≥ I кп U кэп ,

где Iкп =(Uп − Uк )/ Rк.

Полагаем Uк= Uп/2;кп =(25В − 25В/2 )/ 1200 Ом =0,010 Ак max доп ≥ I кп U кэп=0,010 А *12,5В=0,125 Втк max доп ≥ Uп / Rк ,к max доп ≥ 25В / 1200 Ом =0,021 А

Рабочая частота транзистора fр > 40 кГц.

По рассчитанным значениям:

) Iк max доп = 21 мА; 2) Pк max доп = 125 мВт;

) Iкп = 10 мА; 4) fр > 40 кГц

из справочника по полупроводниковым приборам (транзисторам малой мощности) выбираем транзистор n-p-n КТЗ15А со следующими параметрами:к max доп = 150 мВт; fгр = 250 МГц; Uкэ = 25 В; Iк max = 100 мА; Iкбо = 0,5 мкА; э = 30...120.

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

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

п = Iк Rк + Uкэ .

В режиме ХХ Iк = 0, при этом Uкэ = Uп = 25 В.

В режиме КЗ Uкэ = 0, при этом Iк = Uп / Rк=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 Iкп.

Для определения Iкп откладываем Iк min соответствующий Iб min. Iк max соответствует точка пересечения нагрузочной прямой DE и штриховой линии ОС, отделяющей на выходных характеристиках режим насыщения (точка В).кп определяется по формулекп=( Iк min+ Iк max)/2 = (2 мА + 18 мА)/2 = 10 мА.

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

Мощность рассеяния на коллекторе

к = Uкэп ⋅ Iкп = 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 Pк или уменьшить Uп.

Рисунок 2 - Статические входные характеристики биполярного транзистора КТ315 А с ОЭ Iб = f (Uбэ)

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 Iб = 0,4 мА и напряжению Uкэп = 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 Iб и Uбэ.

Входное сопротивление транзистора

 при Uк=const, = 0,5 кОм

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

 при Iб=const, = 10-4 См.

Рисунок 3 - Статические выходные характеристики биполярного транзистора КТ315 А с ОЭ Iк = f (Uкэ)

Коэффициент обратной связи по напряжению h12э определяется по входным характеристикам при постоянном токе базы для точек А′ и А7:

∆Uкэ = 15 В − 12,5 В = 2,5 В;

∆Uбэ = 0,05 В;

 при Iб=const, = 0,02.

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

 при Uкэ=const, = 30.

По эквивалентной Т-образной схеме замещения транзистора с ОЭ определяются физические параметры (рисунок 4) rб , rэ , rк , β.

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

Коэффициент передачи тока базы β ≈ h21э ≈ 30;

;б = h11э − h12э(1 + h21э) / h22э = 500 − 0,02(1 + 30) / 10−4 = 5,7 кОм ;

;

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 Rэ. Это напряжение (с минусом) подаётся через делитель напряжения Rб1 и Rб2 на базу транзистора, препятствуя возрастанию тока коллектора.

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

,

где S - коэффициент нестабильности тока коллектора Iк ; ∆Uэ - приращение напряжения на эмиттерном переходе; ∆h21э - приращение коэффициента передачи по току; Rб - эквивалентное сопротивление базы; ∆Iко - 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 Uбэ , для кремниевых транзисторов, согласно справочным данным, Е = 2 мВ/град.

∆Uэ = 2 мВ/град ⋅(Тmax K − Тmin K) =

= 2 мВ/град ⋅[( 273 + 100) K − (273 + 0) K ] = 200 мВ = 0,2 В.

Изменение коэффициента передачи тока при изменении температуры определяется по зависимостям из справочных данных. Принимаем ∆h21э = 29 .

Приращение обратного тока коллектора при изменении температуры окружающей среды

,

где Т* - температура удвоения тока коллектора; Tо - начальная температура, при которой определялся обратный ток Iко (0 °С).

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

Приращение тока коллектора будет равно

Подставляем рассчитанные значения S, ∆Uэ , Rб , ∆Iко , ∆h21э в формулу для определения приращения Iк :

=2,16[0,000286А + 1⋅10-8А +0,000387А]=0,00145 А=1,45 мА.

Рассчитываем сопротивления делителя напряжения Rб1 , Rб2 :

,

где Iэ = Iб + Iк , Iб = Iбп , Iк = Iкп ; Iэ = 0,4 мА + 10 мА = 10,4 мА ;

.

По шкале номинальных значений сопротивлений принимаем Rб1 = 3,3 кОм.

Рассчитываем Rб2 по формуле

.

Принимаем Rб2 = 0,470 кОм.

. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ

Расчёт по переменному току проводится на основе использования эквивалентной схемы, приведённой на рисунке 5 усилительного каскада с ОЭ переменного тока.

Рисунок 5 - Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ при переменном токе

Входное сопротивление усилительного каскада для переменной составляющей

вх ук = Rб1 || Rб2 || Rвх т ,

где Rвх т - входное сопротивление транзистора, Rвх т = h11э .

Rб1 || Rб2=;вх ук = 0,4 кОм || h11э= 0,4 кОм || 0,5 кОм .