Расчет параметров и режимов работы транзисторных каскадов усилителя низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Орловский государственный технический университет

Кафедра «ПТЭиВС»

Пояснительная записка к расчётно-графической работе

по разделу «Основы электроники» дисциплины «Общая электротехника и электроника»

Тема РГР: «Расчет параметров и режимов работы транзисторных каскадов усилителя низкой частоты»

Работу выполнил Алдошин А.Н.

Руководитель Рабочий А.А.

Орёл, 2010

Задание на РГР

Студент Алдошин А.Н. шифр 210202 группа 32 В

Тема: «Расчёт параметров и режимов работы транзисторных каскадов усилителя низкой частоты»

Срок сдачи РГР

Исходные данные для расчёта:

В задаче № 1:

- тип структуры транзистора n-p-n;

- напряжение источника питания Е_п = 6 В;

- амплитуда тока нагрузки I_нм = 7.5 мА;

- сопротивление нагрузки R_н = 400 Ом;

- максимальное напряжение нагрузки U_н.м. = 3 В;

- нижняя частота входного сигнала f_н = 1 кГц;

- коэффициент частоты искажений М_н = 1.2;

- диапазон рабочих температур + (2527)°С;

В задаче № 2:

параметры элементов схемы и транзистора

R₁ = 510 кОм

R₂ = 33 кОм

R_с = 3.7 кОм

R_и = 1.6 кОм

R_н = 10 кОм

R_г = 8.2 кОм

g₁₁ = 0.15•10^-6 (1/Ом)

g₁₂ = 0.15•10^-6 (1/Ом)

g₂₁ = 3.7•10^-3 (1/Ом)

g₂₂ = 39•10^-6 (1/Ом)

4. Содержание пояснительной записки - в соответствии с методическими указаниями к РГР.

Руководитель РГР Рабочий А.А.

Задание принял к исполнению < > 2010г.

подпись студента _____________

Содержание

транзистор биполярный частота усилитель

Расчетно-графическая часть

1. Расчет параметров усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

1.1 Схема транзисторного усилителя низкой частоты

1.2 Выбор биполярного транзистора

1.3 Выбор положения рабочей точки

1.4 Расчет параметров элементов схемы

1.5 Расчет параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе

2. Аналитический расчет параметров усилительного каскада на полевом транзисторе

Список литературы

Расчетно-графическая част

1. Расчет параметров усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

1.1 Схема транзисторного усилителя низкой частоты

Упрощенная схема каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа n-р-n, включенного по схеме ОЭ, приведена на рисунке 1. На схеме обозначены: R₁, R₂ - резисторы входного делителя, обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора, R_к, R_э - соответственно коллекторный и эмиттерный ограничивающие резисторы, R_н - сопротивление нагрузки. В простейшем случае резисторы R₂ и R_э могут отсутствовать (R₂^{= ?}, R_э=0), R_г - внутреннее сопротивление источника сигнала (генератора). С_вх, С_р - разделительные конденсаторы. Резистор R_э и конденсатор С_э образуют цепь отрицательной обратной связи по току эмиттера. Полагаем, что на вход (на базу транзистора) относительно общей точки подаётся синусоидальный входной сигнал с такой амплитудой, чтобы каскад работал в квазилинейном режиме и на нагрузке выделялся усиленный синусоидальный сигнал. Это обеспечивается соответствующим выбором положения рабочей точки на характеристиках транзистора.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Схема каскада усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

1.2 Выбор биполярного транзистора

В исходных данных указаны ток и мощность нагрузки, по которым следует определить конкретный тип и марку транзистора из следующих соображений:

а) Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером выбирается на (10-30)% больше напряжения источника питания

где U_{кэ доп} - допустимое напряжение по условиям пробоя р-n-перехода.

б) Максимальный (допустимый) ток коллектора должен быть в (1,52)
раза больше тока нагрузки

I_к.доп. 2I_нм

где мА - амплитуда тока нагрузки;

I_к.доп. - допустимое (по условиям нагрева) значение тока коллектора.

В общем случае нужно учитывать значение температуры окружающей среды, в зависимости от которой значение допустимого тока изменяется. В данном расчете предполагается «нормальная» температура окружающей среды + (2527)°С.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ306А. Он имеет следующие параметры:

U_кэм = 10 В

I_км = 30 мА

P_км = 0.15 Вт

h_21Э = 20…60 (в расчётах h_21Э = 40)

f_н = 1 кГц

Его входные и выходные характеристики изображены на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 входные и выходные характеристики транзистора КТ306А

1.3 Выбор положения рабочей точки

Расчет параметров графоаналитическим способом основан на использовании нелинейных статических характеристик. В первую очередь на семействе выходных характеристик изобразим кривую ограничения режима работы транзистора по мощности Р_км. Она строится согласно уравнению:

Р_км = U_кэI_к.

Задаваясь значениями U_кэ, находим I_к по заданному значению Р_к.

Таблица 1

Uкэ, В	2	4	6	8	10
Iк, мА	75	37.5	25	18.5	15

Далее на семействе выходных характеристик (рисунок 3) проводим нагрузочную линию, используя уравнение для коллекторной цепи

Полагая U_кэ = 0 В, получим

где R_общ = R_к + R_э - суммарное сопротивление в выходной цепи транзистора.

Полагая I_к = 0, имеем U_кэ = E_п = 6 В.

Так как R_общ пока неизвестно, используем две точки (рисунок 3): точку А с координатой (Е_п, 0) и выбранную по некоторым соображениям точку Р.

Положение точки Р нужно выбрать из следующих соображений:

а) точке Р соответствует значение тока

I_кр 1.2I_нм 9 мА

и значение напряжения

U_кэр U_вых.+ U_ост = 3 + 1 = 4 В

I_кр - постоянная составляющая тока коллектора;

I_им - амплитуда переменной составляющей тока коллектора (тока нагрузки);

U_кэр - постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.

U_ост маломощных транзисторов принимается ориентировочно равным 1В.

б) точка Р должка располагаться в области значений токов и напряжений, не попадающих в верхнюю область, ограниченную кривой Р_км (рисунок 3).

Определив координаты точки Р проводим на семействах выходных характеристик нагрузочную прямую APD (рисунок 3) и определяем значение тока базы I_бр, соответствующее выбранному значению тока коллектора I_кр:

I_бр = 0.5 мА

По значению тока базы I_бр определяем положение точки P₁ на входной характеристике.

Определяем значения токов I_км и I_к.мин:

I_км = I_кр + I_нм = 20 + 7.5 = 27.5 мА,

I_к.мин =I_кр - I_нм = 20 - 7.5 = 12.5 мА,

I_нм - амплитуда переменной (синусоидальной) составляющей тока нагрузки.

Откладывая по оси токов значения I_км, I_к.мин, находим на нагрузочной линии точки В и С, которым соответствуют значения токов базы

I_бм = 0.6875 мА

I_б.мин = 0.3125 мА

и значения напряжений

U_кэм = 4.96 В,

U_кэ.мин = 3 В.

Амплитуду синусоидальной составляющей напряжения коллектор-эмиттер находим из соотношения:

1.4 Расчет параметров элементов схемы

1. Определяем значения сопротивлений R_к и R_э.

кОм,

где I_кз - ток, определяемый по точке пересечения прямой АР с осью токов (точка D на рисунке 3).

Принимая R_э = (0.l0.15)R_к, находим

Ом

R_э = R_общ - R_к = 15.652 Ом

2. Находим сопротивления резисторов R_l, R₂. С целью уменьшения влияния делителя напряжения R_l R₂ на входной сигнал обычно выбирают

, где R_вх - входное сопротивление по переменному току

Ом.

Значения U_вхм и I_вхм определяются по входной характеристике

U_вхм = 0.0368 В

I_вхм = 0.1875 мА

Значение сопротивления резистора R₁ можно определить из соотношения

кОм,

полученного из уравнения напряжений для контура цепи: общая точка - R_э -эмиттерный переход - R₂ - общая точка в предположении, что U_эб <<E_п, а . Из последнего соотношения можно находим значение сопротивления резистора R₂ = 2.071 кОм.

3. Определяем емкость конденсаторов С_р и С_э:

мкФ

мкФ

1.5 Расчет параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе

Используя графики входной и выходных характеристик, можно найти параметры усилительного каскада:

а) Коэффициент усиления по напряжению

раз;

K_U,дб = 20lgK_U = 38.225 дБ.

б) Коэффициент усиления по току

раз;

K_i,дб = 20lgK_i = 32.041дБ.

в) Коэффициент полезного действия (КПД):

Р_н - мощность нагрузки максимальная (выходная);

Р_р - мощность источника, затраченная на обеспечение режима работы Мощность переменного тока нагрузки

P_н = 0.5 U_нм I_нм= 0.5 • 3 • 0.0075 = 11 мВт.

Мощность, затрачиваемая источником питания на обеспечение режима работы определяется по координатам точки Р (см. рисунок 3)

P_р = U_кэр I_кр = 4 • 0.02 = 80 мВт.

г) Мощность генератора входного синусоидального сигнала

P_вх = 0,5 I_бм U_бэм = 0.5 • 0,0006875 • 0.55 = 189.1 мВт.

д) Коэффициент усиления по мощности



K_р,дб = 10lgK_р = 17.745 дБ.

2. Аналитический расчет параметров усилительного каскада на полевом транзисторе

Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющими p-n-переходом и каналом р-типа показана на рисунке 5. Транзистор включён по схеме с общим истоком.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 Схема усилительного каскада на полевом транзисторе

В расчёте используем упрощённую схему замещения транзистора, показанную на рисунке 5, где обозначены:

g₁₁ - входная проводимость, См;

g₁₂U₂ - входной ток, обусловленный влиянием выходной цепи на входную;

g₁₂ - проводимость передачи напряжения;

g₂₁ U₁ -выходной ток, обусловленный проводимостью передачи тока g₂₁;

g₂₂ - выходная проводимость транзистора, См.

Схема замещения усилительного каскада показана на рисунке 6. В целях упрощения в схеме отсутствует проводимость g₁₁ и источник g₁₂U₂ ввиду их незначительной величины. Сопротивления резисторов R_з1 и R_и1 определяется из соотношений:

кОм,

кОм.

R_з1 - эквивалентное сопротивление цепи затвора;

R_н1 - эквивалентное сопротивление выходной цепи.

Коэффициент усиления по напряжению определяется по выражению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

К_р = К_U К_i = • = 253.319 раз.

Входное сопротивление каскада

R_вх = R_з1 = кОм.

Выходное сопротивление каскада

Ом,

U_xx - напряжение на выходе при разрыве цепи нагрузки (холостой ход);

I_кз - ток на выходе при коротком замыкании выводов нагрузки.

Рисунок 6 Упрощённая схема замещения усилительного каскада на полевом транзисторе

Список литературы

Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под общей редакцией Горюнова Н.Н. М.: Энергоатомиздат, 1985. 904 с.

Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 352 с.

Опадчий Ю.Ф., Грудкин, О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия - Телеком, 2002, 768 с.

Размещено на Allbest.ru

...