Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Гомельский государственный технический университет имени п. О. Сухого

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Промышленная электроника»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Полупроводниковые приборы»

на тему: «Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе»

Исполнитель: студент гр. ПЭ-31

Лазуткин С. А.

Руководитель: ст. преподаватель Козусев Ю. А.

Введение

Транзистор - это управляемый полупроводниковый прибор, который может работать в электронной схеме как в ключевом, так и в усилительном режимах. Это универсальный полупроводниковый прибор интегральных и мощных схем.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения со входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Электрические параметры и характеристики БТ существенно различаются при разных схемах включения.

На практики БТ широко используются в качестве усилительных приборов. В этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллекторному переходу, работающему в режиме экстракции - обратное напряжение. Такой режим работы БТ называется активным. В данной курсовой работе будет рассматриваться принцип работы транзисторного усилителя в схеме включения с ОЭ.

1. Исходные данные к расчету

Усилитель напряжения класса А на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером.

N =18 - номер варианта, r =3 - схема фиксированный ток базы.

Uнm=5.9 B - амплитуда напряжения на нагрузке;

Rн=860 Оm - сопротивление нагрузки;

Rк=1070 Оm - сопротивление коллекторного резистора;

Rг=150 Om - сопротивление генератора (источника гармонического сигнала);

Fн=95 Гц - низшая частота сигнала.

Рис. 1 Однокаскадный усилитель на БТ в схеме ОЭ

2. Расчет усилителя в схеме включения ОЭ

1. Определить координаты точки покоя 0 [Uок; Iок], напряжение питания Ек. Построить статическую и динамическую линии нагрузки. Определить требования к транзистору по предельным параметрам и ВАХ. Выбрать транзистор.

Рассчитываем токи:

Амплитуда тока нагрузки

Амплитуда тока резистора Rk

Амплитуда тока коллектора

Проверка для исключения дебютной ошибки:

Определяем эквивалентное сопротивление в цепи коллектора для переменной составляющей Iк Rкн=Rк Rн = (RкRн)/(Rк+Rн) и амплитуду тока коллектора Iкm=Uкm/Rкн.

Сопротивление на переменном токе

Амплитуда тока коллектора

Ток покоя выбирают из условия

Iок>Iкm или Iок=Iкm+I,

где I=13 mA -минимальный ток коллектора.

Ток покоя коллектора

Iok = Iкm +I = 12,3 10-3 +(13)= 13,315,3 (mA).

Выбираем Iок=14 (mA).

Напряжение покоя для исключения режима насыщения определяем из условия

Uокэ>Uкm или Uокэ=Uкm+U,

где U=23 В - минимальное напряжение.

Напряжение покоя коллектор-эмиттер Uокэ= 5,9 +(23)=7,98,9 (В).

Выбираем Uокэ=8 (В).

Для схемы с фиксированным током базы Rэ=0

Определяем напряжение питания:

Ек = Uокэ + Iок Rк =8 + 0.014 1070 = 23 В.

Статическая линия нагрузки (СЛН) проходит через точки с координатами [Uкэ=Ек;Iк=0], [Uокэ ; Iок] и [Uкэ=0; Iк= =23/1070=21 мА].

Напряжение UА - точка динамической нагрузки, прямая которая проходит через [Uокэ ; Iок]

UА=Uокэ+Iок • Rкн= 8 + 0.014 476,788 =14,675 В.

Динамическая линия нагрузки (ДЛН) проходит через точки с координатами [Uкэ=UA;Iк=0], [Uокэ ; Iок] и [Uкэ=0; Iк= UА /Rкн=14,675/476,788=30,779 мА].

После построения линий нагрузки определяем предельные параметры транзистора и подбираем транзистор по справочнику[1].

Iк макс > Iок +Iкm = 14 + 12,343 =26,343 (мА)

Uкэмакс >Ек=23 (В)

Ркмакс > IокUокэ = 14 8 = 112 (мВт)

Рассчитанным данным удовлетворяет транзистор КТ312А.

Параметры	КТ312А
UКБ.max, В	30
UКЭ.max, В	30
UБЭ.max, В	?4
IК.max, мА	30
PК.max, мВт	225

Построим статическую и динамическую линии нагрузки на отдельном листе, предварительно перенеся входные и выходные характеристики выбранного транзистора

Определить координаты точки покоя 0[Uобэ;Iоб] на входных ВАХ, рассчитать элементы, обеспечивающие режим покоя.

Все выше изложенные указания выполнены на графиках входных и выходных характеристик. Все расчетные и найденные по графикам данные указанны, поэтому нахождение нужного параметра не составляет особого труда.

По графикам определяем:

Uобэ = 0,74 В; Iоб = 0.4 мА

Ток Iоб определяется по пересечению ДЛН с соответствующей кривой семейства выходных характеристик. Максимальный и минимальный токи базы определяют по соответствующим им токам Iок + Iкм и Iок - Iкм следующим образом:

Iбмакс = 0.74 мА Iбмин = 0.06 мА

На входной характеристике отмечаем токи Iбмакс и Iбмин и находим соответствующие им значения напряжений (Рис ):

Uобэ = 0.74 В Uбэмакс = 0.77 В Uбэмин = 0.64 В

По законам кирхгоффа Ek = Uобэ + Iоб Rб

Отсюда

Резисторы с таким типономиналом промышленностью не выпускаются, поэтому выбираем резистор из ряда сопротивлений по справочнику[2] наиболее близким является типономинал в 56 kОм.

Графоаналитическим методом рассчитать параметры усилителя: RВХ, КU, Ке, Кi, КР.

Амплитудный ток базы определяем по формуле:

Iбм= 0.5(Iбmax - Iбmin) = 0.5(0.74 10-3 - 0.06 10-3) = 0.34 (мА)

Амплитудное напряжение на переходе Б-Э по формуле:

Uбм= 0.5(Uбэmax - Uбэmin) = 0.5(0.77 -0.64) = 0.065В

Рассчитаем параметры усилителя:

- входное сопротивление транзистора

Rвхт= Uбm/Iбm = 0.065 / 0.34 10-3 = 191.176 (Ом),

- входное сопротивление усилителя

Rвх= Rвхт Rб = 191.176 56000 /56191.176 = 190.523 (Ом),

- коэффициент усиления по напряжению

Ku = Ukm / Uбm = 5.9 / 0.065 = 90.77,

- входной ток

Iвхm= Iбm+ Uбm/RБ = 0.34 10-3 + 0.065 / 56000 =0.341 (мА),

Iвхm = Uбm/Rвх=0.065/190.523=0.341 (мА)

- необходимое напряжение генератора

Егm= Uбm+ IвхmRГ = 0.34 + 0.341 10-3 150 = 0.116 (В),

- сквозной коэффициент усиления по напряжению

Ke = Uкм / Eгм = 5.9/0.116 = 50.862 < Ku

- коэффициент усиления транзистора по току

Kiт = Iкм / Iбм = 12.374 10-3 / 0.34 10-3 = 36.394,

- коэффициент усиления усилителя по току

Ki = Iнм / Iбм = 6.86 10-3/ 0.34 10-3 = 20.176< Kiт

Ki = Kiт Rк /(Rк+Rн) = 36.394 1070 / (1070+860) = 20.177 < Kiт

- коэффициент усиления транзистора по мощности

Крт = Кu Кiт = 90.77 36.394 = 3303.483,

- коэффициент усиления усилителя по мощности

Кр = Кu Кi = 90.77 20.177 = 1831.466,

- мощность сигнала на выходе транзистора

Рвых = 0.5 Uкm Iкm = 0.5 5.9 12.374 10-3 = 36.5 (мВт),

- мощность сигнала на нагрузке

Рн = 0.5 Uнm Iнm = 0.5 5.9 6.86 10-3 = 20.237 (мВт),

- потребляемая мощность

Ро = Ек Iок = 23 14 10-3 = 322 (мВт),

- коэффициент полезного действия

ус = Рн / Ро = 20.237 / 322 = 0.0595 <0.06.

По статическим ВАХ транзистора определяем hэ - параметры. Рассчитаем физические параметры Т-образной схемы замещения в схемах ОЭ и ОБ. Изобразим схемы замещения.

h - параметры определим по статическим ВАХ транзистора. h - параметры одни из главных параметров в транзисторе. Они составляются по эквивалентной схеме транзистора - четырехполюснику. Основными параметрами четырехполюсника являются: входное сопротивление, коэффициент обратной связи по напряжению, коэффициент прямой передачи по току, выходная проводимость. Этими параметрами, также, определяются h - параметры для транзистора.

Входное сопротивление транзистора:

Коэффициент прямой передачи по току:

Входная проводимость:

Параметр h12э определить по графику невозможно, так как справочные входные ВАХ содержат только одну кривую семейства, поэтому для определения параметра h12э можно применить физические параметры, порядок расчета следующий (Т=25мB):

rЭ = Т/Iоэ = Т /(Iок + Iоб)=25 10-3/(14 10-3+0,4 10-3)=1,736 (Ом)

rБ = h11Э - (1 + h21Э)rЭ=155.84 - (1+37.5) • 1.736=890 (Ом)>0

И тогда коэффициент обратной передачи по напряжению:

h12э = rэh22э= 1.736 • 1.33 10-4=2.31 10-4

Для объяснения процессов происходящих в транзисторе используется модель Эберса - Молла, которая их поясняет на примере токов.

3. Схема замещения биполярного транзистора в схеме включения ОЭ

= h21Э = 37.5

rЭ = Т/Iоэ = Т /(Iок + Iоб)=25 10-3/(14 10-3+0,4 10-3)=1,736 (Ом)

rБ = h11Э - (1 + h21Э)rЭ=155.84 - (1+37.5) • 1.736=89 (Ом)

rкэ= rк* = 1 / h22Э=1 / 1.33 10-4 =7518,8 (Ом)

4. Схема замещения биполярного транзистора в схеме ОБ

rк = rк* (1 + ) = 7518,8 (1+37,5) = 289,5 (kОм)

= / (1+) = 37.5 / 38.5 = 0,97

h22Б =1/ rк = 1 / 289.5 103=3,45410-6 (Ом-1)

h12Б = rБ / rк = 89 / 289500 = 3,0710-6

h21Б -= - 0.97

h11Э = rБ + (1 + ) rэ= 89 + (1+37,5) = 155,836 (Ом)

h11Б = h11Э / (1+) = 155,836 / (1+37,5) = 4,04 (Ом)

Определить параметры усилителя Rвх, КU, Кi через hэ-параметры.

Rвх h11э =155,84 (Ом)

Кu -h21э(Rкн 1/h22э)/h11э = -37,5(920,21031/1,3310-4)/155,836=107,889

Кiт=h21э = 37,5

Параметры, рассчитанные через h-параметры совпадают с параметрами, рассчитанными в п.3 с точностью менее 20%. Следовательно, они рассчитаны, верно.

5. Расчет емкости разделительных конденсаторов

эмиттер биполярный транзистор ток

Разделительные конденсаторы С1 и С2 предотвращают прохождение постоянных составляющих напряжений на вход и выход усилителя и пропускают только переменные.

Они рассчитываются из условия: XC1 < Rг + Rвх; XC2 < Rк + Rн и рассчитываются на нижней частоте по следующим формулам:

По справочнику [2] подберем близкие по типономиналу значения емкости конденсаторов.

И получим значения соответственно: С1 = 36 (мкФ); С2 = 6,2 (мкФ).

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения с эмиттерным повторителем Ек и определим параметры RВЫХ, КСТ.

Расчет параметрического стабилизатора будем производить по [5] стр.18-20

Параметрический стабилизатор предназначен для стабилизации выходного напряжения, его принцип действия основан на малой зависимости напряжения от протекающего тока. При изменении входного напряжения изменяется ток через балластное сопротивление R и соответственно ток стабилитрона Iст. Напряжение стабилизации слабо зависит от тока стабилитрона, поэтому напряжение на нагрузке и ток нагрузки не изменяются, а почти все приращение dUвх упадет на балластном резисторе. Существенно улучшить параметры стабилизатора позволяет применение эмиттерного повторителя напряжения на биполярном транзисторе.

Нагрузкой в нашем случае служит усилитель, т.е. Uст = Eк = 23 (В).

Imax = Iok + Iоб + Ukm / Rk = 14 10-3 + 0.4 10-3 + 5,9/1070 = 19,914 (мА)

Зададимся = 50 получим:

Ku=Kн+Kп=0.1+0.1=0.2, где

Кн - коэффициент нестабильности выпрямленного напряжения

Kп - коэффициент пульсации входного напряжения

Ku - суммарный относительный коэффициент изменения Uв

По справочнику [6] подберем стабилитрон, подходящий по требуемым параметрам. Здесь подойдет стабилитрон КС224Ж имеющий следующие электрические параметры:

Uст = 24 (при Iст = 2 мА) В ; Iст min = 0.5 мА; Iст max = 5.2 мА; rст =70 Ом (при Iст = 2 мА)

Определим величину балластного сопротивления R1:

(Ом)

Выберем Rб = 3,9 kОм и определяем Uв:

(В)

Выбираем Uв = 35 В и определяем пределы изменения Uв:

Uвмин = (1 - Ku) Uв = 0.8 35 = 28 (В)

Uвмакс = (1+Ku) Uв = 1.2 35 = 42 (В)

Проверяем режим стабилизации:

Определим параметры стабилизатора:

Коэффициент стабилизации

Выходное сопротивление Rвых = Rrст = 17.8 Ом

,

где h11Э=1 kОм (берем ориентировочно)

Rвых=Rcт=21 (kОм)

Для выбора транзистора предъявляем к нему требования:

Выбираем транзистор КТ503Б:

Найдём ток стабилизации в номинальном режиме:

Входной ток:

Потребляемая мощность:



Рассчитать выпрямитель и фильтр, задаваясь КН = КП =0.1.

Рассчитаем ёмкости фильтров:

Частота сети равна 50Гц и после выпрямления мостом частота пульсаций увеличивается вдвое f = 100Гц , тогда период Т=1/f = 10mc.

Разбиваем период на время заряда и время разряда конденсатора

tр = 7mc; tз = 3mc.

Конденсатор подберём из ряда типономиналов по справочнику [2] Сф = 22 (мкФ).

Выбираем диод КД2995А:



9. Построим временные диаграммы сигналов при частоте 1кГц:

а) ЕГ(t), UВХ (t), UБ(t), UЭ(t); б) IБ(t), IГ(t); в) IК(t), IН(t), IПИТ(t);

г) UБ(t), UЭ(t), UК (t), UН(t), ЕК; д) U2(t), UВ(t), UСТ (t)=ЕК(t).

а) ЕГ(t), UВХ (t), UБ(t), UЭ(t)

б) IБ(t), IГ(t)

в) IК(t), IН(t), IПИТ(t)

г) UБ(t), UЭ(t), UК (t), UН(t), ЕК



д) U2(t), UВ(t), UСТ (t)=ЕК(t)

Рассчитать энергетические параметры усилителя и стабилизатора.

Рассчитаем мощности:

нагрузки

РН =Uн2 / Rн = 4.172 / 860 = 20.22 (мВт)

источника питания РO = ЕK IOK =23 14 10-3 =322 (мВт)

выпрямителя РВ=UВ IВ = 35 22,57 10-3 = 790 (мВт)

Определим КПД:

ус = Рн / Ро = 20.22 10-3 / 322 10-3 = 0.589,

пит = РО / РВ = 322 10-3 / 790 10-3 = 0.408,

Начертить схему электрическую принципиальную устройства

Заключение

В данной курсовой работе мы рассмотрели расчет однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером. В ходе работы были определены точки покоя на ВАХ, элементы обеспечивающие режим покоя, параметры усилителя, h - параметры, рассчитаны физические параметры ОЭ и ОБ, определены параметры усилителя Rвх, КU, Кi через hэ-параметры, рассчитаны емкости разделительных конденсаторов и выбраны конденсаторы, рассчитан параметрический стабилизатор напряжения, определены параметры Rвых, Кст. Выбран усилительный транзистор КТ312А, стабилитрон для получения нужного напряжения стабилизации КС224Ж и транзистор КТ503Б, рассчитали выпрямитель и фильтр, для выпрямителя был выбран диод КД2995А, построены временные диаграммы сигналов, рассчитаны энергетические параметры усилителя и стабилизатора.

Литература

1. Галкин В.И. и др. Полупроводниковые приборы: Транзисторы широкого применения: Справочник. -Мн.: Беларусь, 1995.-383 с.: ил.

2. Акимов Н.Н., Ващуков Е.П., Прохоренко В.А., Ходоренок Ю.П. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./ - Минск: Беларусь, 1994. - 591 с.: ил

3. Булычев А.Л. Прохоренко В.А. Электронные приборы: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Радиотехника».- Мн.: Выш. шк., 1987.- 316 с.: ил.

4. Методические указания к лабораторным занятиям по теме "Транзисторы." Часть 2. курса "Полупроводниковые приборы" для студентов специальности 20.05.- Гомель. ГПИ. 1989. (N1233)

5. Методические указания к лабораторным занятиям по теме "Исследование полупроводниковых стабилитронов" курса "Полупроводниковые приборы" для студентов специальности 20.05.- Гомель. ГПИ. 1995. (N1973)

6. Гитцевич А.Б. Зайцев А.А. и др. Под ред. А.В. Голомедова Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник.- М.: Радио и связь, 1988.- 528с.; ил.

Размещено на Allbest.ru

...