Розрахунок підсилювача на польовому транзисторі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

ІФТКН

Пояснювальна записка

до курсового проекту

на тему: «Розрахунок підсилювача на польовому транзисторі»

Чернівці, 2017

1. Опис постановки завдання за даними свого варіанта

Розрахувати однокаскадний підсилювач на польовому транзисторі згідно варіанту №7, за схемою із загальним витоком, режим підсилення - клас А. транзистор електричний підсилювач амплітудний

Параметри для розрахунку:

1) опір навантаження: 4[кОм];

2) смуга пропускання в інтервалі зазнаначених частот: 3800[Гц]ч41[кГц];

3) коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: 3,4;

4) значення амплітуди вхідної напруги: 37[млВ];

5) вхідний опір підсилювача: 59 [кОм].

Польовий транзистор згідно варіанту №7: КП302Б.

2. Опис польового транзистора

Польовий транзистор -- напівпровідниковий пристрій, переважно із трьома виводами, в якому сила струму, що протікає між двома електродами (витоком і стоком) регулюється напругою, прикладеною до третього електрода (затвора). Усі транзистори такого типу мають витік, стік та затвор. Струм в транзисторі протікає через канал, що утворено легованою областю напівпровідника, розташованою між підкладкою та затвором. До каналу під'єднані два електроди -- витік, що є джерелом носіїв заряду й стік, до якого носії заряду стікаються. Контакти між витоком, стоком і каналом робляться омічними. Для цього приконтактні області сильно легують.

2.1 Опис та структурна схема транзистора КП302Б

Транзистор КП302 - польовий з затвором на основі p-n переходу і каналом n-типу, планарний, кремнієвий. Використовується в комутуючих і перемикаючих пристроях, і в широкосмугових підсилювачах. Граничний діапазон частот до 150 мГц. Має металоскляний корпус, виводи гнучкі. На корпусі вказується тип транзистора. Важить не більше 1,5г.

2.2 Довідкові дані та сімейство ВАХ

3. Аналіз схеми та призначення усіх елементів електричної схеми

Підсилювачі на основі польових транзисторів все частіше використовують для створення електронних пристроїв.

Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечується постійним струмом І_с при відповідній йому напрузі стік-витік U_св, яка задається джерелом живлення Е. Цей режим забезпечується напругою зміщення на затворі польового транзистора U_зв. Ця напруга виникає на резисторі R_В при проходженні струму І_с (U_зв= І_с R_В) і прикладається до затвора завдяки гальванічному зв'язку через резистор R₂. Резистор R_B, крім забезпечення напруги зміщення затвора, Використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача за постійним струмом,стабілізуючи величину І_с, при зміні температури транзистора.При збільшенні температури струм стоку зростає, тому зростає спад напруги на R_С і як наслідок - вихідна напруга, яка знімається із виводу стоку,зменшується.Водночас зростає спад напруги на стоці транзистора.При зниженні напруги відбувається протилежні процеси. Щоб на резисторі R_B не виділялася змінна складова (сигнал), його шунтують конденсатором С і таким чином забезпечують незмінність коефіціента підсилення каскаду під час проходження сигналу.

Опір конденсатора С на найменшій частоті сигналу повинен бути набагато меншим за опір резистора R_В , який визначають за виразом:

R_В=,

де U_ЗВ, І_С - напруга затвор- витік та струм стоку при відсутності вхідного сигналу.

Ємність конденсатора вибирають за умовою:

С=;

де fmin -найнижча частота вхідного сигналу.

Конденсатор С_р називають роздільним. Він використовується для розв'язки підсилювального каскаду по постійному струму від джерела вхідного сигналу. Ємність конденсатора розраховують за формулою:

С=.

На резисторі Rc виділяється змінна напруга у вихідному колі за рахунок протікання в ньому змінного струму,який керується напругою між затвором та витоком. Для даної схеми при зростанні вхідної напруги збільшується струм стоку. Зростання струму стоку приводить до збільшення спаду напруги на R_c і як наслідок - зменшення напруги на стоці транзистора. Оскільки Uвих = Uc=E-U_Rc,то абсолютне значення вихідної напруги буде зменшуватися (амплітуда збільшується). При зменшенні вхідної напруги відбуваються взаємно протилежні явища.Тобто абсолютне значення вихідної напруги - збільшується (амплітуда зменшується). Чим більший розмах вхідної напруги, тим більший розмах вихідної напруги, причому полярність вхідної та вихідної напруг взаємно протилежна (відбувається зсув фаз на 180).

Змінна напруга Uвх від генератора проходить через конденсатор С₃. Тоді змінний струм сигналу, розділяється і проходить через паралельні ділянки електричних кіл: опір R₂ > земля; опір затвор-витік транзистора R_зв > земля тому,що опір джерела живлення E каскаду на всіх частотах сигналу змінного струму дорівнює нулю(за рахунок великої ємності джерела). З цієї ж причини не враховується опір R₄ тому, що він для змінного сигналу зашунтований конденсатором С₂.

4. Розрахунок номіналів компонентів електричної схеми підсилювача

На основі параметрів підсилювача визначаємо:

1) подвійне значення амплітуди (розмах сигналу) вихідного сигналу при Ku=3,4:

2U^амвих = 2?Ku ?U^aмвх = 2?3,4?37=251,6[мВ];

2) вихідний сигнал буде без спотворень якщо напруга живлення буде відповідати вимогам:

Uж ? 2U^амвих + U_R4 + Uнас + (R3+R4)Ico,

де Uнас - спад напруги на насиченому транзисторі,для нашого транзистора КП302Б - Uнас. = 5,6 [В],

U_ж = Uнас + 2U^амвих = 5,6 + 0,2516 = 5,85[В],

беремо найближче ціле значення

;

3) з формули для визначення коефіціента підсилення в області середніх частот смуги підсилення , визначаємо -

де Rc = R3//R_{вих.тран.}

R3, = 630 [Ом];

Rc = 553 [Ом];

4) значення R4 можна визначити з умови: U_R4=Ic Ч R4 = Uж/(5ч10). Нехай U_R4=1,3В

Toді R4 = U_R4/Ic = 1,3В/20мА=65 [Ом];

5) розрахунок положення робочої точки за співвідношенням :

Up = U_R4+U_нас+(R4+R3)I_co+U^амвих = 1,3+5,6+10^-2+0,125=7,025 [В],

для того,щоб ПТ не працював в режимі насичення ,вибираємо Up= 7,5 [В];

при мінімальному значенні:

U^амвих=-0,125В, U^мінс=7,5-0,125 = 7,375В > U_R4+U_нас ,при максимальному U^мaxс=7,5+0,125 = 7,625В,повинна бути меншою,ніж Uж.

На R3 спад напруги при Ic=20мА буде дорівнювати U_R3=IcR3=20мА*553 = 11В.Отже напруга живлення повинна бути Uж = 7,5+11=18,5В

6) R2=Rвх.=59[кОм];

7) розрахунок конденсатора С2 проводиться за формулою:

Z_C2 = ,

=644 [нФ];

8) конденсатори С1 і С4 визначають нахил АЧХ в області низьких частот,оскільки вони утворюють у схемі заміщення фільтр другого порядку ,то розрахункова частота зрізу f_н* для розрахунку даних конденсаторів визначається так:

f_н* = ,

С1= ;

С4= ;

С3=

5. Епюри напруг роботи каскаду в суміщених координатах із під'єднаним та від'єднаним Rн,які виконанні на міліметрівці

Для графоаналітичного аналізу використовують сімейство вихідних та перехідних характеристик транзистора. Побудова епюрів напруг на виході підсилювача при заданому розмаху напруги на вході дає можливість визначити наявність спотворень, межі обмежень стокового струму, напруги, значення вихідного динамічного опору.

Спочатку будуємо сімейство вихідних та перехідних характеристик транзистора. На графіку вихідних характеристик будуємо лінію навантаження для режиму за постійним струмом. Для цього визначаємо дві точки з цієї прямої. Перша точка береться з умови, що якщо Іс=0, то |Uсв|=Uж=18,5В. Друга точка визначається з врахуванням того, що при Uсв=0 (падіння напруги на транзисторі немає) струм у колі стоку буде рівний:

Маючи дані точки, проводим пряму. Дана лінія дозволяє вибрати положення робочої точки задаючи значення Ic, або навпаки.Для побудови ліній навантаження для змінного струму в області середніх частот робочого частотного діапазону слід врахувати, що струм проходить через паралельно з'єднані резистори Rc i Rн. Тоді при Uсв=0 максимальний струм стоку визначається з формули:

Другою точкою лінії навантаження буде робоча точка А, яка вказує Uсв при відсутності сигналу на вході. Перетин лінії навантаження (штрихова) з віссю абсцис у точці Uн показує значення напруги Uсв в динамічному режимі при закритому транзисторі. Співвідношення |Uж|> |Uн| вказує на зменшення напруги на виході стоку за рахунок паралельного під'єднання Rн до Rс. Таким чином, Uсв визначається дільником Rн-Rс у момент, коли транзистор закритий.

Маючи лінії навантаження та положення робочої точким А, можна отримати епюри напруг на виході підсилювача при заданому значенні розмаху вхідного сигналу. Відкладаючи значення Іс на графіку вхідних характеристик, знаходимо значення постійної напруги Uзв, яка задає положення робочої точки на сімействі вихідних характеристик. Зміна вхідного сигналу Uвх відносно Uзв викликає зміну Іс. Маючи величину розмаху (подвійна амплітуда) Іс, можна відповідно отримати епюри вихідної напруги Uвих, величина якої змінюється відносно значення Uр

6. Розрахунок значення статичного та динамічного вихідного опору підсилювача з під'єднаним та від'єднаним Rн

Статичний опір Rc визначається за формулою:

Динамічний вихідний опір без навантаження рівний:

З підключеним навантаженням вихідний динамічний опір дорівнює:

Розрахунки та графік амплітудної характеристики

7. Розрахунки та графік АЧХ

Формула за якою здійснюється побудова графіка АЧХ підсилювача:

8. Визначення fн і fв та частоти одиничного підсилення на основі графіка АЧХ

Визначаємо верхню та нижню частоти підсилення, а також частоти одиничного підсилення.

Верхня та нижня гранична частота підсилення задається послабленням сигналу на 3дБ. В нашому випадку максимальне значення сигналу має 11,23 дБ, отже частоти зрізу будуть визначатись значенням сигналу в 8,23 дБ. Даному значенню відповідають частоти 3800 Гц, 41000 Гц це і будуть наші частоти зрізу:f_н=3800 Гц, f_в=41000 Гц.

Частоти одиничного підсилення визначаються з АЧХ коли коефіцієнт підсилення рівний одиниці, отже частоти одиничного підсилення в нашому випадку будуть: f_1н=1415Гц, f_1в=112400 Гц

9. Визначення ККД підсилювача

Використовуючи графіки у суміщених координатах, визначаємо коефіцієнт корисної дії з даного підсилювача:

10. Висновки,в яких вказані параметри розрахованого підсилюючого каскаду та аналіз його роботи

В курсовій роботі я розрахував однокаскадний підсилювач на польовому транзисторі КП302Б із загальним витоком. Отриманий підсилювач має наступні характеристики:

1)коефіцієнт підсилення по напрузі К_u = 3,4;

2)напруга живлення Uж=18,5 [В];

3)опір навантаження Rн=4 [кОм];

4)вхідний опір Rвх= 59 [кОм];

5)вихідний статичний опір

6)вихідний динамічний опір:

а)без навантаження

б)з навантаженням

Размещено на Allbest.ru