Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники»

Пояснительная записка

Студент группы РЕ-81 И.Д. Тутынин

Екатеринбург 2010

Введение

Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники» заключается в расчете типового усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

Целью курсовой работы является

· закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины;

· формирование углубленного понимания физических процессов в усилительных устройствах;

· изучение методов расчета усилительных устройств и их основных параметров;

· ознакомление с элементной базой аналоговых электронных устройств;

· получение навыков информационного поиска и пользования справочной информацией;

· ознакомление с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности;

· усвоение правил составления и оформления технической документации.

Исходные данные к курсовой работе включают:

· тип транзистора;

· номинальное напряжение источника питания;

· сопротивление резистора в цепи коллектора;

· сопротивление нагрузки каскада.

1. Исходные данные к курсовой работе

Таблица 1

Тип активного элемента	Транзистор биполярный
Схема включения активного элемента	ОЭ
Используемый активный элемент	КТ208Е
Напряжение источника питания, Eп	24 В
Номинал резистора в цепи, Rк	1,6 кОм
Номинал резистора в выходной цепи, Rн	2,2 кОм

В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.

Рис. 1 каскад с общим эмиттером.

2. Характеристики используемого транзистора



3. Выбор режима работы транзистора

На семействе выходных характеристик транзистора построим нагрузочную прямую по постоянному току. Сопротивление в цепи эмиттера возьмем из соотношения:



Такое сопротивление обеспечит достаточно высокую стабильность рабочей точки и не сильно уменьшит коэффициент использования напряжения источника питания.

После расчета сопротивления R_Э сразу же выберем ближайшее стандартное значение по ряду Е24. В последующих вычислениях используем стандартное значение сопротивления R_Э.

R_э=0,33кОм±5%

Далее по формуле

рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_{КЭ рт}. Будет удобнее, если рабочая точка совпадет с одной из выходных характеристик семейства, поэтому в качестве рабочей точки выберем ближайшую к рассчитанному значению U_{КЭ рт} точку пересечения нагрузочной прямой по постоянному току с одной из характеристик семейства. Если шаг выходных характеристик транзистора велик, то «подтягивание» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике может привести к существенному отклонению рабочей точки от оптимального значения. В этом случае можно построить дополнительную выходную характеристику и выбрать рабочую точку на ней. Отметим выбранную рабочую точку на выходных характеристиках транзистора. Определим ток коллектора в рабочей точке I_{К рт}.

% мА



Рис. 2 выходная характеристика транзистора

Отметим выбранную рабочую точку на входной характеристике транзистора. В справочниках обычно приводятся две характеристики: при напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ = 0 и при напряжении U_КЭ ? 0 (у транзисторов поздних разработок U_КЭ = 5 В). Первая характеристика соответствует режиму насыщения, а вторая - нормальному активному режиму. Поскольку в усилителях транзисторы работают в нормальном активном режиме, то рабочую точку следует построить на входной характеристике при напряжении U_КЭ ? 0, при этом не имеет никакого значения соотношение напряжения, для которого приведена входная характеристика в справочнике, и напряжения в рабочей точке U_{КЭ рт}. На входной характеристике рабочая точка строится по току базы I_{Б рт}, соответствующему выходной характеристике, проходящей через рабочую точку. Проекция рабочей точки на ось напряжения база-эмиттер даст значение напряжения база-эмиттер в рабочей точке U_{БЭ рт}. Выпишем параметры рабочей точки: U_{КЭ рт}, I_{К рт}, U_{БЭ рт}, I_{Б рт}.

I_{k рт}=6.4мА, U_{бэ рт}=0.65В, U_{кэ рт}=9.13В, I_{б рт}=0.04мА



Рис. 3 входная характеристика транзистора

4. Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя R_Б1,R_Б2 в цепи базы. Чем больше будет сквозной ток делителя I_Д = E/(R_Б1 + R_Б2), тем стабильнее будет режим работы при замене транзистора и изменении температуры окружающей среды, но тем больше будет ток, потребляемый каскадом от источника питания, поэтому сквозной ток делителя выбираем из компромиссных соображений. На практике сквозной ток делителя выбирают из условия I_Д = (3ч10) I_{Б рт}.

I_Д=10•0,04=0,4мА

Полагая

U_Rэ = I_{к рт •}R_Э =6.4•0.33=2,11 В

Рассчитаем сопротивление резистора R_Б2 по формуле:

Выберем стандартное значение сопротивления R_Б2 по ряду Е24 и пересчитаем ток делителя: R_б2=11кОм±5%

Рассчитаем сопротивление резистора R_Б1:

.

Выберем ближайшее стандартное значение сопротивления R_Б1 по ряду Е24. R_Б1=75кОм±5%

5. Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h_11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э и выходную проводимость h_22Э.

Входное сопротивление h_11Э = ДU_БЭ / ДI_Б при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ДU_БЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ДI_Б (рис. 4).



Рис. 4 Входная характеристика транзистора

Приращение ДU_БЭ следует брать как можно больше, но не заходя на явно нелинейные участки входной характеристики.

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э = ДI_К / ДI_Б при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_21Э необходимо задать приращение тока базы ДI_Б и определить соответствующее приращение тока коллектора ДIК (рис. 4).

Рис. 5 выходные характеристики транзистора



Поскольку параметр h_21Э определяется при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, то приращение тока базы надо задать так, чтобы токи базы отвечали условию U_КЭ = U_{КЭ рт} = const, а для этого они должны лежать на вертикальной прямой, проходящей через рабочую точку.

Выходную проводимость h_22Э = ДI_К / ДU_КЭ в режиме холостого хода на входе транзистора (I_Б = const) определяют также как и параметр h_21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_22Э необходимо задать приращение напряжения коллектор-эмиттер ДU_КЭ и определить соответствующее приращение тока коллектора ДI_К (рис. 4). Условию I_Б = const будут отвечать точки, лежащие на выходной характеристике, проходящей через рабочую точку транзистора. Поскольку выходные характеристики линейны в широком диапазоне напряжений, то приращение ДU_КЭ может быть достаточно большим, при этом его симметричность относительно рабочей точки не имеет значения.

Рис. 6 выходные характеристики транзистора

А/В

Четвертый параметр - коэффициент обратной связи по напряжению h_12Э по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. У маломощных транзисторов коэффициент обратной связи по напряжению h_12Э = (1ч10) 10-⁴.

h_12э=1•10^-4

6. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

Рассчитаем физические малосигнальные параметры П-образной схемы замещения биполярного транзистора (рис. 7). Эта схема известна также в литературе под названиями «гибридная схема замещения» и «схема замещения Джиаколетто».

Рис. 7 схема замещения биполярного транзистора.

Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база U_КБ = U_{КБ рт}:

,

где - емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база U_КБ = . Значения и возьмите из справочника, причем значение - из той же строки справочника, что и (колонка «Режимы измерения»).

Напряжение коллектор-база в рабочей точке U_{КБ рт} рассчитаем по формуле:

U_{КБ рт} = E - I_{К рт}R_К - (I_{К рт} +I_{Б рт})R_Э - U_{БЭ РТ}= 24 - 6,4*1,6 - (6,4 +0,04)0,33 - 0,65 =11В

Выходное сопротивление транзистора

Сопротивление коллекторного перехода транзистора

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера

Ом.

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы

Сопротивление базы транзистора ,

Диффузионная емкость эмиттерного перехода

,

где f_гр - граничная частота коэффициента передачи тока- частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером |h_21Э| = 1 (для граничной частоты часто используется международное обозначение f_т).

Крутизна транзистора

А/В

Следует иметь в виду, что формулы являются приближенными, и реальные значения параметров могут заметно отличаться от рассчитанных по этим формулам.

7. Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по мощности:



Входное сопротивление каскада:

Выходное сопротивление каскада:

8. Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B (рис. 8) с напряжением

Рис. 8 выходная характеристика

Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада U_{ВЫХ m} с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитуда U_{ВЫХ m} будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке U_{КЭ рт} и разности напряжений U_B - U_{КЭ рт} (рис. 9).

Рис. 9 входная характеристика

Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора i_К от напряжения база-эмиттер u_БЭ, для чего предварительно заготовьте следующую таблицу:

Таблица 2

IБ, мкА	0	10	20	30	40	50	60	70	80
UБЭ, В	0,51	0,58	0,62	0,645	0,65	0,655	0,66	0,665	0,67
IК, мА	0,1	1,2	3,1	4,8	6,4	8,3	10,1	11,7	13,6

Сквозную характеристику строят по нагрузочной прямой по переменному току. Количество столбцов в таблице будет равно количеству точек пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора. В таблице ДI_Б - шаг по току базы, с которым приведены выходные характеристики в справочнике.

Каждую точку пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора спроецируйте на ось токов. Полученные значения тока коллектора i_К1 - i_К6 занесем в таблицу.

Используя пары значений U_БЭ, I_К из таблицы, построим сквозную характеристику каскада, и определим наибольшую амплитуду входного сигнала U_БЭm.

При подаче на вход каскада гармонического колебания с амплитудой U_БЭm напряжение база-эмиттер будет изменяться в пределах от U_{БЭ рт} - U_БЭm до U_{БЭ рт} + U_БЭm). При увеличении амплитуды входного напряжения U_БЭm точки A и B будут удаляться от рабочей точки симметрично по оси напряжений. Найдем такое положение точек A и B, при котором они будут максимально удалены от рабочей точки, но не будут заходить на явно нелинейные участки сквозной характеристики. Нанесем точки A и B на график сквозной характеристики и запишите полученное значение максимальной амплитуды входного сигнала U_БЭm.

Оценим нелинейные искажения, вносимые каскадом, при максимальной амплитуде входного напряжения. Для оценки нелинейных искажений воспользуемся методом пяти ординат, который называют также методом Клина. Метод пяти ординат позволяет приближенно найти амплитуды первых четырех гармоник выходного колебания каскада и соответствующие коэффициенты гармоник.

Для использования метода пяти ординат постройте на сквозной характеристике точки C и D, которые должны быть удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала. В результате на сквозной характеристике получите пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых i_A, i_B, I_{К рт}, i_C, i_D, используются при расчете коэффициентов гармоник.

i_A=3,7

i_B=13,6

i_C=4,4

i_D=10

I_{k Рт}=6,4

Коэффициент второй гармоники:

Коэффициент третьей гармоники:

Коэффициент четвертой гармоники:

Интегральный коэффициент гармоник:

9. Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора R_К,

.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера R_Э,

.

Мощность, рассеиваемая резистором R_Б1 в цепи базы транзистора,

.

Мощность, рассеиваемая резистором R_Б2 в цепи базы транзистора,

.

При выборе номинальной мощности резисторов необходимо исходить из того, что рассеиваемая ими мощность должна быть меньше номинальной. Более того, для надежной работы резисторов рекомендуется, чтобы рассеиваемая мощность не превышала 0,7 от номинальной. Значения номинальной мощности рассеяния резисторов стандартизованы.

Допускаемое отклонение сопротивления резистора от номинального значения следует выбирать с учетом его влияния на значимые параметры каскада. Поскольку от сопротивления резисторов R_Б1, R_Б2, R_Э существенно зависит режим работы каскада, а от сопротивления резистора R_К - коэффициент усиления каскада по напряжению, то требования к допуску на сопротивление этих резисторов должны быть достаточно жесткими. Рекомендуется допуск 5%. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления резисторов стандартизованы

Большое количество типов резисторов, приводимых в справочниках, не означает, что все они могут быть использованы при проектировании. Многие из них уже не выпускаются или выпускаются, но их применение в новых разработках запрещено. Тип резисторов следует выбирать из числа перспективных резисторов общего применения, рекомендованных преподавателем.

Для выбора конденсаторов прежде всего необходимо знать их емкость. Рассчитаем емкость конденсаторов С_Б,С_К,С_Э по формулам ниже, полагая нижнюю граничную частоту полосы пропускания каскада f_н = 50 Гц. Сразу после расчета соответствующей емкости выберем ближайшее большее значение по ряду Е6. Поскольку минусовой допуск у конденсаторов с оксидным диэлектриком обычно составляет 20 %, то номинальная емкость конденсатора должна быть не менее чем на 20 % больше рассчитанного значения. Если это условие не выполняется, то следует взять следующее большее значение емкости по ряду Е6.

Для выбора конденсаторов необходимо также рассчитать рабочие напряжения, при которых они будут работать в усилителе. Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы С_Б

.

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора С_К

.

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера С_Э

.

Номинальное напряжение соответствующего конденсатора должно с некоторым запасом превышать рабочее напряжение, рассчитанное по формулам. Номинальные постоянные напряжения конденсаторов стандартизованы. Не следует применять конденсаторы с номинальным напряжением, значительно превышающем рабочее, так как при этом необоснованно увеличатся масса, габариты и стоимость усилителя.

Тип конденсатора следует выбирать по номинальной емкости и номинальному напряжению из числа перспективных конденсаторов с оксидным диэлектриком, рекомендованных преподавателем.

транзистор резистор каскад

Заключение

В ходе курсовой работы изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала. Выяснено, что коэффициенты гармоник и степень нелинейных искажений существенно зависят от амплитуды входного сигнала, то есть при уменьшении амплитуды искажения уменьшаются. Так же была построена принципиальная электрическая схема проектируемого усилительного каскада, с соответствующим перечнем элементов.

Список литературы

1. Основы схемотехники: методические указания к курсовой работе В.А. Матвиенко. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010 -33с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991

3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат,1985

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь,1982

Размещено на Allbest.ru

...