1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА
В задаче№ 1:
- тип структуры транзистора n-p-n;
- напряжение источника питания Еп=6В;
- амплитуда тока нагрузки Iнм=7,5 мА;
- сопротивление нагрузки Rн=400 Ом;
- максимальное напряжение нагрузки Uн.м.=3В;
- нижняя частота входного сигнала Fн= 140 Гц;
- коэффициент частоты искажений Мн=1,2;
- диапазон рабочих температур + (25¸27)°С;
В задаче№ 2:
параметрыэлементов схемы и транзистора R1= 500 кОм, R2=57 кОм, Rс=3,7 кОм, Rи=1,2 кОм, Rн=10 кОм, Rг=10 кОм, g11=0,2∙10-6 (1/Ом), g12=0,1∙10-6 (1/Ом), g21=4,7∙10-3 (1/Ом),g22=35∙10-6 (1/Ом).
4. Содержаниепояснительной записки — в соответствии с методическими указаниями к РГР.
СОДЕРЖАНИЕ
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Расчёт параметров усилителя низкойчастоты на биполярном транзисторе
1.1 Схема транзисторного усилителянизкой частоты
1.2 Выбор биполярного транзистора
1.3 Выбор положения рабочей точки
1.4 Расчет параметров элементов схемы
1.5 Расчет параметров усилительногокаскада на биполярном транзисторе
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВУСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Список литературы
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯЧАСТЬ
1.РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
1.1Схема транзисторного усилителя низкой частоты
Упрощеннаясхема каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа р-n-р, включенного по схеме ОЭ,приведена на рисунке 1. На схеме обозначены: R1, R2 — резисторы входного делителя,обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора, Rк, Rэ — соответственно коллекторный и эмиттерныйограничивающие резисторы, Rн — сопротивление нагрузки. В простейшемслучае резисторы R2 и Rэ могут отсутствовать (R2= ∞, Rэ=0), Rг — внутреннее сопротивление источникасигнала (генератора). Свх, Ср — разделительныеконденсаторы. Резистор Rэ и конденсатор Сэ образуютцепь отрицательной обратной связи по току эмиттера. Полагаем, что на вход (набазу транзистора) относительно общей точки подаётся синусоидальный входнойсигнал с такой амплитудой, чтобы каскад работал в квазилинейном режиме и нанагрузке выделялся усиленный синусоидальный сигнал. Это обеспечивается соответствующимвыбором положения рабочей точки на характеристиках транзистора.
/>
Рисунок 1 — Схема каскадаусилителя низкой частоты на биполярном транзисторе
1.2 Выборбиполярного транзистора
В исходных данных указаны ток имощность нагрузки, по которым следует определить конкретный тип и маркутранзистора из следующих соображений:
а) Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером выбирается на (10-30)% большенапряжения источника питания
/>
/>
где Uкэ доп — допустимое напряжение по условиямпробоя р-n-перехода.
б)Максимальный (допустимый) ток коллектора должен быть в (1,5¸2) раза больше тока нагрузки
Iк.доп.³ 2Iнм
где /> мА — амплитуда тока нагрузки;
Iк.доп. — допустимое (по условиям нагрева) значение тока коллектора.
В общемслучае нужно учитывать значение температуры окружающей среды, в зависимости откоторой значение допустимого тока изменяется. В данном расчете предполагается«нормальная» температура окружающей среды + (25¸27)°С.
Вышеперечисленнымтребованиям удовлетворяет транзистор МП25А. Он имеет следующие параметры:
Uкэм = 40В,Iкм=80мА, Pкм=0,2Вт, />(В расчётах />), />, />, />.
Еговходные и выходные характеристики изображены на рисунке 3.
1.3 Выборположения рабочей точки
Расчетпараметров графоаналитическим способом основан на использовании нелинейныхстатических характеристик. В первую очередь на семействе выходных характеристикизобразим кривую ограничения режима работы транзистора по мощности Ркт.Она строится согласно уравнению Ркm= UкэIк. Задаваясь значениями Uкэ, находим Iк по заданному (паспортному) значениюРк.
Таблица1Uкэ, В 4 8 10 16 20 Iк, мА 50 25 20 12,5 10
Далее насемействе выходных характеристик (рисунок 3) проводим нагрузочную линию,используя уравнение для коллекторной цепи
/>
Полагая Uкэ = 0 В, получим
/>
где Rобщ = Rк + Rэ — суммарное сопротивление в выходной цепи транзистора.
Полагая Iк = 0, имеем Uкэ = Eп=6 В.
Так как Rобщ пока неизвестно, используем две точки (рисунок 3): точку А скоординатой (Еп, 0) и выбранную по некоторым соображениям точку Р.
Положениеточки Р нужно выбрать из следующих соображений:
а) точке Р соответствует значение тока Iкр/> 1,2Iим/>13,4мА и значение напряженияUкэр/> (Uвых.+Uост)=3+1=4 В,
где Iкр — постоянная составляющая тока коллектора;
Iим — амплитуда переменной составляющейтока коллектора (тока нагрузки);
Uкэр — постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.
Uост маломощных транзисторов принимаетсяориентировочно равным 1В.
б) точка Р должка располагаться в области значений токов и напряжений, непопадающих в верхнюю область, ограниченную кривой Ркм (рисунок 3).
Определивкоординаты точки Р проводим на семействах выходных характеристик нагрузочнуюпрямую APD (рисунок 3) и определяем значениетока базы Iбр, соответствующее выбранному значениютока коллектора Iкр: Iбр =0,6 мА. По значению тока базы Iбр определяем положение точки P1 на входной характеристике (рисунок 4).
Определяемзначения токов Iкм и Iк.min:
Iкм = Iкр+ Iим=15+7,5=22,5 мА,
Iк.min =Iкр -Iим=15-7,5=7,5 мА,
где Iнм — амплитуда переменной(синусоидальной) составляющей тока нагрузки.
Откладываяпо оси токов значения Iкм, Iк.min находим на нагрузочной линии точки В и С, которымсоответствуют значения токов базы Iбм=0,9 мА, Iб.min=0,3 мА и значения напряжений Uкэм=5,2 В, Uкэ.min=3,4 В. Амплитуду синусоидальнойсоставляющей напряжения коллектор-эмиттер находим из соотношения:
/>
1.4Расчет параметров элементов схемы
1.Определяем значения сопротивлений Rк и Rэ.
/>кОм,
где IКЗ — ток, определяемый по точкепересечения прямой АР с осью токов (точка D на рисунке 3).
ПринимаяRэ=(0,l¸0,15)Rк, находим
/> Ом,
Rэ=Rобщ-Rк=15,7Ом.
2.Находим сопротивления резисторов Rl, R2. С целью уменьшения влияния делителя напряжения Rl R2 на входной сигнал обычно выбирают
/>
где Rвх — входное сопротивление попеременному току
/> Ом.
ЗначенияUвхм и Iвхм определяются по входной характеристике (рисунок 4):
Значениесопротивления резистора R1 можно определить из соотношения
/> кОм,
полученногоиз уравнения напряжений для контура цепи: общая точка – Rэ -эмиттерный переход – R2 — общая точка в предположении, что Uэб />. Из последнего соотношения можно находим значениесопротивления резистора R2=127 Ом.
3.Определяем емкость конденсаторов Ср и Сэ:
/>мкФ,
/>мкФ,
где: fH — нижняя частота полосы пропускания,Гц;
Мн — коэффициент частотных искажений а области низких частот (принимаем Мн=1,2для упрощения).
1.5Расчет параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе
Используяграфики входной и выходных характеристик, можно найти параметры усилительногокаскада:
а)Коэффициент усиления по напряжению
/>раз; KU, дб=20lgKU=48,7 дБ.
б)Коэффициент усиления по току
/>раз; Ki, дб=20lgKi=18,41дБ.
в)Коэффициент полезного действия (КПД):
/>
где: Рн — мощность нагрузки максимальная (выходная);
Рр — мощностьисточника, затраченная на обеспечение режима работы Мощность переменного тока нагрузки
Pн=0,5Uнм×Iнм=0,5∙3∙0,0015=172,5 мВт.
Мощность, затрачиваемаяисточником питания на обеспечение режима работы определяется по координатамточки Р (см. рисунок 3)
Pр=Uкэр×Iкр=4,2∙0,015=63 мВт.
г) Мощность генераторавходного синусоидального сигнала
Pвх=0,5Iбм×Uбэм=0,5∙0,0009∙0,18=81 мкВт.
д) Коэффициент усиленияпо мощности
/> Kр, дб=10lgKр=33,282 дБ.
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Схема усилительногокаскада на полевом транзисторе с управляющими p-n-переходом и каналомр-типа показана на рисунке 5. Транзистор включён по схеме с общим истоком.
/>
Рисунок 5- Схема усилительного каскада на полевом транзисторе.
В расчёте используемупрощённую схему замещения транзистора, показанную на рисунке 5, где обозначены:
g11 — входная проводимость, См;
g12U2 — входной ток, обусловленный влиянием выходной цепи навходную;
g12 — проводимость передачи напряжения;
g21 ×U1 -выходной ток, обусловленный проводимостью передачитока g21;
g22 — выходная проводимость транзистора,См.
Схема замещенияусилительного каскада показана на рисунке 6. В целях упрощения в схемеотсутствует проводимость g11 и источник g12U2 ввиду их незначительной величины.Сопротивления резисторов Rз1 и Rи1 определяется из соотношений:
/> кОм,
/> кОм.
где: Rз1 — эквивалентное сопротивление цепизатвора;
Rн1 — эквивалентное сопротивлениевыходной цепи.
Коэффициентусиления по напряжению определяется по выражению
/>
Коэффициентусиления по току
/>
Коэффициент усиления помощности
Кр=КU ×Кi=/>∙/>=687.791 раз.
Входное сопротивлениекаскада
Rвх=Rз1=/>кОм.
Выходное сопротивлениекаскада
/> Ом,
где: Uxx — напряжение на выходе при разрывецепи нагрузки (холостой ход);
Iкз — ток на выходе при короткомзамыкании выводов нагрузки.
/>
Рисунок6 – Упрощённая схема замещения усилительного каскада на полевом транзисторе
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. Полупроводниковые приборы:транзисторы. Справочник / Под общей редакцией Горюнова Н.Н. — М.:Энергоатомиздат, 1985. — 904 с.
2. Жеребцов И.П. Основы электроники. — Л.: Энергоатомиздат, 1989.- 352 с.
3. Опадчий Ю.Ф., Грудкин, О.П., ГуровА.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая линия — Телеком, 2002, — 768 с.