Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах. Расчет емкостей С1, С2, С3, С4 Выбор и обоснование элементной базы

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”

Начнем, пожалуй, с R э .

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к —–> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R кэ – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .

А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R э.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .

б) падение напряжения на резисторе R э – это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б – U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже I к

I к =β х I б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:

R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R э + R э = 300

11R э = 300

R э = 300 / 11 = 27 Ом

R к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :

I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U б = U бэ + U э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе

• 1. Выбираем тип транзисторов. Так как напряжение питания положительное, то для УНТ следует выбирать биполярные транзисторы структуры n-p-n. Должны выполняться условия:
  • а) В,
  • б) мА

В нашем примере выбираем транзисторы типа КТ3102A со следующими параметрами: в = 100; U к.э.макс.доп = 50В; I к.макс.доп. = 100мА; P к.макс.доп = 250мВт.

2. Определяем величину тока покоя в цепи коллектора по формуле:

3. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора (рис. 1). При выборе величины сопротивления R3 в цепи коллектора необходимо удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, желательно, чтобы сопротивление R3 было возможно больше по сравнению с величиной входного сопротивления последующего каскада. С другой стороны, увеличение R3 при заданном токе коллектора приводит к тому, что падение напряжения на этом сопротивлении увеличивается, а напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ уменьшается до недопустимо малой величины (в течение той части периода усиливаемого напряжения, когда коллекторный ток возрастает, напряжение Uкэ может упасть до нуля и транзистор перестанет усиливать). С учетом этих требований расчетная формула для определения R3 имеет вид:

Таким образом, с учётом допустимой мощности рассеяния рабочая точка выбрана правильно.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R 3 , cоставляет:

4. Определяем сопротивление резистора R4в цепи термостабилизации по формуле:

Мощность, рассеиваемая на резисторе R 4 , равна

При этом принимают ток эмиттера в режиме покоя I Эр примерно равным I кр. С учетом найденных значений R 3 , R 4 , Р R3 и Р R4 выбираем стандартные значения и тип резисторов R 3 и R 4 .

5. Находим емкость конденсатора С3:

где F н выражается в герцах,

R 3 -- в омах,

С 3 -- в микрофарадах.

Рабочее напряжение конденсатора С 3 должно превышать максимальное напряжение на резисторе R 4 . В транзисторных УНЧ обычно используются электролитические конденсаторы типа К50-6, К50-7, К50-9, К50-12, К50-15 и др.

6. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:

7. Определяем элементы делителя напряжения в цепи базы R 1 и R 2 (рис. 1). Принимаем падение напряжения на сопротивлении резистора R 5 фильтра:

Находим напряжение, подводимое делителю R 1 , R 2

Выбираем ток в цепи делителя из условия

Выбор и обоснование элементной базы

На основании приведенного выше расчета выбираем элементы (для схемы электрической принципиальной):

В качестве транзисторов VТ1был взят биполярный транзистор КТ3102Е, со следующими характеристиками:

структура: n-p-n;

максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: 20 В;

максимально допустимый постоянный ток коллектора: 100 мА;

максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора: 250мВт;

статический коэффициент передачи тока: 400-1000;

обратный ток коллектора не более: 0,015 мкА.

В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов в пункте 2.1. имеем:

R к = 350 Ом: МЛТ-0,125-350Ом2%;

R э = 62Ом: МЛТ-0,125-62Ом2%;

R б "= 4,4кОм: МЛТ-0,5-4,4кОм2%;

R б ""= 2,4 кОм: МЛТ-0,5-2,4кОм2%;

Министерство образования Российской Федерации

Ижевский государственный технический университет

Кафедра «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры»

Курсовая работа

“Расчет УНЧ на БПТ”

Выполнил: студент группы 671

А.Н. Кирдяшкин

Проверил: С. А. Дерендяев

Ижевск 2003 г.

1. Техническое задание.
2. Цель работы.
3. Принципиальная схема каскада.
4. Определение типа транзисторов.
5. Эквивалентная схема усилителя .
6. Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.
7. Вывод .
8. Литература .

Задание по работе:

• Коэффициент усиления – не менее 30дб;
• Полоса пропускания от 10 Гц до 10 КГц;
• Допустимая неравномерность частотной характеристики: Мн=Мв=1,41;
• Амплитуда входного сигнала – 10 мВ ;
• Входное сопротивление не менее 10 Ком;
• Сопротивление нагрузки не более 10 Ком;
• Емкость нагрузки – 50 пФ ;
• Напряжение источника- + 9В .

Цель работы: Научиться рассчитывать УНЧ на БПТ.

Требования, предъявляемые к усилителю.

Для того чтобы, спроектировать усилитель. Необходимо знать: выходную мощность усилителя P вых. , выходное напряжение U вых., или сопротивление нагрузки R н . Допустимый коэффициент гармоник К г, рабочий диапазон частот (f н и f в), частотные искажения на низшей и высшей рабочих частотах Мн. дБ и Мв дБ; входные данные: входное напряжение U вх, внутреннее сопротивление источника сигнала R и.

К роме указанных основных данных, должно быть известно назначение усилителя, условия его эксплуатации (например, диапазон измерения температуры окружающей среды и т. д.) , тип источника питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванический элемент и др.).

Последовательность расчета усилителя.

Проектирования усилителя начинают с составления блок-схемы и выбора ее элементов, исходя из предьявленых к усилителю требований. Типовая блок-схема усилителя с входным и выходным устройствами, предварительным и мощным усилителями изображена на рисунке.

При выборе блок-схемы решают, ли в проектируемом усилителе входное выходные устройства, мощный усилитель, предварительный усилитель. Составив блок-схему усилителя, выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств (реостатно-емкостные, трансформаторные), каскада мощного усилителя (одноактный, двухтактный, трансформаторный, бестрансформаторный), каскадов предварительного усиления (с прямой связью, реостатный, трансформаторный, инверсный и т. д.). После этого выбирают транзисторы для всех усилительных каскадов и находят число каскадов, исходя из заданной выходной мощности или выходного напряжения и напряжения источника сигналов, приближенно определив требуемый от каскадов коэффициент усиления. После чего составляют принципиальную ориентировочную схему усилителя и распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения. Распределение Мн и Мв производят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах, затем переходят к выбору режимов работы транзисторов и электрическому расчету деталей схемы. Расчет усилителя производят, начиная с оконечного каскада, затем рассчитывают предоконечный каскад т. д.

Выбор схемы оконечного каскада, транзистора для него, режима работы и способа включения.

В транзисторных усилителях звуковой частоты оконечный каскад обычно является каскадом мощного усиления должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшим потреблении мощности от источников питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. При проектировании оконечного каскада, прежде всего, решают, будет ли каскад одноактным или двухтактным. При этом учитывают, что двухтактный каскад отдает вдвое большую мощность, чем одноактный. Имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в три-пять раз большую пульсацию источника питания, но требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой, а также инверсную схему предыдущего каскада. Кроме того, двухтактная схема позволяет использовать экономичный режим. Во, что сильно уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя. При включении с общим эмиттером и общим коллектором транзисторы в плечах двухтактной схемы необходимо подбирать с одинаковыми значениями , а также по возможности с одинаковой граничной частотной.

Одноактный каскад имеет один транзистор и может быть использован только в режиме А, что увеличивает мощность источника питания. Он не требует инверсной схемы в предыдущем каскаде, допускает меньшую пульсацию источника питания, имеет более высокий коэффициент гармоник. Размеры выходного трансформатора у такого каскада больше из-за наличия постоянного подмагничивания.

Схема электрическая принципиальная УНЧ

Рис. 1

Задачи расчета.

Для расчета транзисторного каскада усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Р. вых, сопротивление нагрузки R .н., допустимый коэффициент гармоник К. г, низшую и высшую рабочие частоты f н и f в, допустимые коэффициенты частотных искажений каскада Мн и Мв, низшую и высшую температуру окружающей среды Т окр. макс. И Токр. мин. Кроме того, должен быть известен тип источника питания (сеть переменного тока, сухие батареи, аккумуляторы). В расчет каскада усилителя входит: выбор напряжения источника питания, если оно не задано, выбор точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока и напряжения смешения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности Р-, определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопротивления каскада, расчет коэффициента гармоник каскада Кг, расчет сопротивлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необходима. К расчету каскада усилителя также относится расчет электрических данных выходного трансформатора, его конструктивный расчет и расчет радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Конструкция радиаторов, охлаждающих, транзисторы каскадов может быть различной. Радиатор выполняют из металла с высокой теплоотводностью обычно из алюминия.

Определение типа транзисторов .

Для усилительного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f  , величине тока покоя коллектора I K0 , и наибольшему допустимому напряжению коллектора U КЭ доп. .

Граничная частота передачи тока базы f  должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя f в :

f  5 f В = 50000 Гц.

Ток покоя коллектора выбирается из условия I К доп. > I К0 > 1.5 I Н, , где k =20 lg (U Н / U 1 ), U Н =100 mB , I Н = U Н / R Н =100мВ/10кОм=10 мкА. I К доп. > I К0 > 1.5*10 mkA =15 mkA .

Напряжение питания усилителя Е к должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения коллектора, т.е. меньше 0.8 U КЭ доп. .

U КЭ доп =30В, зададимся E К =9В<0,8* U КЭ доп =0,8*30=24В.

Поставленным требованиям удовлетворяет импортный транзистор Q 2 N 3904.

Его параметры:

– f  = 250 МГц

– I К доп. = 100 мА >> 1.5 I К = 1 мА

– U КЭ доп. = 25 В. Зададимся Е К = 9В < 0.8U КЭ доп. = 24В.

Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет номиналов элементов усилителя.

Расчет выходного каскада с общим эмиттером:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку,

для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора I К , I К0 =10м A , U КЭ =1/2* Е К =4,5 B .

DesignLab R 1  Е П / I kmax =418Ом.

Задав параметры схемы, построим график рисунок 2.

Рис. 2

К0 =10м A , U КЭ =4,5 B .  I Б =25мк A .

Построим входную характеристику транзистора рисунок. 3.

рис. 3

Расчет.

Сопротивление нагрузки: R Н =10кОм.

Находим амплитуду выходного сигнала: K =20 lg (U Н / U 1 ), выражаем U Н , U Н =250 mB .

Ток коллектора покоя: I К0 =10м A .

По входной характеристике рис. 3 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: U БЭ0 =0,667 B , I Б0 =0,05м A .

r ВХ =  U /  I =(0,680-0,654)/(0,078-0,03)=0,8кОм.

Сопротивление в цепи коллектора R K рассчитывается: R K =(E П - U КЭ )/ I К0 =(9-4,5)В/10м A =450Ом.

Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера R Э . Для этого, прежде всего, зададимся падением напряжения на нем:U Rэ =0.2 E П =1,8В

Отсюда R Э2 = U R Э / I Э0  U R Э / I K 0 = 180Ом.

R 4 : R 4 =(E П - U Э0 - U БЭ0 )/(I Б0 + I Д ), где U Э0 =0.2 E П =1,8В. I Д =(2-5) I Б0 =0,15м A .

R 4 =(9-1,8-0,667)/(0,05+0,15)=32,6кОм.

Сопротивление делителя: R 5 =(U Э0 + U БЭ0 )/ I Д =(1,8+0,667)/0,15=16кОм.

R ВЫХ =450Ом.

R ВХ =[(R 4 R 5 )/(R 4 + R 5 )]* r ВХ /[(R 4 R 5 )/(R 4 + R 5 )]+ r ВХ =(10,8*0,8)/(10,8+0,8)=0,7кОм.

Расчет входного каскада с общим коллектором:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку, для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора I К , I К0 =5м A , U КЭ =1/2* Е К =4,5 B .

Построим выходную характеристику транзистора, для этого в DesignLab ’е выполним схему включения транзистора с общим эмиттером, где R 1  Е П / I kmax =850Ом. Задав параметры схемы, построим график рисунок 2 .

рис. 4

Рабочая точка имеет следующие координаты I К0 =5м A , U КЭ =4,5 B ,  I Б =25мк A .

Построим входную характеристику транзистора рис. 4.

Расчет

Сопротивление нагрузки: R Н =0,7кОм.

Ток коллектора покоя: I К0 =5м A .

По входной характеристике рис. 4 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: U БЭ0 =0,650 B , I Б0 =0,025мА.

Напряжение коллектор – эмиттер покоя: U КЭ0 =(0,4-0,45) E П =0,4*9=3,6В.

Входное сопротивление транзистора, характеризуется сопротивлением цепи база – эмиттер: r ВХ =  U /  I =1кОм.

Сопротивление эмиттера R 3 : R 3 =(E П - U КЭ0 )/ I Э =(9-3,6)/5м=1кОм.

Рассчитываем сопротивление делителя R 2 : R 2 =(E П - U КЭ0 - U БЭ0 )/ I Б0

R 2 =(9-3,6-0,650)/0,025=190 кОм .

Выходное сопротивление каскада: R ВЫХ = R Э  r К(Э) , где r Э =  Т /(I К0 + I Б0 ), r Э =26/(10+0,025)=2,6Ом, R ВЫХ =1000*2,6/(1000+2,6)=2,6Ом.

Входное сопротивление каскада: R ВХ =(1+  )(R 3 * R Н )/(R 3 + R Н ).

рис . 5

где  =  h 21 Э min * h 21 Э max =  400 * 1000 = 632. R ВХ =(1+632)(1*0,7)/(1+0,7)=260кОм.

Входное сопротивление усилительного каскада: R ’ ВХ = R ВХ  R 2 = (260*190)/(260+190) =110кОм.

Расчет емкостей С 1 , С 2 , С 3 , С 4 .

Для расчета разделительных конденсаторов С 1 , С 2 , С 3 необходимо задаться коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте М НР , вносимых этим конденсатором, распределяя заданные допустимые искажения M Н = 1.41 дБ между разделительным. С р. и блокировочным С 4 конденсаторами.

Блокировочный конденсатор. С: С Э =(10 – 20)/2  f Н R 7 , где f Н =10Гц.

С Э =10/6,28*10*180=884мкФ.

Разделительные конденсаторы С 1 , С 2 , С 3 : С 1 =1/(2  f Н *(R 1 + R ’ ВХ )*  М Н 2 -1), где М Н =1,41, С 1 =1/(6,28*10*142010*0,994)=112нФ.

С 2 =1/(2  f Н *(R ВЫХ + R ВХ )*  М Н 2 -1), С 1 =1/(6,28*10*8405*0,994)=1,2мкФ.

С 3 =1/(2  f Н *(R ВЫХ + R ВХ )*  М Н 2 -1), С 1 =1/(6,28*10*10002,6*0,994)=1,6мкФ.

Эквивалентная схема усилителя.

			Rк1	rвх1	rвх2	Rвых1	Rвых2	Cр1	Cр2	h21Iб1	h21Iб2
0,2МОм	32,6кОм	16кОм	0,4кОм	1кОм	0,8кОм	2,6Ом	450Ом	112нФ	1,2мкФ	10мА	20мА

Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.

Для построения АЧХ и ФЧХ характеристик, в DesignLab ’е выполним схему усилительного каскада низкой частоты, который представлен на рис. 6

Рис. 7

Задав номиналы элементов, зайдем в диалоговое окно и выберем меню Analysis режима Setup (устанавливаем параметры). В меню Analysis режима Setup строим графики, которые представлены на рисунке 7.

Мы наблюдаем на рисунке 7, что полоса пропускания немного уже (не соответствует техническим характеристикам), для того чтобы расширить полосу пропускания будем изменять емкость разделительных конденсаторов, т.е. увеличивать. Также изменим амплитуду, для этого будем изменять сопротивление R 7. Рис. 8

АЧХ ФЧХ

рис. 8

Изображаем графики с новыми параметрами.

Вывод.

В курсовом проекте, я научился: вычислять АЧХ и ФЧХ усилителя по полученной функции, составлять эквивалентную схему, рассчитывать номиналы пассивных элементов, сравнивать результаты.

Список литературы .

1. Ю. А. Буланов, С. Н. Усов “Усилители и радиоприемные устройства” Москва “Высшая школа” 1980.
2. И. П. Жеребцов “Основы электроники” ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1985г.
3. Г. В. Войшвилло “Усилительные устройство” Москва “Радио и связь” 1983.
4. И. П. Степаненко “Основы теории транзисторов и транзисторных схем” “Энергия” Москва 1967.
5. А. В. Цыкина “Проектирование транзисторных усилителей” “Связь” Москва 1965.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Усилители являются одними из самых распространен­ных. электронных устройств, применяемых в системах ав­томатики и радиосистемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или не­скольких каскадов усиления. При этом все каскады уси­лителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: равные токи, напряжения, разные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усиления наибольшее применение получили резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного усилительные схемы получили следующие названия:

1. С общим эмиттером - ОЭ (Error: Reference source not found1).

2. С общей базой - ОБ (Error: Reference source not found).

3. С общим коллектором (эмиттерный повторитель) - ОК (Error: Reference source not found3).

Наиболее распространенной является схема каскада ОЭ, так как она обеспечивает наибольшее усиление сиг­нала по мощности. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель об­ладает наибольшим из всех трех схем входным и наи­меньшим выходным сопротивлениями, поэтому его при­меняют в тех случаях, когда эта особенность позволяет согласовать те или иные звенья усилителя в целях улучшения качества усиления.

Рассмотрим усилительный каскад с ОЭ. При расчете кас­када усилителя обычно явля­ются известными:1) R н – сопротивление нагрузки, на кото­рую должен работать рассчи­тываемый каскад. Нагрузкой может являться и аналогичный каскад; 2) I н.м – необходимое значение амплитуды тока на­грузки; 3) допустимые частот­ные искажения; 4) диапазон рабочих температур; 5) в большинстве случаев является заданным напряжение источника питания коллекторной цепи.

В результате расчета должны быть определены: 1) тип транзистора; 2) режим работы выбранного транзистора; 3) параметры каскада; 4) значения всех эле­ментов схемы (резисторы, конденсаторы), их параметры и типы.

Расчет усилителей

Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения низкой частоты

с реостатно-емкостной связью

Последовательность расчета приводится для транзи­стора, включенного по схеме ОЭ (общий эмиттер) На рис. 1 дана схема каскада усилителя.

Исходные данные: 1) напряжение на выходе каскада U вых.м (напряжение на нагрузке); 2) сопротив­ление нагрузки R н ; 3) нижняя граничная частота f н ; 4) допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частот М н ; 5) напряжение источника питания Е П .

Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора; 3) сопротивление коллекторной нагрузки R K ; 4) сопротивление в цепи эмиттера R Э ; 5) сопротивле­ния делителя напряжения R 1 и R 2 стабилизирующие ре­жим работы транзистора; 6) емкость разделительного конденсатора С Р; 7) емкость конденсатора в цепи эмитте­ра С Э ; 8) коэффициент усиления каскада по напряже­нию К U .

Порядок расчета

1. Выбираем тип транзистора, руководствуясь следу­ющими соображениями:

а) U кэ.доп  (1,11,3)Е П , U кэ.доп – наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках;

б)

I н.М – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки; I к.доп – наибольший допусти­мый ток коллектора, приводится в справочниках.

Примечания: 1) Заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор.

2. Для выбранного типа транзистора выписать из справочника значения коэффициентов усиления по току для ОЭ  мин и  М. В некоторых справочниках дается ко­эффициент усиления  по току для схемы ОБ и началь­ный ток коллектора I к.н. . Тогда =/(1-) (при выборе режима работы транзистора необходимо выполнение ус­ловия I к.мин  I к.н ). Для каскадов усилителей напряжения обычно при­меняют маломощные транзисторы типа П6; П13; П16; МП33; МП42 и др.

3. Режим работы транзистора определяем по нагрузоч­ной прямой, построенной на семействе выходных статиче­ских (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на Error: Reference source not foundНагрузочная прямая строится по двум точкам: т.0 – точка покоя (рабочая) и т.1, которая определяется величиной напряжения источника питания Е П . Координатами т.0 являются ток покоя I к0 и напряжение покоя U кэ0 (т.е. ток и напря­жение, соответствующие U вх =0).

Можно принять I к0 = (1,05-1,2)I вых  (1,05-1,2)I н.М, но не меньше l мА:

U кэ0 = U вых.м + U ост,

где U ост - наименьшее допустимое напряжение U кэ.

При U кэ <U ост возникают значительные нелинейные искажения, так как в рабочую зону попадают участки характеристик, обладающие большой кривизной. Для маломощных транзисторов можно принять U oc т = l В.

4. Определяем величины сопротивлений R К и R Э .

По выходным характеристикам (Error: Reference source not found) определяем R об = R К + R Э . Общее сопротивление в цепи эмиттер-коллектор

г
де I – ток, определяемый т.4, т.е. точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов.

П
ринимая R Э =(015  0,25)R К, получим

R Э = R об – R К

5. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I вх.м и напряже­ния U вх.м, необходимые для обеспечения заданно­го значения, U вых.м. За­давшись наименьшим значением коэффициента усиления транзистора по току  мин получим:

т
огда

По входной статической характеристике для схемы с ОЭ, снятой при U кэ = –5В (Error: Reference source not found), и найденным значениям I б. min и I б. max находят величину 2 U вх.m .

6. Определяем входное сопротивление R вх каскада переменному току (без учета делителя напряжения R 1 и R 2 ):

7
. Определяем сопротивления делителя R 1 к R 2 . Для уменьшения шунтирующего действия делителя на вход­ную цепь каскада по переменному току принимают

R
1-2  (8  12) R вх~

8. Определяем коэффициент стабильности работы каскада:

где  М – наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа транзистора.

Для нормальной работы каскада коэффициент стабильности S не должен превышать нескольких единиц. (s
)

9. Определяем емкость разделительного конденсатора С р:

где R вых.Т – выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случаев R вых.Т >>R К , поэтому можно принять R вых  R К + R Н .

принимают к установке

10. Определяем емкость конденсатора

1
1. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Примечание. Приведенный порядок расчета не учитывает требований на стабильность работы каскада.

Министерство образования РФ

Уральский Государственный Технический Университет

Кафедра Автоматика и управление в технических системах

РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

НА ТРАНЗИСТОРЕ КТ3107И

Курсовая работа по

Электронике

Студент гр. Р-291а А.С. Клыков

Преподаватель

доцент, к.т.н. В. И. Паутов

Екатеринбург 2000

1. Предварительные данные для расчета усилителя 3

2. Выбор транзистора4

3. Расчет режима транзистора по постоянному току 4

4. Выбор напряжения источника питания 5

5. Расчет элементов, обеспечивающих рабочий режим тр-ра5

6. Расчет емкостей С ф, С 1 , С 2 , С э 7

7. Результаты расчета8

8. АЧХ и ФЧХ усилителя 9

9. Список литературы 10

1. Предварительные данные для расчета усилителя

U Н = 0.2 В

R Н = 0.3 кОм

R С = 0.5 кОм

t max = 70 0 C

f н = 50 Гц

f в = 25 Гц

2. Выбор транзистора.

Для выбранного транзистора добротность D т:

где r¢ б – объемное сопротивление базы, равное 150 Ом C к – емкость коллекторного перехода

По расчетным данным и из условий: Р к max >Р к, B min ³ B необх, ¦ в ³¦ в,необх выбираем транзистор КТ3107И

3. Расчет режима транзистора по постоянному току.

Ток коллектора I к определяем по формуле:
где R вх = В * r э = 1к9 - входное сопротивление каскада Е с – источник сигнала
Напряжение на оллекторе-эмиттере U кэ:Рабочая точка транзистора =1.5 В

I 0 к = 1.82 В

4. Выбор напряжения источника питания.

Найдем R э по формуле:

где S – температурный коэффициент

R б = (5¸10) R вх = 5*1900 = 9500 Ом – общее сопротивление базы

Найдем U б:
Определим R ф:

По ГОСТу выбираем:

R 1 = 6к0 R 2 = 16к0 R э = 3к2 R ф = к45

Проверим выполнение неравенства:

I 0 к * R э + U 0 кэ + I 0 к * R к + (I 0 к + I д ) * R ф ³ Е к

5.824 + 1.5 + 2.5 + 1.179 ³ 5

11 ³ 5 – неравенство выполняется

Определим для повторителя R э2:

U Б2 = U К1 = I 0 э *R э + U 0 Кэ = 1.82мА * 3.2кОм + 1.5В = 7.32 В

U Бэ2 = r¢ б * I 0 э = 150 * 1.82мА = 0.27 В

Найдем R вх2 и R вых2:
Коэффициент усиления первого каскада:
6. Расчет емкостей С ф, С 1 , С 2 , С э.

где К СГ = 40 – коэффициент сглаживания

f П = 100 Гц – основная частота пульсации ист.питания

8. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.
10	20	30	40	60	100	160	320	640	1280	2560	5120	10240	20480	40960	81920	163840
1	1.30103	1.47712125	1.60205999	1.77815125	2	2.20411998	2.50514998	2.80617997	3.10720997	3.40823997	3.70926996	4.01029996	4.31132995	4.61235995	4.91338994	5.21441994
62.8	125.6	188.4	251.2	376.8	628	1004.8	2009.6	4019.2	8038.4	16076.8	32153.6	64307.2	128614.4	257228.8	514457.6	1028915.2
0.2	0.4	0.6	0.8	1.2	2	3.2	6.4	12.8	25.6	51.2	102.4	204.8	409.6	819.2	1638.4	3276.8
5	2.5	1.66666667	1.25	0.83333333	0.5	0.3125	0.15625	0.078125	0.0390625	0.01953125	0.00976563	0.00488281	0.00244141	0.0012207	0.00061035	0.00030518
0.4	0.8	1.2	1.6	2.4	4	6.4	12.8	25.6	51.2	102.4	204.8	409.6	819.2	1638.4	3276.8	6553.6
4.6	1.7	0.46666667	-0.35	-1.56666667	-3.5	-6.0875	-12.64375	-25.521875	-51.1609375	-102.380469	-204.790234	-409.595117	-819.197559	-1638.39878	-3276.79939	-6553.59969
25	6.25	2.77777778	1.5625	0.69444444	0.25	0.09765625	0.02441406	0.00610352	0.00152588	0.00038147	9.5367E-05	2.3842E-05	5.9605E-06	1.4901E-06	3.7253E-07	9.3132E-08
0.16	0.64	1.44	2.56	5.76	16	40.96	163.84	655.36	2621.44	10485.76	41943.04	167772.16	671088.64	2684354.56	10737418.2	42949673
0.21242964	0.50702013	0.90618314	0.94385836	0.53803545	0.27472113	0.16209849	0.07884425	0.03915203	0.01954243	0.00976702	0.00488299	0.00244143	0.00122071	0.00061035	0.00030518	0.00015259
1.35673564	1.03907226	0.43662716	-0.33667482	-1.00269159	-1.29249667	-1.40797942	-1.49187016	-1.53163429	-1.55125265	-1.56102915	-1.56591332	-1.5683549	-1.56957562	-1.57018597	-1.57049115	-1.57064374