Розрахунок параметрів і режимів роботи транзисторних каскадів підсилювача низької частоти

1.Ісходние ДАНІ ДЛЯ РОЗРАХУНКУ

У задачі № 1:

- тип структури транзистора npn;

- напруга джерела живлення Е _п = 6 В;

- амплітуда струму навантаження I _нм = 7,5 мА;

- опір навантаження R _н = 400 Ом;

- максимальна напруга навантаження U _м.м. = 3 В;

- нижня частота вхідного сигналу F _н = 140 Гц;

- коефіцієнт частоти спотворень М _н = 1,2;

- діапазон робочих температур + (25¸27) ° С;

У задачі № 2:

параметри елементів схеми і транзистора R ₁ = 500 кОм, R ₂ = 57 кОм, R _з = 3,7 кОм, R _і = 1,2 кОм, R _н = 10 кОм, R _г = 10 кОм, g ₁₁ = 0, 2 ∙ 10 ^-6 (1 / Ом), g ₁₂ = 0,1 ∙ 10 ^-6 (1 / Ом), g ₂₁ = 4,7 ∙ 10 ^-3 (1 / _Ом), g ₂₂ = 35 ∙ 10 ^{- 6} (1 / Ом).

4. Зміст пояснювальної записки - відповідно до методичних вказівок до РГР.

ЗМІСТ

РОЗРАХУНКОВО-Графічна частина

1. Розрахунок параметрів підсилювача низької частоти на біполярному транзисторі

1.1 Схема транзисторного підсилювача низької частоти

1.2 Вибір біполярного транзистора

1.3 Вибір положення робочої точки

1.4 Розрахунок параметрів елементів схеми

1.5 Розрахунок параметрів підсилювального каскаду на біполярному транзисторі

2. АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ каскадів на польових транзисторах

Список літератури

РОЗРАХУНКОВО-Графічна частина

1. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ПІДСИЛЮВАЧА НИЗКОЮ частоти на біполярних транзисторах

1.1 Схема транзисторного підсилювача низької частоти

Спрощена схема каскаду, виконаного на біполярному транзисторі типу р-n-р, включеного за схемою ОЕ, наведена на малюнку 1. На схемі позначені: R _1, R ₂ - резистори вхідного дільника, що забезпечує потрібне зміщення на базі транзистора, R _до, R _е - відповідно колекторний і емітерний обмежують резистори, R _н - опір навантаження. У найпростішому випадку резистори R ₂ і R _е можуть бути відсутніми (R ₂ ^{= ∞,} R _е = 0), R _г - внутрішній опір джерела сигналу (генератора). З _вх, С _р - розділові конденсатори. Резистор R _е і конденсатор С _е утворюють ланцюг негативного зворотного зв'язку по струму емітера. Вважаємо, що на вхід (на базу транзистора) щодо загальної точки подається синусоїдальний вхідний сигнал з такою амплітудою, щоб каскад працював в квазілінійну режимі і на навантаженні виділявся посилений синусоїдальний сигнал. Це забезпечується відповідним вибором положення робочої точки на характеристиках транзистора.

Малюнок 1 - Схема каскаду підсилювача низької частоти на біполярному транзисторі

1.2 Вибір біполярного транзистора

У вихідних даних вказано ток і потужність навантаження, за якими слід визначити конкретний тип і марку транзистора з таких міркувань:

а) Допустима напруга між колектором і емітером вибирається на (10-30)% більше напруги джерела живлення

де U _{ке доп} - допустима напруга за умовами пробою р-n-переходу.

б) Максимальний (допустимий) струм колектора повинен бути в (1,5¸2) рази більше струму навантаження

I _к.доп. ³ 2I _нм

де мА - амплітуда струму навантаження;

I _к.доп. - допустимий (за умовами нагріву) значення струму колектора.

У загальному випадку потрібно враховувати значення температури навколишнього середовища, в залежності від якої значення допустимого струму змінюється. В даному розрахунку передбачається «нормальна» температура навколишнього середовища + (25¸27) ° С.

Перерахованим вище вимогам задовольняє транзистор МП25А. Він має наступні параметри:

Uкем = 40В, IКМ = 80мА, Pкм = 0,2Вт, (В розрахунках ), , , .

Його вхідні і вихідні характеристики зображені на малюнку 3.

1.3 Вибір положення робочої точки

Розрахунок параметрів графоаналітичним способом заснований на використанні нелінійних статичних характеристик. В першу чергу на сімействі вихідних характеристик зобразимо криву обмеження режиму роботи транзистора по потужності Р _кт. Вона будується відповідно до рівняння Р _{до m} = U _ке I _к. Переймаючись значеннями U _ке, знаходимо I _до по заданому (паспортному) значенню Р _к.

Таблиця 1

Далі на сімействі вихідних характеристик (рисунок 3) проводимо навантажувальну лінію, використовуючи рівняння для колекторної ланцюга

Вважаючи U _ке = 0В, отримаємо

де R _заг = R _до + R _е - сумарний опір у вихідному ланцюзі транзистора.

Вважаючи I _к = 0, маємо U _ке = E _п = 6 В.

Так як R _заг поки невідомо, використовуємо дві точки (рисунок 3): точку А з координатою (Е _п, 0) і обрану за деякими міркувань точку Р.

Положення точки Р потрібно вибрати з таких міркувань:

а) точці Р відповідає значення струму I _кр 1,2I _їм 13,4мА і значення напряженіяU _Кер (U _вих. + U _ост) = 3 + 1 = 4 В,

де I _кр - постійна складова струму колектора;

I _їм - амплітуда змінної складової струму колектора (струму навантаження);

U _Кер - постійна складова напруги колектор-емітер.

U _ост малопотужних транзисторів приймається орієнтовно рівним 1В.

б) точка Р должка розташовуватися в області значень струмів і напруг, що не потрапляють у верхню область, обмежену кривою Р _км (рисунок 3).

Визначивши координати точки Р проводимо на родинах вихідних характеристик навантажувальну пряму APD (рисунок 3) і визначаємо значення струму бази I _бр, відповідне обраному значенням струму колектора I _кр: I _бр = 0,6 мА. За значенням струму бази I _бр визначаємо положення точки P ₁ на вхідний характеристиці (рисунок 4).

Визначаємо значення струмів I _км і I _{к. Min:}

I _км = I _кр + I _їм = 15 + 7,5 = 22,5 мА,

I _{к. Min} = I _кр -I _їм = 15-7,5 = 7,5 мА,

де I _нм - амплітуда змінної (синусоїдальної) складової струму навантаження.

Відкладаючи по осі струмів значення I _км, I _{к. Min} знаходимо на навантажувальної лінії точки В і С, яким відповідають значення струмів бази I _бм = 0,9 мА, I _{б. min} = 0,3 мА і значення напруг U _Кем = 5,2 В, U _{ке. min} = 3,4 В. Амплітуду синусоїдальної складової напруги колектор-емітер знаходимо зі співвідношення:

1.4 Розрахунок параметрів елементів схеми

1. Визначаємо значення опорів R _до і R _е.

кОм,

де I _КЗ - струм, який визначається по точці перетину прямої АР з віссю струмів (точка DНА малюнку 3).

Беручи R _е = (0, l¸0,15) R _до, знаходимо

Ом,

R _е = R _заг -R _к = 15,7Ом.

2. Знаходимо опору резисторів R _l, R _2. З метою зменшення впливу подільника напруги R _l R ₂ на вхідний сигнал зазвичай вибирають

де R _вх - вхідний опір по змінному струмі

Ом.

Значення U _ВХМ і I _ВХМ визначаються по вхідний характеристиці (малюнок 4):

Значення опору резистора R ₁ можна визначити з співвідношення

кОм,

отриманого з рівняння напруг для контуру ланцюга: загальна точка - R _е емітерний перехід - R ₂ - загальна точка в припущенні, що U _ЕБ < п, а . З останнього співвідношення можна знаходимо значення опору резистора R ₂ = 127 Ом.

3. Визначаємо ємність конденсаторів С _р і С _е:

мкФ,

мкФ,

де: f _H - нижня частота смуги пропускання, Гц;

М _н - коефіцієнт частотних спотворень а області низьких частот (приймаємо М _н = 1,2 для спрощення).

1.5 Розрахунок параметрів підсилювального каскаду на біполярному транзисторі

Використовуючи графіки вхідних і вихідних характеристик, можна знайти параметри підсилювального каскаду:

а) Коефіцієнт підсилення по напрузі

раз; K _U, дб = 20lgK _U = 48,7 дБ.

б) Коефіцієнт посилення по току

раз; K _i, дб = 20lgK _i = 18,41дБ.

в) Коефіцієнт корисної дії (ККД):

де: Р _н - потужність навантаження максимальна (вихідна);

Р _р - потужність джерела, витрачена на забезпечення режиму роботи Потужність змінного струму навантаження

P _н = 0,5U _нм × I _нм = 0,5 ∙ 3 ∙ 0,0015 = 172,5 мВт.

Потужність, що витрачається джерелом живлення на забезпечення режиму роботи визначається за координатами точки Р (див. Малюнок 3)

P _р = U _Кер × I _кр = 4,2 ∙ 0,015 = 63 мВт.

г) Потужність генератора вхідного синусоїдального сигналу

P _вх = 0,5I _бм × U _БЕМ = 0,5 ∙ 0,0009 ∙ 0,18 = 81 мкВт.

д) Коефіцієнт посилення по потужності

K _р, дб = 10lgK _р = 33,282 дБ.

2. АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ каскадів на польових транзисторах

Схема підсилювального каскаду на польовому транзисторі з керуючими pn-переходом і каналом р-типу показана на малюнку 5. Транзистор включений по схемі із загальним витоком.

Малюнок 5 - Схема підсилювального каскаду на польовому транзисторі.

У розрахунку використовуємо спрощену схему заміщення транзистора, показану на малюнку 5, де позначені:

g ₁₁ - вхідна провідність, См;

g ₁₂ U ₂ - вхідний струм, обумовлений впливом вихідний ланцюга на вхідну;

g ₁₂ - провідність передачі напруги;

g _{21 ×} U ₁ вихідний струм, обумовлений провідністю передачі струму g _21;

g ₂₂ - вихідна провідність транзистора, Див.

Схема заміщення підсилювального каскаду показана на малюнку 6. З метою спрощення в схемі відсутній провідність g ₁₁ і джерело g ₁₂ U ₂ з огляду на їх незначної величини. Опору резисторів R _з1 і R _и1 визначається з співвідношень:

кОм,

кОм.

де: R _з1 - еквівалентний опір ланцюга затвора;

R _Н1 - еквівалентний опір вихідний ланцюга.

Коефіцієнт посилення по напрузі визначається за виразом

Коефіцієнт посилення по струму

Коефіцієнт посилення по потужності

До _р = К _U × К _i = ∙ = 687.791 разів.

Вхідний опір каскаду

R _вх = R _з1 = кОм.

Вихідний опір каскаду

Ом,

де: U _xx - напруга на виході при розриві ланцюга навантаження (холостий хід);

I _кз - струм на виході при короткому замиканні висновків навантаження.

Малюнок 6 - Спрощена схема заміщення підсилювального каскаду на польовому транзисторі

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Полупроводніковие прилади: транзистори. Довідник / Під загальною редакцією Горюнова М.М. - М .: Вища школа, 1985. - 904 с.

2.Жеребцов І.П. Основи електроніки. - Л .: Вища школа, 1989.- 352 с.

3.Опадчій Ю.Ф., Грудкина, О.П., Гуров А.І. Аналогова і цифрова електроніка. - М .: Гаряча лінія - Телеком, 2002 - 768 с.