Г) Блокирующая ёмкость (эмиттерный конденсатор)

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

 

По дисциплине «Промышленная электроника»

Вариант: 17

 

Выполнил: студент группы Э-233

Феськов А.В.

 

Проверил: доцент, канд. техн. наук

Тихонов А.И.

 

 

Омск, 2014

 

Дано:

 

Получить в нагрузке R_н = 1,9 кОм маломощного каскада на биполярном транзисторе (БПТ) в схеме с ОЭ (рис.1) мощность выходного сигнала

P_вых = 0,3 мВт при Е_к = 7 В и коэффициенте стабилизации К_ст = 6, обеспечивающем стабильность рабочей точки при нагревании транзистора в процессе работы.

 

Расчет

 

1. Выбираем транзистор на более высокую мощность рассеяния на коллекторе по сравнению с требуемой P_вых = 0,3 мВт:

Р_к.макс ≥ (5 – 10)P_вых (1)

Выбираем БПТ типа 1Т313Б, у которого Р_к.макс >10 P_вых = 100 мВт.

 

2. В соответствии с заданными R_н,P_вых и Е_к на семействе выходных статических характеристик I_к = ƒ(U_кэ) строим НП. При этом учитываем наличие в коллекторной цепи резисторов R_к и R_н, а в эмиттерной - R_э.

Ход нагрузочной прямой и её наклон определяются величинами:

Е_к = 7 В и R_о = R_{н экв} + R_э = R_к∙R_н/(R_к + R_н) + R_э (2)

 

Так как заданным является R_н , а не R_о, определяющее верхнюю координату I_к = Е_к / R_о, то из координаты абсциссы Е_к = 7 В проводим НП произвольно, задавшись I_к = 6 мА так, чтобы точка её пересечения с ординатой оказалась ниже выходной характеристики, снятой при максимальном токе базы I_{б макс} =160 мкА (рис.1в).

3. На линии нагрузки БПТ выбираем рабочую точку посередине НП, чтобы равным отклонениям тока базы (ΔI_б = 40 – 80 – 120 мкА) соответствовали равные отрезки НП, что гарантирует минимальные нелинейные искажения формы выходного сигнала:

U_ко =3,49 В; I_ко = 3,0 мА; I_бо = 80 мкА.

Выбранная рабочая точка обеспечивает динамический режим БПТ (т.н. линейный режим класса А), при котором изменения входного сигнала ΔI_вх = ΔI_б = 80 ± 40 мкА и ΔU_вх = ΔU_бэ = 0,45 ± 0,05 В (амплитуды I_б = 40 мкА и U_бэ = 0,05 В) вызывают соответствующие изменения выходного сигнала ΔI_вых = ΔI_к = 3,0 ± 1,8 мА, и ΔU_вых = ΔU_кэ = 3,5 ± 1,8 В (амплитуды I_к = 1,8 мА, U_кэ = 2,0 В).

4. Проверяем получение требуемой мощности по формуле:

 

что с достаточным запасом удовлетворяет условиям задания.

 

5. Коэффициент нелинейный искажений не должен превышать 5-10%:

 

 

то есть искажения практически отсутствуют.

 

6. Находим элементы схемы, определяющие выбранный режим:

 

А) Эмиттерный резистор

 

Сопротивление эмиттерного резистора R_э совместно с делителем в цепи базы R₁ и R₂ определяет амплитуду напряжения входного сигнала U_вх = U_бэ, так как через него протекает ток отрицательной обратной связи (ООС), создающий на базе напряжение ООС, компенсирующее тепловой уход рабочей точки. Действие ООC заключается в следующем. Повышение температуры при нагреве транзистора вызывает увеличение тока I_э, а,следовательно падение напряжения U_э= I_э·R_э, что влечет уменьшение напряжения U_бэ = U_б - I_э*R_э, и соответствующее уменьшение I_б. Вследствие этого ток I_э уменьшается, компенсируя его первоначальное возрастание. Процесс в функциональной взаимосвязи представится таким образом:

t^o↑→ I_э↑→ U_э= I_э*R_э↑→ U_бэ = (U_б - I_э*R_э)↓→ I_б↓→ I_э↓

Сопротивление резистора R_э выбирается из соотношения:

R_э <U_{к мин} / I_{к о}, т.е. R_э < 1,2 В / 3 мА = 0,4 кОм. (5)

Выбираем стандартное сопротивление R_э = 0,39 кОм = 390 Ом.

 

б) Сопротивления делителя R₁ и R₂.

 

Сопротивления резисторов базового смещения находят из соотношений, определяющих эквивалентное сопротивление в цепи базы R_б и заданное значение коэффициента стабилизации К_ст, а также из выражения, связывающего напряжения в цепи базы U_бэ и U_б:

R_б = (R₁∙R₂)/ (R₁ + R₂); К_ст = 1 + β∙R_э/(R_э + R_б) (6)

U_б = U_бэ + I_э∙R_э = (E_к∙R₂)/ (R₁ + R₂) (7)

При известных значениях К_ст =6 и коэффициенте усиления тока БПТ β =100 (из справочника берем среднее значение) из формулы (6) для К_ст имеем:

6 = 1 + 100∙ 390/(390 + R_б), или 6∙R_б = (100*390) – 2340,

откуда R_б = 6110 Ом;

U_б = U_бэ + I_э∙R_э ≈ I_э∙R_э ≈ I_{к о}∙R_э = 3∙10^-3∙390 =1,17 В

U_б = (E_к∙R₂)/ (R₁ + R₂); → 1,17 = (7∙R₂)/ (R₁ + R₂); → R₁ = 4,98∙R₂;

R_б = (R₁∙R₂)/ (R₁ + R₂); → 6110 = 4,98∙R₂² / (5,98∙R₂) = 0,833∙R₂; →

R₂ = 7334 Ом;

R₁ = 4,98∙7334 = 36523 Ом;

Принимаем R₁ = 36 кОм;R₂ = 7,5 кОм;

I_∂ = E_к/ (R₁ + R₂) = 7 В / 43,9 кОм = 0,16 мА < I_ко,

что является благоприятным с точки зрения экономичности усилителя.

в) Сопротивление коллекторного резистора R_к

 

Из рис.1в и уравнения нагрузочной линии, а также формулы (2) имеем:

I_к = E_к/R_о; → R_о = E_к/ I_к = 7 В / 6 мА = 1,17 кОм;

R_н.экв= R_о – R_э = 1,17 – 0,39 = 0,78 кОм;

т. е. подставляя найденные R_о и R_к в формулу для R_к , полученную из (2), имеем:

R_к = (R_н∙R_н.экв) /(R_н -R_н.экв) = (1,9∙ 0,78)/(1,9–0,78) =1,32 кОм

Принимаем R_к=R₃ = 1,3 кОм.

 

г) Блокирующая ёмкость (эмиттерный конденсатор)

 

Конденсатор C2, шунтирующий эмиттерный резистор R_э = R4 (рис.1а) необходим для того, чтобы исключить действие ООС на частоте переменного сигнала, уменьшающей усиление каскада. Величина его емкости должна быть такова, чтобы его емкостное сопротивление на минимальной частоте сигнала было очень мало. Обычно ее величина определяется из соотношения:

1/(ω_мин∙С) ≤ (0,2 – 0,1)∙R_э.

При С_э= 10 мкФ и минимальной частоте сигнала 1 кГц величина Х_с:

X_с = 1/(ω_мин∙ С_э) = 1 / (2∙π∙1∙10³∙10∙10^-6) = 15,92 < 0,15∙390 = 58,5

То есть величина Х_с =15,92 Ом почти в 25 раз меньше R_э что вполне благоприятно для исключения действия ООС на частоте сигнала (ООС по постоянному току, стабилизирующая рабочую точку при нагреве транзистора, при этом не нарушается).

Окончательно получаем:

R1 = 36 кОм; R2 = 7,5 кОм; R3 = 1,3 кОм; R4 = 390 Ом; C2 = 10 мкФ; емкость разделительного конденсатора C1 также может быть равна 10 мкФ, разделяя цепь источника сигнала от базовой цепи БПТ по постоянному току и оказывая малое со­противление переменному сигналу, см. рис.1а.

 

Динамические параметры

 

Коэффициенты усиления по напряжению К_u, току К_i и мощности К_р; а также другие динамические параметры - входное R_вх и выходное R_вых сопротивления каскада определяются графическим, либо аналити­ческим путем, с помощью h-параметров. Для наших условий наиболее проще воспользоваться данными, полученными выше графическим путем с помощью рис.1б, в. Основные соотношения следующие:

К_u = U_вых / U_вх = U_кэ / U_бэ = 2,0 / 0,05 = 40 (рис.1б);

К_i = I_вых / I_вх = I_к / I_б = 1,8 мА / (40∙10^-3 мА) = 45;

 

К_p = К_u∙ К_i= 40∙45 = 1800;

R_вх = U_вх / I_вх = U_бэ / I_б = 0,05 В / (40∙10^-3мА) = 1,25 кОм;

R_вых = U_вых / I_вых = U_кэ / I_к = 2,0 В / 1,8 мА = 1,11 кОм.

Эти же параметры можно получить и аналитически с помощью т.н. h-параметров, указываемых в справочниках, либо определяемых с помощью статических входных и выходных характеристик, на основе соотношений:

К_u = - h₂₁∙R_{н экв}/(h₁₁ + h∙R_{н экв}) ≈ - h₂₁∙R_н / h₁₁; (до 1000 и более)

К_i =h₂₁ /(1 + h₂₂∙R_{н экв}) ≈h₂₁; (до 30 и более)

К_p = |К_u∙ К_i|= К_u²∙R_вх/ R_н = К_i²∙R_н / R_вх ≈ h₂₁²∙R_н / h₁₁; (≥30000)

R_вх = (h₁₁ + h∙R_{н экв})/(1 + h₂₂∙R_{н экв}) ≈h₁₁; (менее 2 кОм) - включено параллельно R_б

R_вых = (h₁₁ + R_с )/(h + h₂₂∙R_с) ≈ 1 / h₂₂; (обычно ≥ 10 кОм) – включено параллельно R_{н экв},

гдеR_{н экв} = R_к∙R_н / (R_к + R_н); h = h₁₁∙h₂₂ - h₁₂∙h₂₁; R_с – сопротивление источника сигнала (измеряется при E_с = 0).

Приближенные равенства соответствуют часто встречаемым случаям R_н<<R_вых (например, динамический громкоговоритель и т.д.), т.е. h₂₂∙R_н<<1 и h<<1. Знак минус в выражении, определяющем К_и, означает переворачивание фазы (инвертирование) выходного сигнала от­носительно входного (на 180^о).

 

Выводы

 

Из расчета и полученных графиков видно, что входной сигнал с амплитудой 0,05 В соответствует выходному сигналу (вызывает выходной сигнал) с амплитудой 2,0 В. Соответственно, амплитуда тока базы 40 мкА вызывает амплитуду тока коллектора 2,0 миллиампер.

При этом динамические параметры: коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности а также входное и выходное сопротивления будут иметь следующие значения:

К_u = U_вых / U_вх = U_кэ / U_бэ = 2,0 / 0,05 = 40

К_i = I_вых / I_вх = I_к / I_б = 1,8 мА / (40*10^-3 мА) = 45;

К_p = К_u∙ К_i= 40∙45 = 1800;

R_вх = U_вх / I_вх = U_бэ / I_б = 0,05 В / (40*10^-3мА) = 1,25 кОм;

R_вых = U_вых / I_вых = U_кэ / I_к = 2,0 В / 1,8 мА = 1,11 кОм.

 

а)

 

б)

 

 

в)

Рис. 1.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: