Расчет транзисторного усилительного каскада

 

В процессе выполнения задания необходимо определить:

– положение рабочей точки покоя и соответствующие ей значения токов I_б0, I_к0, I_э0 и напряжений U_бэ0, U_кэ0;

– диапазон изменения входного ±U_{m вх} и выходного ± U_{m вых} напряжения;

– значения сопротивлений резисторов R₁, R₂, R_э, R_к и емкости конденсаторов C_э, C_р1 и C_р2;

– параметры усилительного транзисторного каскада: входное R_{каск вх} и выходное R_{каск вых} сопротивления, коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P.

Тип биполярного транзистора для усилительного каскада МП41А. Предельно допустимые и h_б-параметры транзисторов приведены в таблице 2.1. Напряжение источника питания E_к =13,5 В.

 

Таблица 2.1 – Выбор типа биполярного транзистора

Номер варианта	Тип транзистора	h-параметры				Предельные значения
		h11б, Ом	h12б	h21б	h22б, См	Uкэ, В	Iк, мА	Pдоп, мВт
23	МП41А	25	2×10-3	-0,98	1×10-6	15	40	150

 

Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного и выходного сигналов совпадают.

В усилительном каскаде на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, в коллекторную цепь транзистора включен резистор R_к, с помощью которого формируется выходное напряжение.

Рисунок 2.1 – Схема транзисторного усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией рабочего режима

 

Делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂ определяет значение тока базы I_б0, обеспечивающего положение рабочей точки покоя Р_т в режиме класса А. Для уменьшения влияния температуры на режим работы транзистора в цепь эмиттера включен резистор R_э, который осуществляет последовательную отрицательную обратную связь по постоянной составляющей. Конденсатор C_э исключает влияние отрицательной обратной связи по переменной составляющей.Разделительный конденсатор C₁ устраняет влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала U_вх на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор C₂ обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей U_вых, которая может подаваться на нагрузочный резистор R_н. R_к позволяет регулировать разность потенциалов U_кэ.

Начертим входную характеристику I_б = f (U_бэ) при U_кэ = – 5 В и семейство выходных вольт-амперных характеристик I_к = f (U_кэ) при I_б = const, на которых по нескольким точкам построим кривую допустимой мощности P_к, рассеиваемой транзистором (рис. П2.1). Ниже этой кривой из точки U_кэ = 14, выбрав наиболее подходящий угол наклона, проведем нагрузочную линию U_кэ = E_к – I_к(R_к+R_э), на которой выберем и отметим положение рабочей точки покоя Р_т в режиме класса А и допустимые при этом пределы изменения амплитуды базового тока ±I_mб, соответствующие максимальному значению входного сигнала. Положение рабочей точки на входной характеристике должно соответствовать значению тока I_б0, при котором выбрана рабочая точка на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики.

На графиках выходных и входной характеристик изобразим (подобно рис. П.2) кривые i_к = I_к0 + I_{m к} sin(wt), u_кэ =U_кэ0 + U_{m кэ}sin(wt), i_б = I_б0 + I_{m б}sin(wt).

По графикам определим и значения:

I_б0=0,3 мА;

±I_{m б} = ±0,5 (I_{б max} – I_{б min});              (2.1)

I_{m б} = 0,5 (0,5– 0,1) = 0,2 мА;

I_к0=22 мА;

±I_{m к} = ±0,5 (I_{к max} – I_{к min});              (2.2)

I_{m к} = 0,5 (34-8) =13 мА;

I_э0 = I_б0+I_к0;                                   (2.3)

I_э0=0,0003+0,022 = 0,0223 А;

U_бэ0=0,24 В;

±U_{m бэ} = ±0,5 (U_{б max} – U_{б min});        (2.4)

U_{m бэ} = 0,5 (0,275 - 0,18) = 0,095 В.

U_кэ0 = 6,2 B

±U_{m кэ} = ±U_{m вых} = ±0,5(U_{кэ max} – U_{кэ min}). (2.5)

U_{m кэ} = 0,5(10,4 - 2,0) = 4,2 B.

Рассчитаем значения h_э-параметров для схемы с общим эмиттером:

h11э = h11б / (1+h21б);

h11э = 25 / (1+(-0,98)) = 1250 Ом.

h12э = (h11бh22б – h12бh21б – h12б) / (1+h21б);

h12э = (25 1 10-6 – 2 10-3 (-0,98) – 2 10-3) / (1-0,98)= -0,00075.

h21э = – h21б / (1+h21б);

h21э = – (-0,98) / (1-0,98) = 49.

h22э = h22б / (1+h21б);

h22э = 1 10-6 / (1-0,98)=1 10-5 См

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером определим входное сопротивление транзистора:

r_{вх транз} = h_11э;

r_{вх транз} =1250 Ом.

Определим коэффициент передачи тока:

b = h_21э;

b = 49.

Рассчитаем значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов:

R_э = (0,2,…,0,3) E_к / I_э0;              (2.10)

 При подстановке значений получаем:

R_э = 0,25  / 0,0223 = 151,35 Ом.

Принимаем I_дел = (2,…,5) I_б0; I_дел = 3,5 0,0003 = 0,00105 А.

Рассчитаем делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂:

R₁ = (I_э0R_э + U_бэ0) / I_дел;                (2.11)

R₁ =(0,0223 151,35 + 0,24) / 0,00105 = 3442,95 Ом.

R₂ = (E_к – I_делR₁) / (I_дел + I_б0);       (2.12)

R₂ = (13,5 – 0,00105 3442,95) / (0,00105 + 0,0003) = 7323,15 Ом

Рассчитаем напряжение, позволяющее регулировать разность потенциалов U_кэ.

R_к = (E_к – U_кэ0 – I_э0R_э) / I_к0;         (2.13)

R_к = (13,5 – 6,2–0,0223 151,35)/0,022 = 178,4 Ом.

Рассчитаем эквивалентное сопротивление базовой цепи для переменной составляющей входного тока:

R_б = R₁R₂ / (R₁+R₂);                    (2.14)

R_б = 3442,95 7323,15/(3442,95 + 7323,15) = 2341,9 Ом.

Значения емкости конденсаторов при частотной полосе входного сигнала в пределах f_н = 100 Гц, f_в = 10000 Гц определяются так:

C_э = 10⁷ / [(1,…,2)2pf_нR_э];           (2.15)

C_р1 = C_р2 = 10⁷ / [(1,…,2)2pf_нR_{каск вх}], (2.16)

где C_э, C_р1 и C_р2 – в мкФ.

При подстановке значений получаем:

C_э = 10⁷ / [1,5 2 3,14 100 151,35] = 76,75 мкФ.

Определим параметры усилительного каскада.

Входное и выходное сопротивления каскада определяются следующим образом:

R_{каск вх} = R_бr_{вх транз} / (R_б + r_{вх транз}); (2.17)

R_{каск вх} = 2341,9  1250/ (2341,9+1250) = 815 Ом.

R_{каск вых} = R_к / (1 + h_22эR_к);           (2.18)

R_{каск вых} = 178,4 / (1+1 10^-5 ) = 178,08 Ом.

C_р1 = C_р2 = 10⁷ /[1,5 2 3,14 100 815] = 13,03 мкФ.

Коэффициенты усиления каскада без дополнительной внешней нагрузки, а также без учета внутреннего сопротивления источника входного сигнала имеют вид:

K_I = I_вых / I_вх » b; K_I=49.             (2.19)

K_U = – (b R_к) / R_{каск вх};                 (2.20)

K_U = – (49 ) /815 = -10,73.

K_P = K_IK_U;                                   (2.21)

K_P=49  (-10,73) = –525,6.

Полезная выходная мощность каскада

P_вых = 0,5 (U_{m вых})² / R_к;               (2.22)

P_вых = 0,5 (4,2)² / 178,4 = 0,0494 Вт.

Полная мощность, расходуемая источником питания,

P₀ = I_э0E_к + I²_дел ×(R₁ + R₂) + I²_б0R₂; (2.23)

P₀ = 0,0223  +(0,00105)²  (3442,95 + 7323,15) +(0,0003)² = 0,314 Вт.

Вычислим электрический КПД усилительного каскада

h_э = (P_вых / P₀) 100%;              (2.24)

h_э = (0,0494/ 0,314)  100% = 15,7%.

Вычислим коэффициент нестабильности каскада по коллекторному току (желательно, чтобы он был меньше)

S = b / (1+bg);                        (2.25)

где g = R_э / (R_б + R_э).              (2.26)

g = 151,35/ (2341,9 + 151,35) = 0,061;

S =49 / (1+49 0,061) = 12,33.

S» (R_б + R_э) / [(1+h_21б) R_б + R_э], (2.27)

S» (2341,9 + 151,35) / ((1-0,98) 2341,9 + 151,35) = 12,58.

Синтез логических схем

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: