Контрольная работа по дисциплине «Электротехника и электроника» Тема: Расчет транзисторного усилителя

Вид материала

Контрольная работа

Содержание 2. Каскад с общим эмиттером 3 Вопросы для защиты работы 13 Ср1 переменный ток от источника напряжения U B- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, R Iк.доп =30 мА – допустимый ток коллектора. В=25- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. Р VT – транзистор типа p-n-p Rн =1,5 кОм– сопротивление нагрузки, выберем равным сопротивлению R Расчет каскада по переменному току Uэ.порог = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n Вср=27,7 – средний коэффициент усиления f VT замещен Т-образной схемой замещения с дифференциальными сопротивлениями r

Подобный материал:

• Компьютерный практикум по дисциплине Электротехника и электроника Тема: Исследование, 23.45kb.
• Курсовой проект по дисциплине "Схемотехника эвм", 121.85kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 03 Общая электротехника и электроника По специальности, 561.03kb.
• Методические указания и контрольные задания по дисциплине: «Электротехника и электроника», 414.34kb.
• Умк дисциплины «Электротехника и электроника. Радиоэлектроника» кафедры рэ. Дисциплина, 107.72kb.
• Электротехника и электроника пояснительная записка, 2218.03kb.
• Контрольная работа по дисциплине Тема, 80.19kb.
• Рабочая учебная программа дисциплины «электротехника и электроника» Направление подготовки, 330.69kb.
• «Электроника и основы схемотехники», 173.11kb.
• Рабочая учебная программа по дисциплине: электротехника и электроника (Теоретические, 407.78kb.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»


Факультет дизайна и компьютерных технологий

Кафедра компьютерных технологий


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА


По дисциплине

«Электротехника и электроника»


Тема: Расчет транзисторного усилителя


Вариант 3


Выполнил: студент гр. ЗДиКТ 21-08


Романов В.М.


Проверил: доцент Захаров В.Г.


Чебоксары

2010

Содержание


ВВЕДЕНИЕ 3


1. ЗАДАНИЕ 6


2. КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ 3


3. РАСЧЕТ КАСКАДА ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ 4


4. РАСЧЕТ КАСКАДА ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ 5


5. СИМВОЛЬНЫЙ РАСЧЕТ КАСКАДА 10


ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ 13


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15


ВВЕДЕНИЕ


Усилитель — это электронное устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности входного сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искаже­ний [1].

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных усло­вий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспе­чения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как пра­вило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи уси­лителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится. При последовательном соединении каскадов их коэффициенты усиления перемножаются. Связь между каскадами может быть гальванической, емкостной и трансформаторной.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) и сверхвысокочастотные усилители (СВЧ). Амплитудно-частотная характеристика УНЧ имеет три участка: область низких частот от f=0 до нижней частоты f_н; область средних частот от низкой f_н до высокой частоты f_в (полоса пропускания 2Δf) и область высоких частот от f_в и выше, при этом на высоких частот коэффициент усиления по напряжению K_U ограничивается частными свойствами транзистора, т.е. снижением коэффициента передачи В (рис. 1). На граничных частотах f_н и f_в усиление по напряжению уменьшается в раз, соответствует снижению выходной мощности на этих частотах в два раза.



По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элемен­ты усилителя при воздействии малых переменных сигналов характе­ризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полу­проводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный ре­жим работы. Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначе­нию, по полосе усиливаемых частот 2Δf, по характеру усиливаемого сиг­нала и т. д. К дополни­тельным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного дей­ствия, потребляемую от источника питания мощность, нелинейные искажения, массу, габариты и т. п.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообра­зием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают: усилитель с общим эмиттером (0Э), усилитель с общей базой (ОБ) и усилитель с общим коллектором (ОК). По переменному напряжению в этих схе­мах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

Схема усилительного каскада с общим эмиттером показана на рис. 2. Эмиттер транзистора VT (тип транзистора n-p-n) соединен с корпусом усилителя. Через катушку L с большой индуктив­ностью, называемую дросселем, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_см = 0,5...0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обес­печить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Резистор R_э служит для температурной стабилизации режима транзистора. Конденсатор С_э устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

В каскаде различают постоянные и переменные токи, причем переменные токи протекают на уровне постоянных. Че­рез конденсатор С_р1 переменный ток от источника напряжения U_вх поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллекто­ра. Конденсатор С_р1 имеет большую емкость и для переменного напряжения не представляет значительного сопротивления, но не пропускает на вход усилителя постоянное напряже­ние, которое может присутствовать во входном сигнале, а также предотвращает замыкание напряжения смещения Е_см на корпус через внутреннее сопротивление источника переменного сигнала U_вх. Усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с "закрытым" входом. Дроссель L, имея большую индуктивность, для переменного тока имеет большое сопротивление и входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь замыкается через эмиттерный переход транзистора. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные сигналы. К недостаткам каскада можно отнести наличие дросселя и второго источника – напряжения смещения.

В цепи коллектора каскада включено сопротивление внутренней нагрузки R_к, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора протекает через вы­ходной разделительный конденсатор С_р2 по внешней нагрузке усилителя R_н, подключенной к выходным зажимам каскада. На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сиг­нал. Мощность сигнала обеспечивает источник питания Е_пит. Коэффициент усиления каскада с ОЭ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

где B- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, R_ист.с – внутреннее сопротивление источника сигнала, R_вх – входное сопротивление транзистора, знак минус отражает изменение фазы выходного сигнала на 180^о по отношению к входному сигналу, т.е. выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Схема усилителя с общей базой (ОБ) показана на рис. 3. Назначе­ние разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопро­тивления в этой схеме аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отли­чие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель L на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смеще­ния. При такой полярности напряжения смещения транзистор открывается и через него начинает протекать постоянный ток эмиттера. На уровне этого постоянного тока развивается переменный входной ток, который проходит в коллектор. За счет сравнительно большей величины сопротивления в коллекторной цепи по отношению к сопротивлению в эмиттерной цепи, происходит усиление мощности сигнала: Z_к > Z_ген+ Z_вх , где Z_ген – внутреннее сопротивление генератора сигнала, Z_вх – входное сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления каскада с ОБ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

На рис. 3 приведена схема усилителя с общим коллектором (ОК). В этой схеме важную роль играет блокировочный конденсатор С_бл. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, бло­кировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать прак­тически одинаковыми переменные потенциалы верхней и нижней шин питания и соединить через свое малое сопротивление коллек­тор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. Поэтому на коллекторе переменное напряжение практически равно нулю, т.е. коллектор соединятся с общей шиной по переменному току и каскад получает название ОК. По посто­янному току, в отличие от приведенных выше схем с общим эмитте­ром и с общей базой, коллектор транзистора VT с корпусом не соединен, — напротив, на коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания. Отметим, что при отсутствии блокировочного конденсатора рассматриваемая схема будет близка к схеме ОК, так как коллектор транзистора бу­дет соединен по переменному напряжению с корпусом через источник питания, внутреннее сопротивление которого равно ну­лю в идеальном случае. Внутренней нагрузкой в усилителе ОК является эмиттерное сопро­тивление R_э, подключенное к эмиттеру транзистора. Внешняя нагрузка R_н подключается к выходу усилителя через разделительный конденсатор С_р2.

Коэффициент усиления каскада с ОК по переменному напряжению незначительно меньше единицы и рассчитывается по формуле:

.

Выходное напряжение каскада с ОК повторяет входное напряжение по амплитуде и по фазе, поэтому каскад называют эмиттерным повторителем. Достоинства каскада с ОК – большое входное и малое выходное сопротивления, что позволяет усиливать слабые токи входного сигнала.

Блокировочные конденсаторы часто включаются в состав источ­ников питания. В этом случае они могут отсутствовать в схемах уси­лителей. Блокировочные конденсаторы в больших количествах уста­навливаются на материнских платах персональных компьютеров и в других узлах ЭВМ. Их задача - устранить влияние сигналов в одних частях схемы на сигналы в других частях устройства.

Резистивный усилитель — это усилитель, у которого в качестве нагрузки используются резисторы. Так как в этом усилителе из-за от­сутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элемен­тов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов, то рези­стивный усилитель часто называют апериодическим усилителем. Резисторы в резистивном усилителе используются в качестве внут­ренней и внешней нагрузок.


2. ЗАДАНИЕ


Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером с исходными данными:

Тип транзистора – КТ3165А, кремниевый эпитаксиально-планарной структуры, p-n-p, усилительный, граничная частота – 750 МГц [2, с.67].

U_к.доп =35 В- допустимое напряжение коллектора.

I_к.доп =30 мА – допустимый ток коллектора.

В=25- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Р_к.доп =0,16 Вт- допустимая мощность, рассеиваемая транзистором без радиатора.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n перехода.

М_н =1.41 – коэффициент частотных искажений (для расчета конденсаторов).

Ряд номинальных значений Е12 для резисторов и конденсаторов с допустимым отклонением % (ГОСТ 2519-67):

1,0

1,2

1,5

1,8

2,2

2,7

3,3

3,9

4,7

5,6

6,8

8,2

Ряд номинальных значений Е12 для мощности (Вт), рассеиваемой резисторами, с допустимым отклонением % (ГОСТ 2519-67):

0,125

0,2

0,5

1,0

2,0

1. Каскад с общим эмиттером, назначение элементов


Электрическая принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером представлена на рис. 5.

Назначение элементов:

VT – транзистор типа p-n-p.

- делитель напряжения - задает потенциал покоя базы относительно корпуса (земли, общей шины).

- режимный резистор, задает рабочую точку транзистора по постоянному току (ограничивает ток коллектора на допустимом уровне).

- стабилизирует рабочую точку транзистора при изменении температуры окружающей среды за счет напряжения обратной связи, которое подзакрывает транзистор при повышении температуры.

- внешняя нагрузка (динамик, входное сопротивление следующего каскада).

С₁, С₂ - разделительные конденсаторы (отделяют переменные составляющие сигнала от постоянных составляющих).

- устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, так как переменный ток замыкается не через резистор , а через этот конденсатор. Вывод эмиттера через конденсатор С_э соединяется по переменному току с общей шиной, поэтому каскад называется с общим эмиттером.


2. Расчет каскада с ОЭ по постоянному току


2.1. Определяем напряжение питания:

В

2.2. Расчет каскада на транзисторе VT с общим эмиттером производим в классе А и проектируем выходной каскад на 80%-ю мощность P_к.доп, рассеиваемую транзистором в режиме покоя [1, 2]:

Вт.

2.3. Задаемся напряжением эмиттера покоя:

В.

2.4. Выбираем рабочую точку Р.Т. в середине динамической характеристики транзистора, что соответствует напряжению покоя коллектора (рис.6):

В.

5. Рассчитываем ток покоя коллектора:
   

A.

5. Находим сопротивление токоограничивающего резистора в цепи коллектора R_к:
   

Ом.

Выбираем резистор МЛТ- 1500 Ом.

5. Находим мощность, рассеиваемую на резисторе R_к:
   

Вт

Выбираем резистор на мощность- 0,2 Вт.

5. При разбросе значений коэффициента передачи В транзистора с ОЭ от минимального значения до максимального среднее значение по формуле [1]:
   

,

где R_н =1,5 кОм– сопротивление нагрузки, выберем равным сопротивлению R_к с целью согласования (для максимальной передачи мощности).

5. Находим напряжение покоя базы:
   

В.

5. Определяем ток покоя базы:
   

мА

5. Задаемся током делителя через резисторы R, R:
   

мA

5. Находим сопротивление резистора :
   

Ом.

Выбираем резистор 8,2 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R₁:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,125 Вт.

5. Находим сопротивление резистора R₂:
   

Ом.

Выбираем резистор 1,5 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R₂:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,125 Вт.

5. Находим сопротивление резистора :
   

Ом.

Выбираем резистор 270 Ом по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R_э:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,05 Вт.

Контура замыкания постоянных токов I_дел, I_б.пок, I_к.пок показаны на рис.7 (пунктирные линии). Эти токи создает источник питания Е_пит.

2. РАСЧЕТ КАСКАДА ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ
   

Исходные данные:

f_н=100 Гц – нижняя граничная частота входного сигнала.

r_э= 10 Ом – дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n.

r_б= 50 Ом – объемное сопротивление базы.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n перехода;

r_к=10 кОм - дифференциальное сопротивление коллекторного p-n.

R_ист.с=600 Ом – внутреннее сопротивление источника входного сигнала.




Переменный сигнал идет на уровне постоянного сигнала, поэтому на выход усилителя проходит как положительная, так и отрицательная полуволны входного сигнала. Энергия для усиления сигнала отбирается от источника питания Е_пит. Для отделения переменных составляющих от постоянных, ставят конденсаторы C₁, C₂, C_э.

Введем понятие частотных искажений, обусловленных постоянными времени Т_С1, Т_С2, Т_Сэ цепей по которым заряжаются и разряжаются конденсаторы C₁, C₂, C_э в схеме усилителя:

,

Частотные искажения показывают на сколько снижается амплитуда переменного сигнала при прохождении через конденсаторы на низкой или высокой частотах. На средних частотах сопротивление конденсаторов мало и падением напряжения на конденсаторах пренебрегают. На высоких частотах учитывается барьерная емкость коллекторного перехода и зависимость коэффициента передачи тока базы В от частоты, при этом амплитудно-частотная характеристика усилителя на высоких частотах повторяет указанную зависимость (рис. 1).

На заданной низкой частоте f_н=100 Гц распределяем стандартный коэффициент низкочастотных искажений по конденсаторам С₁, С₂, С_э, усилительного каскада

.

Для конденсатора С_э коэффициент М_э увеличиваем до значения 1,15, так как он зашунтирован меньшим сопротивлением, по сравнению с другими конденсаторами.

Исходные данные:

В_ср=27,7 – средний коэффициент усиления

f_н=100 Гц – нижняя граничная частота входного сигнала.

r_э= 10 Ом – дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n.

r_б= 50 Ом – объемное сопротивление базы.

r_к=10 кОм - дифференциальное сопротивление коллекторного p-n перехода;

R_ист.с=600 Ом – внутреннее сопротивление источника входного сигнала;

1. Рассчитываем значение конденсатора С₁:
   

;

Выбираем электролитический конденсатор С= 3,9 мкФ

2. Рассчитываем значение конденсатора С₂:
   

;

Выбираем электролитический конденсатор С₂= 2,7 мкФ

3. Рассчитываем значение конденсатора С_э:
   

Выбираем электролитический конденсатор С_э= 270 мкФ.

4. Находим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах:
   

,

где знак минус отражает поворот фазы выходного сигнала на 180^о относительно входного.

5. Находим коэффициент усиления по току на средних частотах:
   

.

6. Находим коэффициент усиления по мощности сигнала, действующего на базе транзистора
   

.

7. Находим коэффициент усиления по мощности сигнала, действующего на входе усилителя
   

,

для этого находим входную мощность сигнала с амплитудой равной току покоя базы:

,

где входное сопротивление каскада с учетом сопротивлений R_ист.с, R₁ и R₂:




Контура замыкания переменных токов, обусловленных источником входного переменного сигнала U_вх c мгновенным направлением напряжения показаны пунктиром на рис.4.





Рис.4

Контура замыкания мгновенных выходных токов I_н, I_к, обусловленных теоретическим источником тока BI_б, показаны на рис.5. Источник переменного тока BI_б управляется переменным током базы I_б и помещается в коллекторный p-n переход транзистора, при этом источник питания Е_пит, обладающий нулевым внутренним сопротивлением для переменного тока, в схеме закорачивается и верхняя шина питания объединяется с нижней шиной.






Рис.5

8. Находим входную мощность каскада:
   

Эквивалентная схема замещения каскада с ОЭ показана на рис.6, где транзистор VT замещен Т-образной схемой замещения с дифференциальными сопротивлениями r_э и r_к p-n переходов, объемным сопротивлением базы r_б и источником переменного тока BI_б, включенного в цепь коллекторного p-n перехода. Мгновенное направление источника тока BI соответствует мгновенному направлению входного переменного напряжения U_вх.






5. Символьный расчет режима по постоянному току транзисторного усилителя с общим эмиттером


5.1 Обозначаем элементы R₁, R₂, r_б, r_э, R_э, r_k^*, R_к, R_пит схемы замещения соответствующими буквами и присваиваем им значения согласно расчету по постоянному току:




5.1 В схеме замещения каскада с ОЭ для постоянного находим контурный определитель схемы (рис.№):



5.2 Из контурного определителя находим числители для составляющих тока ветви с, обусловленных пороговым напряжением С, источником питания Н и источником тока F:



5.3 Составляем уравнение для тока ветви с:



откуда находим ток ветви с:


.

5.4 Находим ток ветви b:



где



5.5 Умножаем ток ветви b на сопротивление b и находим потенциал базы покоя:

.


5.6 Находим ток ветви g:



где



5.5 Умножаем ток ветви g на сопротивление g и находим потенциал коллектора покоя:



5.6 Находим относительные ошибки расчета:

% ;

%.


Литература:

1. Белов Г.А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебное пособие для вузов. Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 2004.-780 с.

2. Петухов В.М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение второе: Справочник. – Рикел, Радио и связь, 1995 – 288 с. Ил.

3. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника – Москва «Гелиос АРВ», 2002.

4. Захаров В.Г. Расчет электрических цепей по модифицированным правилам Кирхгофа: Учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та, 2006. 128 с.

Приложение. Типы и параметры транзисторов.

№ вар (стр)	Тип транзистора	Uк.доп, В	Iк.доп, мА	Вмин- -Вмакс	P, Вт	Струк-тура
1 (39)	КТ3179А9	150	55	65	0,2	n-p-n
2 (37)	КТ3176А9	35	500	60	0,2	n-p-n
3 (35)	КТ3173А9	30	530	500	0,2	n-p-n
4 (33)	КТ3171А9	15	530	50	0,2	n-p-n
5 (31)	КТ3153А9	60	400	100-300	0,3	n-p-n
6 (28)	КТ3151А9	80	100	20	0,2	n-p-n
7 (26)	2Т3130А9	50	100	100-250	0,2	n-p-n
8 (16)	КТ218А9	80	50	20	0,2	p-n-p
9 (13)	КТ216А	60	10	9-50	0,075	p-n-p
10 (12)	2Т214А9	100	100	20	0,2	p-n-p
11 (10)	КТ209В2	15	300	200	0,2	p-n-p
12 (8)	2Т215А9	100	50	20	0,2	n-p-n
13 (57)	КТ3170А9	40	30	100	0,25	n-p-n
14 (14)	КТ3172А9	20	20	40	0,2	n-p-n
15 (61)	2Т3175А9	50	100	250-1000	0,35	n-p-n
16 (54)	КТ3142А	40	200	40-120	0,36	n-p-n
17 (53)	2Т3115А-6	10	8,5	15-110	0,05	n-p-n
18 (51)	КТ368А-5	15	30	50-450	0,225	n-p-n
19 (50)	2Т368А9	15	30	50-300	0,1	n-p-n
20 (49)	КТ339АМ	40	25	25	0,26	n-p-n
21 (47)	2Т316А-5	10	30	20-60	0,15	n-p-n
22 (63)	2Т370А9	15	15	20-70	0,03	p-n-p
23 (65)	КТ3126А9	35	30	25-150	0,11	p-n-p
24 (66)	КТ3128А9	35	20	15-150	0,11	p-n-p
25 (19)	КТ3816	25	15	40	0,015	p-n-p
26 (63)	2Т370Б9	15	15	40-120	0,11	n-p-n
27 (8)	2Т215Б9	90	50	30-90	0,2	n-p-n
28 (8)	2Т215В9	80	50	40-120	0,2	n-p-n
29 (8)	КТ215Г9	60	50	40-120	0,2	n-p-n
30 (8)	КТ215Д9	30	50	80	0,2	n-p-n