Ім'я файлу: v95 --- Расчет транзисторного усилительного каскада на МП111.doc
Розширення: doc
Розмір: 147кб.
Дата: 17.05.2023
скачати
Розширення: doc
Розмір: 147кб.
Дата: 17.05.2023
скачати
РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Цель работы: провести графоаналитическое исследование режима работы транзистора в классе А и определить основные параметры транзисторного усилительного каскада в схеме с общим эмиттером при одном источнике питания ЕК с автоматическим смещением и эмиттерной стабилизацией рабочего режима, т.е. с последовательной отрицательной обратной связью по постоянной составляющей тока.
В процессе выполнения задания необходимо определить:
положение рабочей точки покоя и соответствующие ей значения токов Iб0, Iк0, Iэ0 и напряжений Uбэ0, Uкэ0;
диапазон изменения входного ±Um вх и выходного ±Um вых напряжения;
значения сопротивлений резисторов R1, R2, Rэ, Rк и емкости конденсаторов Сэ, Ср1 и Ср2;
параметры усилительного транзисторного каскада: входное Rкаск вх и выходное Rкаск вых сопротивления, коэффициенты усиления по току КI, напряжению КU и мощности КР.
Тип биполярного транзистора для усилительного каскада необходимо выбрать по номеру своего варианта из таблицы 3 методических указаний к работе. Там же приведены предельно допустимые и hб-параметры транзисторов. Семейство статических выходных вольт-амперных характеристик, а также входные характеристики транзисторов приведены в прил. 3. Напряжение источника питания ЕК выбирается из табл. 4 методических указаний к работе.
1. Запишем параметры транзистора согласно варианту 95 и отразим их в табл. 1. Напряжение источника питания для транзистора МП111 ЕК=19 В.
Таблица 1
Исходные данные
| Тип транзистора | h-параметры | Предельные значения | |||||
| h11б, Ом | h12б | h21б | h22б, Ом | Uкэ, В | Iк, мА | Pдоп, мВт | |
| МП111 | 50 | 0,5∙10–3 | –0,93 | 1∙10–6 | 20 | 20 | 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 (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.
В усилительном каскаде на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис.1), в коллекторную цепь транзистора включен резистор Rк, с помощью которого формируется выходное напряжение.
Рис. 1. Схема транзисторного усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией рабочего режима
Делитель напряжения на резисторах R1 и R2 определяет значение тока базы Iб0, обеспечивающего положение рабочей точки покоя РT в режиме класса А. Для уменьшения влияния температуры на режим работы транзистора в цепь эмиттера включен резистор Rэ который осуществляет последовательную отрицательную обратную связь по постоянной составляющей. Конденсатор Сэ исключает влияние отрицательной обратной связи по переменной составляющей (т. е. для полезного сигнала). Разделительный конденсатор Ср1 устраняет влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала ивх на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор Ср2 обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей Uвых, которая может подаваться на нагрузочный резистор RH.
2. Перечертим входную характеристику Iб = f(Uбэ) при Uкэ = – 5 В и семейство выходных вольт-амперных характеристик Iк = f(Uкэ) при Iб = const, на которых по нескольким точкам построим кривую допустимой мощности Рк = IкUк = Рдоп, рассеиваемой транзистором (рис. 2). Ниже этой кривой из точки Uкэ = Ек, выбрав наиболее подходящий угол наклона, провести нагрузочную линию Uкэ = Ек – Iк(Rк+Rэ), на которой выбрать и отметить положение рабочей точки покоя РТ в режиме класса А и допустимые при этом пределы изменения амплитуды базового тока ±Imб, соответствующие максимальному значению входного сигнала. Положение рабочей точки на входной характеристике должно соответствовать значению тока Iб0, при котором выбрана рабочая точка на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики.
а)
б)
Рис. 2. Определение рабочего режима транзистора по входной характеристике (а) и по семейству выходных характеристик (б)
3. На графиках выходных и входной характеристик изобразить (подобно рис. 2) кривые
, 
, 
.По графикам определим и запишем следующие значения:
Iб0 = 0,4 мА;
±Im б = ±0,5(Iб max – Iб min) = ±0,5(0,6 – 0,2) = ±0,2 мА;
Iк0 = 4,2 мА;
±Im к = ±0,5(Iк max – Iк min) = ±0,5(6,7 – 2,1) = ±2,3 мА;
Iэ0 = Iб0 + Iк0 = 0,4 + 4,2 = 4,6 мА;
Uбэ0 = 0,89 В;
±Um бэ = ±Um вх = ±10 В;
Uкэ0 = 9,5 В;
±Um кэ = ±Um вых = ±0,5(Uкэ max – Uкэ min) = ±0,5(14,5 – 4,5) = ±5 В.
4. Рассчитаем значения h-параметров для схемы с общим эмиттером:
h11э = h11б / (1+h21б) = 50 / (1–0,93) = 714,2857 ≈ 714,29;
h12э = (h11б∙h22б – h12б∙h21б – h12б) / (1+h21б) = (50∙1∙10–6+ 0,5∙10–3∙0,93 –
– 0,5∙10–3) / (1–0,93) = 0,2143∙10–3 ≈ 0,21∙10–3;
h21э = – h21б / (1+h21б) = 0,93 / (1–0,93) = 13,2857 ≈ 13,29;
h22э = h22б / (1+h21б) = 1∙10–6 / (1–0,93) = 14,29∙10–6 .
Для схемы включения транзистора с общим эмиттером определим входное сопротивление транзистора rвх транз = h11э и коэффициент передачи тока β = h21э.
rвх транз = h11э = 714,29 Ом,
β = h21э = 13,29.
5. Рассчитаем значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов:
Rэ=(0,2, …, 0,3)ЕК/Iэ0 = 0,25∙ 19/4,6∙10–3 = 1032,6 Ом.
Задавшись значением сопротивления R1=(2, …, 5)∙rвх транз, определим:
R1= 3∙rвх транз= 3∙714,29 = 2142,87 Ом;
Iдел=(Iэ0∙Rэ+Uбэ0)/R1= (4,6∙10–3∙1032,6+0,89)/2142,87 = 0,0026 A;
R2=(Eк–Iдел∙R1)/(Iдел+Iб0) =(19–0,0026∙1032,6)/(0,0026+0,4)= 40,5 Ом;
Rк=(Eк–Uкэ0–Iэ0∙Rэ)/Iк0=(19–9,5–4,6∙10–3∙1032,6)/4,2= 1,13 Ом.
Эквивалентное сопротивление базовой цепи для переменной составляющей входного тока:
Rб=R1∙R2/( R1+R2)= 2142,87∙40,5/(2142,87+40,5)=39,75 Ом.
Значения емкости конденсаторов при частотной полосе входного сигнала в пределах fн=100 Гц, fв=10000 Гц определяются так:
Сэ=107/[(1,…,2)2πfнRэ]= 107/[1,5∙2∙π∙100∙1032,6]=10,28 мкФ;
Ср1= Ср2=107/[(1,…,2)2πfнRкаск вх]= 107/[1,5∙2∙π∙100∙37,65]= 281,96 мкФ.
6. Определим параметры усилительного каскада.
Входное и выходное сопротивления каскада определяются следующим образом:
Rкаск вх=Rб∙rвх транз / (Rб+rвх транз)=39,75∙714,29 / (39,75+714,29)= 37,65 Ом;
Rкаск вых=Rк / (1+h22э∙Rк)=1,13 / (1+14,29∙10–6∙1,13)=1,13 Ом.
Коэффициенты усиления каскада без дополнительной внешней нагрузки, а также без учета внутреннего сопротивления источника входного сигнала имеют вид:
KI= Iвых/Iвх ≈ β = 13,29;
KU= –(βRк)/(Rкаск вх) = –(13,29∙1,13)/(37,65)= –0,3988 ≈ –0,4;
KP= KI∙KU = –13,29∙0,4 = –5,316 ≈ –5,3.
Полезная выходная мощность каскада:
Рвых=0,5∙(Um вых)2/Rк=0,5∙(5)2/1,13 = 11,06 Вт
Полная мощность, расходуемая источником питания,
P0=Iэ0∙EK+I2дел∙(R1+R2)+I2б0∙R2= 0,0046∙19+0,00262∙(2142,87+40,5)+
+0,00042∙40,5 = 0,1022 ≈ 0,10 Вт.
Электрический КПД усилительного каскада:
ηэ = (Рвых/Р0)∙100%= (11,06/0,10)∙100% = 11060.
Коэффициент нестабильности каскада по коллекторному току (желательно, чтобы он был меньше)
S=β/(1+β∙γ) = 13,29/(1+13,29∙0,96) = 0,9659 ≈ 0,97,
где γ= Rэ /(Rб+Rэ) = 1032,6 /(39,75+1032,6) = 0,96.