Підсилювач напруги на біполярному транзисторі

МІНІСТЕРСТВО СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Федеральне державне освітня установа вищої професійної освіти

«Курська державна сільськогосподарська академія імені професора І.І. Іванова »

Кафедра електротехніки і МЗ

Курсова робота

з дисципліни «Загальна електротехніка й електроніка"

за спеціальністю 110302 - «Електрифікація і автоматизація сільського господарства»

на тему: Підсилювач напруги на біполярному транзисторі

Виконав:

Студент заочного відділення

Інженерного факультету

3 курсу 4 групи

Кононов Г.Г.

Перевірив:

Кандидат технічних наук,

доцент

Іванов В.І.

Курськ 2009

Вихідні дані для проектування

Варіант 13

Тип транзистора npn

Необхідно розрахувати параметри компонентів схеми (опору всіх резисторів і ємності конденсаторів), верхню граничну частоту f _в, побудувати діаграми напруг і струмів в різних ланцюгах схеми (на вході, в ланцюгах бази і колектора, на навантаженні).

1. Опис схеми каскаду

Підсилювач побудований за схемою з загальним емітером. На рис. 1 показана схема підсилювача на транзисторі типу n - p - n. Статичний режим (точка спокою) задається базовим дільником напруги R _1, R ₂ і сумарним опором резисторів R _ос   і R _е. в емітерний ланцюга, які забезпечують термостабілізації струму колектора спокою за рахунок негативного зворотного зв'язку (ОС) по постійному струму. Завдяки негативному ОС схема рис. 1 має високу стабільність точки спокою і при зміні параметрів транзистора (в першу чергу, коефіцієнта h _21е) статичний режим практично залишається незмінним. Резистор R _е. зашунтований конденсатором З _е. досить великої ємності для усунення впливу цього резистора на змінному струмі. Інший резистор R _ос є елементом ООС не тільки по постійному, а й за змінним струмом, яка знижує коефіцієнт підсилення до заданого значення, покращуючи стабільність параметрів підсилювального каскаду.

Рис. 1 - Схема однокаскадного підсилювача з ємнісний зв'язком на біполярному транзисторі з загальним емітером

Розділові конденсатори З ₁ і С ₂ здійснюють розв'язку по постійному і змінному струму в ланцюгах зв'язку входу підсилювача з джерелом сигналу і навантаження з виходом підсилювача. Конденсатор З ₁ з'єднує ланцюг бази з джерелом сигналу по змінному струмі і в той же час ізолює вхід каскаду по постійному струму. Конденсатор З ₂ виконує таку ж функцію по відношенню до виходу каскаду і навантаженні. Обидва конденсатора повинні мати достатньо мале опір на частоті сигналу.

2. Розрахунок каскаду по постійному струму

Напруга U _е.о - сумарне падіння напруги на двох резисторах R _oc і R _е. в ланцюзі емітера, в режимі спокою можна прийняти рівним 10% від напруги джерела живлення U _І.П. Знаходимо

U _е.о = 0,1 · U _І.П (В).

Іншу частину (90%) напруги живлення U _І.П позначимо E _к.

E _до = 0,9 · U _І.П (В).

Напруга E _до розподіляється на двох ділянках: на резисторі R _к і на транзисторі U _ке. Напруга U _ке залежить від струму колектора I _до:

U _ке = E _к - I _до · R _к, (1)

Формула (1) називається рівнянням статичної лінії навантаження (рис.2). У статичному стані (у спокої) робоча точка характеризується струмом колектора спокою I _К.О і напругою колектор-емітер спокою U _ке.о. Точка спокою Про знаходиться на статичній лінії навантаження.

У свою чергу, струм колектора спокою I _К.О залежить від струму бази відповідно до рівняння вихідних характеристик транзистора:

I _к = h _21е · I _б + h _22е · U _ке.

Отже, щоб встановити статичний режим у точці О, потрібно задати відповідний струм бази спокою I _Б.О., так щоб в точці О перетнулися лінії статичної лінії навантаження і вихідної характеристики для струму бази I _б = I _Б.О..

Резисторний дільник R _1, R ₂ в ланцюзі бази забезпечує струм бази спокою I _Б.О., який задає потрібну точку спокою (I _К.О; U _ке.о) у статичному режимі.

Рис. 2 - Графіки статичної та динамічної ліній навантаження

Для змінної складової струму колектора (тобто сигналу) реактивний опір конденсатора С ₂ мало і тому опору навантаження і колектора включені паралельно: R _К.Н = R _к | | R _н.

Коливання струму колектора і напруги на колекторі пов'язані динамічної лінією навантаження, яка проходить через точку спокою Про під великим кутом до осі U _ке, ніж статична:

U _ке = E _к.екв - I _до · R _К.Н, (2)

де напруга еквівалентного джерела

E _к.екв = . (3)

Статична і динамічна лінії навантаження показані на рис. 2.

При проектуванні приймають опір R _до ≈ 2,5 · R _н і вибирають стандартний номінал R _к, керуючись низкою Е24 (табл.2).

Таблиця 1 - Стандартні номінальні значення опорів

Приймаються R _к = 2,5 · R _н (кОм) і вибираємо стандартний номінал R _к.

Знаходимо еквівалентний опір навантаження в ланцюзі колектора

R _К.Н = R _к | | R _н = (КОм).

Положення точки спокою (I _К.О; U _ке.о) на статичній лінії навантаження зручно визначати графо-аналітичним методом, маючи в своєму розпорядженні графіками вихідних характеристик. Для того, щоб забезпечити симетричні умови для позитивної та негативної півхвиль коливань вихідної напруги, точку спокою (I _К.О; U _ке.о) слід вибирати в середині активної ділянки динамічної лінії навантаження. З практичного досвіду можна рекомендувати значення U _ке.о, рівне четвертої частини E _к. Вибираємо

U _ке.о = 0,25 E _к.

Після цього обчислюємо струм колектора I _К.О в точці спокою

I _К.О (МА)

і з рівняння вихідної характеристики струм бази спокою I _Б.О. в точці спокою

I _Б.О. (МА).

Знайдемо е.р.с. еквівалентного джерела

E _к.екв = (В).

Розрахуємо опору R ₁ і R _2. Базовий дільник R _1, R ₂ повинен забезпечувати необхідний потенціал бази в режимі спокою

U _Б.О. = U _е.о + U _бе.о

і струм бази спокою

I _Б.О. = I ₁ - I _2.

Існує необмежену кількість пар значень R ₁ і R _2, відповідають указаним умовам. При великих номіналах цих опорів менше вплив резисторного дільника на вхідний опір каскаду, але нижче стабільність точки спокою. При малих значеннях зазначених опорів стабільність каскаду поліпшується, але зростає шунтуючі дію резисторів R ₁ і R ₂ на вхідний ланцюг. Для визначеності можна вибрати компромісне умова:

Струм I ₂ = 5 · I _Б.О.. Тоді струм I ₁ = 6 · I _Б.О..

Обчислюємо струми в базовому дільнику:

I ₂ = 5 · I _{б. Про} (мА).

I ₁ = 6 · I _{б. Про} (мА).

Тепер, використовуючи значення струмів I ₁ і I _2, можна розрахувати опору:

(КОм);

(КОм),

після чого округляємо отримані значення до найближчих стандартних номіналів.

Сумарний опір резисторів у ланцюзі емітера одно

R _е + R _ос = (КОм).

3. Розрахунок каскаду по змінному струму в області середніх частот

Коефіцієнт посилення по напрузі підсилювального каскаду в області середніх частот дорівнює

,

де - Вхідний опір транзистора.

Без резистора R _ос у ланцюзі емітера = H _11е, та посилення максимально. Резистор R _ос збільшує вхідний опір транзистора :

R _{вх.тр.ос} = h _11е + (h _21е + 1) R _ос

і знижує посилення. Величину R _ос вибирають, виходячи із заданого коефіцієнта посилення .

Вхідний опір транзистора без ООС залежить від струму бази спокою:

,

де   =   26 мВ = 0,026 В - "температурний потенціал" (параметр напівпровідника).

Знаходимо вхідний опір транзистора без ООС (КОм).

Визначаємо необхідну вхідний опір транзистора з ООС:

R _{вх.тр.ос} = (КОм).

Обчислюємо опір резистора R _ос у ланцюзі емітера:

(КОм)

і приводимо до стандартного номіналом.

Визначаємо опір

R _е = (R _е. + R _ос) - R _ос (кОм).

Округлюємо опір R _е. до стандартного номіналу.

4. Розрахунок каскаду в області низьких частот

В області низьких частот (НЧ) посилення каскаду зменшується через вплив розділових конденсаторів C ₁ і C ₂ і шунтуючого конденсатора C _е:

,

де - Постійна часу підсилювача в області НЧ.

Нижня гранична частота, на якій посилення зменшується в раз, дорівнює

.

визначається постійними часу трьох ланцюгів, в які входять зазначені вище конденсатори:

.

Тут постійна часу вхідного ланцюга

t _Н1 = R _вх · C _1,

де R _вх - вхідний опір каскаду з урахуванням впливу базового дільника

R _вх = R _{вх.тр.ос} | | R ₁ | | R _2;

постійна часу вихідного ланцюга

t _н2 = (R _к + R _н) · C _2;

постійна часу ланцюга емітера

t _н.е .

Виходячи із заданої нижньої частоти підсилювача f _н, визначаємо необхідну величину постійної часу τ _н (в мілісекундах):

(Мс).

Визначимо значення t _Н1, t _н2 і t _Н3. Доцільно прийняти постійні часу всіх трьох ланцюгів однаковими:

t _Н1 = t _н2 = t _н = 3 t _н (мс).

Обчислюємо вхідний опір підсилювача:

R _вх (КОм)

і знаходимо ємність С _1:

= (МкФ).

Округлюємо З ₁ до найближчого стандартного номіналу.

Знаходимо ємність З _2:

(МкФ).

Округлюємо З ₂ до найближчого стандартного номіналу.

Знаходимо ємність С _е:

(МкФ).

Округлюємо З _е. до найближчого стандартного номіналу.

Таблиця стандартних номінальних значень ємностей

5. Розрахунок каскаду в області високих частот

З підвищенням частоти також відбувається зменшення коефіцієнта підсилення в порівнянні з областю середніх частот:

,

де t _в - постійна часу підсилювача в області високих частот (ВЧ).

Зниження посилення на ВЧ зумовлено двома чинниками:

1. зменшенням модуля диференціального коефіцієнта передачі струму в порівнянні з h _21Е;

2. впливом вихідний ємності транзистора З _вих і ємності навантаження С _н, шунтуючих вихідний ланцюг підсилювача.

Тому t _в визначається і частотними властивостями транзистора (з урахуванням ООС), і паразитними ємностями. При великій ємності навантаження вона є основною причиною завалу частотної характеристики підсилювача на високих частотах.

Визначаємо постійну часу підсилювача в області високих частот

(Мкс)

і знаходимо верхню частоту підсилювача f _в, на якій посилення зменшується в разів у порівнянні з областю середніх частот:

f _в (КГц).

6. Побудова діаграм напруг і струмів

Побудуємо в координатах U _ке; I _до (рис. 3) динамічну лінію навантаження, яка пов'язує коливання напруги колектор-емітер з коливаннями струму колектора

U _ке = E _к.екв - I _до · R _К.Н

і вихідну характеристику, відповідну току бази спокою

I _к = h _21е · I _Б.О. + h _22е · U _ке.

Точка спокою Про знаходиться на перетині цих ліній.

Вибираємо амплітуду коливань струму бази I _б.m.

Будуємо графіки двох вихідних характеристик для мінімального струму бази

I _{б. Min}   = I _Б.О. - I _б.m

і максимального струму бази

I _{б. Max}   = I _Б.О. + I _б.m

Визначаємо на графіку динамічної лінії навантаження координати точок А, О і В. Знаходимо за цим графіком амплітуду струму колектора і амплітуду змінної складової напруги на колекторі: I _{к. m} і U _{ке. M} = U _{вих. M}   .

Обчислюємо амплітуди вхідної напруги і змінної складової напруги база-емітер

U _вх.m = I _б.m · R _{вх.тр.ос;}

U _бе.m = I _б.m · h _11е.

По динамічної лінії навантаженні і побудованим діаграм визначаємо значення амплітуди вихідної напруги U _вих.m, обчислюємо коефіцієнт посилення

і порівнюємо його з заданою величиною K _u.

Зображуємо тимчасові діаграми:

• напруги на вході каскаду u _вх (t) (з нульовою постійної складової);

• напруги на емітерний перехід u _бе (t) (з урахуванням полярності та величини постійної складової U _бе.о);

• струму бази і струму колектора (струми при будь-якому типі транзистора вважати позитивними);

• напруги колектор-емітер (з урахуванням полярності та величини постійної складової U _ке.о);

• вихідної напруги на навантаженні.

Визначаємо на графіку динамічної лінії навантаження координати точок 1, О і 2. Знаходимо за цим графіком амплітуду струму колектора і амплітуду змінної складової напруги на колекторі:

I _{к. m} = 0,6   мА; U _{ке. m} = U _{вих. m}   =   0,9   В.

Зображуємо тимчасові діаграми напруги на вході каскаду u _вх (t), напруги на емітерний перехід u _бе (t), струму бази і струму колектора, напруги колектор-емітер і вихідної напруги на навантаженні.

Література

1. Опадчій Ю.Ф. Аналогова та цифрова електроніка (Повний курс): Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчій, О.П. Глудкін, А.І. Гуров; Під ред. О.П. Глудкін. - М.: Гаряча Лінія - Телекому, 2002. - 768 с.

2. Лачін В.І. Електроніка: Учеб. посібник / В.І. Лачін, Н.С. Савелов. - Ростов н / Д: вид-во "Фенікс", 1998. - 448 с.

3. Гусєв В.Г. Електроніка: Учеб. посібник / В.Г. Гусєв, Ю.М. Гусєв. - 2-е вид. - М.: Вищ. шк., 1991. - 622 с.