Методика расчёта каскадов усилителя

ЗАДАНИЕ

На контрольную работу по электронике

Студенту _2_курса (гр.ЗЭО-24У)электроэнергетического факультета

Вологодского государственного технического университета

________

(фамилия, имя, отчество)

1. Наименование темы : (в соответствии с заданием)

2 Целевая установка: На основе анализа технических характеристик и способов практической реализации электронных элементов (приборов) выбрать и рассчитать элементы и основные параметры электронного устройства, соответствующего варианту задания. Построить и проанализировать выходные и входные характеристики.

3 Основные вопросы, подлежащие разработке: .

1. Общая характеристика устройства

2. Выбор и расчёт основных элементов и параметров схемы устройства.

3. Расчёт, построение и анализ основных характеристик.

4. Исходные данные:

1. _____________________________;

2._.____________________________________;

3._.___________________

5. Общий объём и требования к оформлению:

Общий объём не должен превышать 10-12 страниц рукописного текста. Работа выполняется в ученической тетради объёмом 12-18 листов, аккуратно и грамотно. Структурные и функциональные схемы должны соответствовать требованиям ЕСКД и ГОСТ.

6. Перечень литературы:

1 Степанов О.И. Курс лекций по дисциплине «Пром.электроника»- Вологда, ВоГТУ, 2008 г. с. 84 Электронный вариант.

3 Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника. Высшее образование:Уч. пос..4-е изд.- Ростов, изд. Феникс, 2004.-256с.

4. Расчёт электронных схем. Учебное пособие для Вузов, под редакцией Г.И. Изъюровой.- М: Высшая школа, 1987 г., с 184.

5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана, М: Радио и связь, 1981г., с. 656.

Срок представления работы руководителю не позднее чем за 3 дня до начала сессии.

 

Примечание: Количественные величины исходных данных приведены в таблице в соответствии с номером варианта задания.

 

«___»___________200 г. Руководитель Степанов О.И.

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Усилительный каскад сигналов переменного тока на биполярном транзисторе с ОЭ.

Исходные данные:

1. Напряжение источника питания -- Е;

2. Входное сопротивление R_вх.;

3. Максимальная амплитуда входного сигнала U_вх.а;

4. Коэффициент усиления К_uo;

5. Активная внешняя нагрузка R_н;

6. Ёмкость нагрузки С_н;

7. Нижняя граничная частота сигнала f_н;

8. Верхняя граничная частота сигнала f_в;

Выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало. Потребляемый каскадом ток должен быть близок к минимально возможному.

Разрешается использовать резисторы с 5-ти омным отклонением от номинала.

При расчёте приходится использовать две ситуации – режим покоя каскада, когда входной сигнал отсутствует и отдельно оценивать влияние сигнала.

Схема усилительного каскада показана на рисунке 2.

 

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 1

 

Исходные данные	Номер варианта
Источник питания, В	1 5
Входн. сопр. Rвх.,кОм
Входн. сигн Uвх.,мВ
Коэффиц. усиления по напряж. Кu	≈ 50
Активн.нагр.Rн,кОм
Ёмкость нагр.Сн, пФ	≤ 50
Нижн. граничн. част сигн. fгр.кГц
Верхн. граничн. част. сигнала fгр. в.,кГц

 

Выходное сопротивление источника входного сигнала пренебрежимо мало, а потребляемый каскадом ток должен быть близок к минимально возможному. При расчётах разрешается использовать резисторы с 5%-ным отклонением от номинала.

Методика расчёта каскадов усилителя

Проектирование усилителя начинают с составления структурной схемы и выбора её элементов, исходя из предъявленных к усилителю требований.

При выборе структурной схемы решают, нужны ли в проектируемом усилителе входное и выходное устройства, усилитель мощности и предварительный усилитель. Составив структурную схему усилителя, выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств (резистивно-емкостные, трансформаторные), каскада усилителя мощности (однотактный, бестрансформаторный, трансформаторный), каскадов предварительного усиления (с прямой связью, резистивный, трансформаторный, инверсный и т.д.).

После этого выбирают транзисторы для всех усилительных каскадов, исходя из заданной выходной мощности или выходного напряжения и напряжения источника сигнала, приближённо определив требуемый от каскадов коэффициент усиления. Затем осуществляют ориентировочный выбор принципиальной схемы усилителя и распределяют заданные частотные искажения М_н и М_в по цепям и каскадам, вносящим эти искажения. Распределение М_н и М_в производят отдельно на нижней и верхней рабочих частотах. После этого выбирают режим работы транзисторов и осуществляют электрический расчёт элементов схемы.

Расчёт усилителя проводят начиная с оконечного каскада, а затем рассчитывают предоконечный каскад и последовательно доходят до входа.

 

1. Расчёт выходной цепи.

Эквивалентная схема выходной цепи для сигнала (по переменному току) приведена на рис.3,

где транзистор представлен источником тока, шунтированным сопротивлением r_к и ёмкостью С_к его коллекторного перехода.

Так как ток каскада следует брать минимальным, определим максимально допустимое сопротивление R₅ обеспечивающее пропускание f_гр.в. Ёмкость конденсатора С₃ >> С_н заведомо, поэтому на высоких частотах С₃ можно считать коротко замкнутым. Кроме того r_к >> R_н и С_к<< С_н, поэтому влияние r_к и С_к меньше погрешности расчёта и соответственно ими можно пренебречь. Таким образом, постоянная времени перезаряда С_н есть Т_н@ (R₅ II R_н) С_н

Имеем f_гр.в = 1 / 2p Т_н, откуда R₅ II Rн £ 1 / 2p С_н f _гр.в.

Из уравнения R₅ II R_н = R₅ R_н / (R₅ + R_н) получим значение R₅.

Чтобы иметь запас по f_гр.в выбираем ближайший меньший номинал для резистора R₅

Выбираем напряжение покоя коллектора транзистора U_ко. Максимальное амплитудное значение выходного сигнала есть U_вых.а =К_uo U_вх.а.

 

Следовательно, диапазон возможных напряжений на коллекторе U_ко будет равен.

Примем U_ко =2Е / 3 и напряжение покоя базы U_бо = Е / 3, тогда диапазон возможных изменений U_к будет U_к @ U_ко ± и если он заведомо больше чем требуется, то такой запас позволяет не беспокоиться о возможном отклонении U_ко от расчётного значения вследствие отклонений сопротивлений резисторов от номинальных значений или температурного дрейфа параметров транзисторов.. Вместе с тем ток покоя коллектора транзистора будет достаточно невелик.

I_к = (Е — U_ко) / R₅

 

Ёмкость конденсатора С₃ должна быть выбрана такой, чтобы обеспечивалась передача сигнала с f_гр.н с коллектора транзистора на сопротивление нагрузки. Из эквивалентной схемы видно, что перезаряд этого конденсатора происходит через последовательное соединение R₅ и R_н. Следовательно, постоянная времени перезаряда С₃ составит:

Т_нч = (R_{5 +} R_н) С₃ ³ 1/ 2p f_гр.н.

Отсюда получим

С₃ ³ 1 / 2pf_гр.н. (R₅ + R_н).

 

В качестве конденсатора можно использовать керамический или бумажный конденсатор с расчётной ёмкостью.

 

 

2. Расчёт эмиттерной цепи.

Эквивалентная схема эмиттерной цепи представлена на рисунке 4.

Здесь транзистор со стороны эмиттера представлен как генератор напряжения, равного входному с выходным сопротивлением r_б / h_{21э +} 1) + r_э. Иными словами со стороны эмиттера транзистор ведёт себя как эмиттерный повторитель—он, транзистор, «не знает» что происходит в коллекторной цепи. При значениях h_21э ≥ 20 можно полагать что ток покоя эмиттера I_э = I_к. Отсюда можно определить, учитывая что U_б-э ≈ 0,7 В:

R₄ ≈ (U_бо — U_бэ) / I_э.

 

Выберем номинал R₄ из существующих или ближайших к расчётному

Дифференциальное сопротивление транзистора со стороны эмиттера есть (объёмными сопротивлениями базы и эмиттера можно пренебречь):

r_б / (h_21э + 1) + r_э

Полагая,что ёмкость конденсатора С₂ достаточно велика и с учётом величины h_21э определим сопротивление R₃, обеспечивающее заданный коэффициент усиления, из уравнения:

К_u ≈ [ R₅/(r_э + R₃ II R₄ ) ] R_н + R₃ ) = (R₅ II R_н) / (r_э + R₃ II R₄ )

 

Получим значение R₃ и выберем ближайший меньший номинал R₃ (меньший для того, чтобы получить небольшой запас усиления, т.к. сделанные приближения, в частности наличие объёмных сопротивлений базы и эмиттера и обратного сопротивления коллектора ведут к тому, что реальный коэффициент усиления может оказаться несколько меньше расчётного).

Конденсатор С₂ должен шунтировать на землю все частоты превышающие f_гр.н. Следовательно, постоянная времени его перезаряда должна быть не меньше ранее вычисленной Т_нч = 1/2pf_гр.н.. Так как R₄» r_э + R₃, то перезаряд конденсатора С₂ будет происходить практически полностью через последовательное соединение r_б / h_21э + 1) + r_э + R₃ , uгде влиянием первого слагаемого можно пренебречь. Следовательно должно соблюдаться условие (r_э + R₃ ) C₂ ≥ Т_нч, откуда следует значение С₂. Выбираем ближайший больший номинал электролитических конденсаторов для С₂. Заметим, при каком (в процентном соотношении) уменьшении ёмкости С₂ её величина будет достаточна для обеспечения полосы

пропускания со стороны низких частот.

 

3. Расчёт базовой цепи.

Эквивалентная схема входной цепи и эквивалентная схема цепи базы представлена на рисунке 5 а,б.

РИС. 5

 

При расчёте базовой цепи необходимо обеспечить выполнение двух требований, заданных условиями задачи, а именно:

1) обеспечить R_вх. не менее заданного

2) ток покоя базы не должен существенно влиять на режим работы каскада.

 

Рассмотрим первую задачу.

Резисторы в цепи базы соединены последовательно по отношению к источнику питания, но параллельно по отношению к сигналу. Поэтому входное сопротивление каскада для сигнала есть

 

R_вх =R₁ II R₂ II R_вх.т, где R_вх.т = r_б + (r_э+ R₃)(h_21э + 1).

Теперь можно рассчитать величину R₁ II R_2.

Имеем R_вх. = R₁ II R₂ II R_вх.т = (R1 II R2) II R_вх.т = (R1 II R2)R_вх.т / (R1 II R2 + R_вх.т). Отсюда

следует выполняется ли условие R₁ II R₂ и чтобы иметь запас по R_вх и не нагружать напрасно источник питания делителем, примем соответствующее значение сопротивлений, составляющих делитель R₁ II R₂.

Располагая этой оценкой для R₁ II R₂ можно рассчитать R₁ и R₂ и оценить влияние тока базы на режим каскада. Ток покоя базы, протекая через делитель напряжения R₁, R₂ вызывает на нём дополнительное падение напряжения и тем самым влияет на напряжение покоя базы U_бо. При изменениях тока базы будет меняться и U_бо, что нежелательно.

Ток покоя базы есть:

I_б = I_э / (h_21э +1) = (U_бо — U_бэ) / [ R₃ (h_21э + 1)], где

U_бэ = 0, 7В приближённо можно считать величиной постоянной. Теперь цепь базы по постоянному току можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рисунке 5.

Из этой схемы можно получить:

U_бэ =Е [R₂ / (R₁ + R₂)] (R₄(h_21э +1) + R₁ II R₂ ]) +U_бэ (R₁ II R₂ ) / [R₄ (h_21э + 1)+ R1II R2 ].

Из этого выражения видно, что чем больше h_21э, тем слабее будет влияние тока базы на U_бо и если R₄(h_21э + 1)» R₁ II R₂ , то этим влиянием вообще можно пренебречь. _. Если бы это условие не выполнялось, было бы необходимо выбрать транзистор с большим h_21э.

Чтобы рассчитать R₁ и R₂ заметим, что R₂/ (R₁ + R₂) = (R1II R2) / R₁ и перепишем уравнение для U_бо в виде:

 

U_бо= Е[(R1II R2) / R₁] {R₄ (h_21э +1)/ [R₄(h_21э +1) + R₁ II R₂]} + U_бэ (R₁ II R₂)/

/ [R₄ (h_21э + 1) + R₁ II R₂ ]

Подставляя сюда ранее вычисленные или выбранные значения, получим уравнение относительно R₁:

Решив это уравнение, получим величину R₁, однако прежде чем выбирать значения R₁ сначала надо найти R₂ из уравнения:

R₁ II R₂ = 50 кОм = R₁R₂ / (R₁ + R₂).

Получив значение R₂, выберем в качестве R₁ и R₂ резисторы с близкими к расчётным меньшими значениями сопротивлений, обеспечивающими нужное отношение R₂ / R₁; Имея R₂ /R₁ проверяем заданное условие для R_вх.

R_вх. = R₁ II R₂ II R _вх.т.

 

Конденсатор С₁ образует с R_вх квазидифференцирующую цепь, постоянная времени которой должна быть не меньше Т_нч ≈ 8 мс и следовательно ёмкость С₁ должна удовлетворять условию С₁ ≥ Т_нч / R_вх.. Выбираем в качестве С₁ керамический или бумажный конденсатор с требуемой ёмкостью..

Проверяем правильность выбора типа усилительного прибора.

В качестве транзистора может быть использован, например, КТ 315Б.

Следует учесть, что в паспортах транзисторов указывается h_21э для тока эмиттера I_эном., при котором значение h_21э максимально. Если I_э < I_эном., то h_21э≈ h_21эном (I_э / I_эном.)^1/3.

Суммарный ток отбираемый каскадом от источника есть сумма токов транзистора и делителя в цепи базы.. Отсюда мощность, рассеиваемая каскадом, есть:

Р = Е · (I_т + I_д).

и проверяем как соотносится полученное значение с допустимой мощностью рассеяния любого из применяемых компонентов. Если Р > Р_доп, то дополнительно потребовался бы расчёт мощностей, рассеиваемых транзистором и резисторами, чтобы убедиться, что эти мощности не превышают допустимых величин.

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2