Краткие теоретические сведения. Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Основными параметрами усилителя являются коэффициент усиления по напряжению K_u = U_вых/ U_вх, коэффициент усиления по току К_i = I_вых/ I_вх и коэффициент усиления по мощности

К_р = Р_вых/ Р_вх = K_u К_i.

Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления, но в любом случае коэффициент усиления по мощности К_р больше (обычно существенно больше) единицы.

Коэффициенты усиления K_u, K_i, K_р являются взаимосвязанными параметрами. Вместе с тем при расчете или выборе усилителя для конкретного случая применения предпочтение может отдаваться одному из указанных параметров. Это зависит от того, какой параметр сигнала на выходе усилителя (напряжение, ток или мощность) является определяющим. Наиболее часто им служит напряжение выходного сигнала.

Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимами работы.

К усилителям с линейным режимом работы (или усилителям мгновенных значений) предъявляется требование получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными.

Коэффициенты усиления рассчитывают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусоидального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления K_u, определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты.

В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока — УПТ), усилители звуковых частот (УЗЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), широкополосные усилители (ШПУ) и узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ — способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к нулю.

Граница верхней частоты в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10³—10⁸ Гц. УЗЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц (ƒн – нижняя граничная частота) до 15—20 кГц (ƒв – верхняя граничная частота). УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ имеют нижнюю границу частоты примерно такую же, как УЗЧ, и верхнюю — как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ характеризуются пропусканием узкой полосы частот.

В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ (функцию которого может выполнять биполярный или полевой транзистор) и балластный резистор (рис. 2.1).

Выходной сигнал U_вых снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Рис. 2.1. Принцип построения усилительного каскада

Переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие, установленные в режиме покоя.

Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих. Если эти условия не будут выполняться, то ток в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока Iп и напряжения Uп.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи (I_вх._п., U_вх._п) и по выходной цепи (I_вых._п, U_вых.п) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. По этому принципу различают три типа усилительных каскадов на биполярных транзисторах: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 2.2, получившей наибольшее применение.

Рис. 2.2. Принципиальная схема усилительного каскада

на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Основными элементами схемы являются источник питания U_ип, управляемый элемент — транзистор VТ и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы С₁, С₂ являются разделительными. Конденсатор С₁ исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи U_ип –R₁ – R_и и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_и напряжения на базе U_бп в режиме покоя. Функция конденсатора С₂ сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R₁, R₂ используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток I_кп) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бп.

Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_э приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению схемы.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С₂ передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

2.5. Рекомендуемая последовательность выполнения расчета усилительного

каскада

1. В соответствии с номером варианта задания из таблицы 2.1 выписать исходные данные: U_вых, f_н, R_г, R_н, М_н.

2. Выбор транзистора по справочнику:

Для того чтобы транзистор не выходил за пределы области безопасных режимов работы (ОБРР) необходимо соблюдение следующих условий:

U_{кэ доп}³U_{кэ макс}; I_{к доп}³I_{к макс}; U_{кэ макс} ³ U_ип; I_{к доп}³ 2^. I_н_m.

При известном значении U_вых определим U_ип:

U_ип= 2U_вых_m+ D U_{кэ мин},

где U_вых_m – амплитудное значение выходного напряжения каскада;

D U_{кэ мин}– напряжение, соответствующее начальному, существенно нелинейному

участку выходных вольт-амперных характеристик транзистора.

Обычно выбирают D U_{кэ мин} = 2 В.

По справочнику выбрать маломощный низкочастотный или высокочастотный транзистор с указанием его типа и допустимых параметров: U_{кэ доп,}I_{к доп}, Р_к.доп, f_гр, h_21Э, h_11Э.

Величину h_11Э принять равной 600 Ом для любых типов транзисторов. Величину h_21Э принять равной среднему значению из диапазона по справочным данным.

3. Рассчитать сопротивления резисторов R_к и R_э.

В режиме покоя Iк п выбирают не более Iк доп / 2, однако из практических соображений не рекомендуется выбирать Iк п более 10 мА для усилительных каскадов на маломощных транзисторах. Выбрать Iк п из диапазона от 2 до 10 мА.

Потенциал коллектора транзистора в схемах каскадов с ОЭ в режиме покоя принимают равным половине напряжения источника питания, а падение напряжения на R_э 10…15% U_ип. Тогда R_к = U_R_к/ I_{к п}, R_э = U_R_э/ I_{к п}.

Выбрать стандартные значения номинальных сопротивлений резисторов в соответствии с параметрическим рядом Е24 (см. Приложение 4).

Рассчитать рассеиваемую мощность на корпусе резисторов и выбрать ближайшее большее ее значение по параметрическому ряду мощностей для выбранного типа резистора (см. Приложение 4).

4. Рассчитать сопротивления входного делителя R₁ и R₂.

Для обеспечения достаточной температурной стабильности каскада исходя из практических рекомендаций ток делителя должен быть в 2…5 раз больше тока базы покоя транзистора I_{б п}. При этом I_{б п} = I_{к п}/ h_21Э.

Для определения U_{бэ п} воспользуемся уравнениями, приблизительно описывающими начальный рабочий участок входной вольт-амперной характеристики биполярного транзистора (при токе базы покоя не более 0,5 мА).

Для германиевых транзисторов U_{бэ п} = 0,2 + h_11Э^. I_{б п}.

Для кремниевых транзисторов U_{бэ п} = 0,4 + h_11Э^. I_{б п}.

R₂ = (U_{бэ п} + U_R_э)/ I_дел; U_R₂ = I_дел ^.R₂; R₁ = (U_{и п} - U_R₂)/ (I_дел + I_{б п}).

Выбрать стандартные значений сопротивлений.

Рассчитать рассеиваемую мощность резисторов и выбрать ближайшее большее значение по параметрическому ряду мощностей для выбранных типов резисторов:

Р_R₁ = (I_дел + I_{б п}) ²R₁; Р_R₂ = I_дел ²R₂.

5. Рассчитать емкости разделительных конденсаторов С₁, С₂ и блокировочного конденсатора С_Э.

С₁ = 1/(2pf_н(R_г + R_вх)^.(М_н² – 1)^1/2, где R_вх = R₁ || R₂ || h_11э,

R_вх = (1/R₁ + 1/ R₂+ 1/ h_11э)^-1,

С₂ = 1/(2p^.f_н^.(R_к + R_н)(М_н² – 1)^1/2,

С_Э = (1 + h_21э) /(2p^.f_н^.(R_г^' + h_11э)(М_н² – 1)^1/2, где R_г^' = R_г || R₁ || R₂,

R_г^' = (1/R_г+ 1/ R₁ + 1/ R₂)^-1.

6. Входное и выходное сопротивление переменному току.

Для расчета входного и выходного сопротивлений используем схему замещения (рис.2.3).

Рис. 2.3. Схема замещения усилительного каскада на биполярном транзисторе

R_вых = (1/h_22Э) || R_к, т.к. r_k^*>> R_к (где r_k^*=1/h_22Э), то R_вых» R_к.

7. Определить коэффициент усиления каскада по напряжению:

К_U = (R_к || R_н)^.h_21Э /h_11Э.

Расчетно-графическая работа №3 (РГР-3).

Расчёт импульсных устройств на биполярных транзисторах

Задание на выполнение расчета импульсного устройства на биполярных

Транзисторах

1. Произвести расчёт импульсного устройства в соответствии с номером

варианта задания по типовой методике.

2. Выбрать по справочнику элементы схемы со стандартными номинальными

параметрами и занести в таблицу типовой формы.

3. Оформить отчет по РГР в соответствии с существующими требованиями.

Исходные данные

Таблица 3.1

№ вар.	Тип устройства	Uвых.и., В	tи., мкс	T, мкс	Rн., кОм	tокр., +⁰C	tф £, мкс	tс £, мкс

								2,5
							0,5	1,2
					2,5		0,3	0,7
							1,5	3,3
					3,5			4,7
					0,5


							8,5
							6,5
					0,5		2,5
					1,5			7,5

							5,5
					2,5
							0,2	0,6
					3,5		0,5	1,2
							0,6	1,5
					3,5		0,8
							1,2	2,7
					2,5		1,3	2,5
							2,3
					1,5		3,5
							4,3
					0,5		5,6	1,2
							0,1	0,3
					1,5		0,2	0,5
							0,3	0,7
					2,5		0,7	0,9
							1,1	2,5
					3,5		1,6	3,2
							2,3
					3,5		2,4	6,3
							4,5	9,2
					0,5		5,7
							6,2
					1,5		8,3
							0,1	0,2
					2,5		0,2	0,3
							0,3	0,6
					3,5		0,2	0,5
							0,5	1,2

Продолжение табл. 3.1


3,5	0,6	1,5
2,5	0,8	1,7
	0,9	1,9
1,5	1,1	2,3
	1,3	2,7
0,5	1,4	2,9
	2,4
1,5	4,2	8,3
1,4	2,2	5,5
1,1	1,1	2,2
1,2	1,2	2,3
1,3	1,3	2,4
	1,4	2,5
2,2	1,5	3,6
2,4	1,6	3,4
2,6	1,7	3,2
2,8	1,8	4,2
	1,9	5,2
3,1	2,0
3,2	2,1	6,1
3,3	2,2	6,2
3,5	0,9	6,3
3,6	0,8	6,4
	0,7	1,8
4,2	0,6	1,9
4,6	0,5
	0,4	1,2
3,2	0,3	1,1
3,1	0,2	0,8
2,9	0,1	0,9
2,8	0,6	0,9
2,7	0,7	2,1
	0,8	2,4
	1,7	3,2
3,5	1,8	4,2
	1,9	5,2
2,5	2,0
	2,1	6,1
1,5	2,2	6,2
	0,9	6,3
0,5	0,8	6,4
	0,7	1,8
1,5	0,6	1,9
	0,5
2,5	0,4	1,2
	0,3	1,1
3,5	0,2	0,8

Окончание табл. 3.1


	0,1	0,9
3,5	0,6	0,9
	0,7	2,1
0,5	0,8	2,4
	1,7	3,2
1,5	1,8	4,2
	1,9	5,2
2,5	2,0
	2,1	6,1
	2,2	6,2
3,5	0,5

Примечание: в таблице указаны следующие типы импульсных устройств:

1) несимметричный мультивибратор;

2) ждущий мультивибратор;

3) триггер Шмитта.

3.3. Расчет типовых импульсных устройств

3.3.1. Расчет автогенераторного мультивибратора на биполярных транзисторах

(рис. 3.1)

Исходные данные:
U_вых._m – амплитуда выходных импульсов;

t_и – длительность импульса;

t_ф – длительность фронта;

t_с – длительность среза;

Т – период следования импульсов;

R_н – сопротивление нагрузки;

t_окр^о – температура окружающей среды.

Рис. 3.1. Автогенераторный мультивибратор на биполярных транзисторах

Последовательность расчета автогенераторного мультивибратора на биполярных транзисторах:

1. Выбрать тип транзистора по следующим параметрам:

f_h_21б – граничная частота транзистора в схеме с общей базой;

U_КБмакс – максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором;

h_21э – минимальное значение коэффициента усиления по току.

По частотным свойствам к транзисторам мультивибратора предъявляются следующее требование

f_h_21б ≥ 5(Q - 1)/ t_и,

где Q – скважность импульсов.

По коэффициенту усиления: h_21э = (Q - 1)К_нас/ 0,23

К_нас– коэффициент насыщения транзистора в схеме мультивибратора.

Для мультивибраторов рекомендуется выбирать К_насв пределах 2…3

Требование по U_КБмакс: U_КБмакс≥ 2U_ип; U_ип= (1,1 - 1,2) U_вых._m.

2. Рассчитать сопротивления в цепи коллекторов транзисторов.

Принять R_к1 = R_к2 = R_к.

R_к = К U_вых._m / I_к.нас

где К – коэффициент запаса (К = 3…4)

I_к.нас – ток насыщения коллектора транзистора при указанной в исходных

данных температуре окружающей среды;

I_к.нас ≤ I_ки ;

I_ки– импульсный ток коллектора транзистора.

3. Рассчитать сопротивления в базовых цепях транзисторов. Примем R_б1 = R_б2 = R_б

R_б = h_21э R_к / К_нас

4. Проверить условие температурной стабильности схемы

I_{КБОмакс} = I_КБО 2⁽^{tокр-20)/10}

Если выполняется условие I_{КБОмакс} R_б / U_ип– значительно меньше единицы, то температурным влиянием обратного тока коллектора транзистора на величины t_и и Т можно пренебречь. В противном случае необходимо скорректировать расчет.

5. Рассчитать емкости конденсаторов времязадающих цепей.

С_б2 = t_и / 0,7R_б;С_б1 = (Т - t_и) / 0,7R_б.

6. Проверить длительности фронта и среза

t_ф = 2τ_α; τ_α = 0,16/ f_h_21б; t_с = 2,3 R_кC_б2.

Если полученные значения не превышают заданных, то рассчитанные значения емкостей оставить.

3.3.2. Расчет ждущего мультивибратора (рис.3.2.)

Исходные данные: U_вых._m; t_и; t_ф; t_с; Т; R_н; t_окр^о.

Рис. 3.2. Ждущий мультивибратор на биполярных транзисторах

Рекомендуемая последовательность расчета ждущего мультивибратора:

1. Выбрать тип транзистора по следующим параметрам:

f_h_21б – граничная частота транзистора в схеме с общей базой;

U_КБмакс – максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором;

h_21э – минимальное значение коэффициента усиления по току.

По частотным свойствам к транзисторам мультивибратора предъявляются следующее требование

f_h_21б ≥ 5(Q - 1)/ t_и

где Q – скважность импульсов

по коэффициенту усиления: h_21э = (Q - 1)К_нас/ 0,23

К_нас– коэффициент насыщения транзистора в схеме ждущего мультивибратора.

Для ждущего мультивибратора рекомендуется выбирать К_насв пределах 1,2 – 1,4

Требование по U_КБмакс: U_КБмакс≥ 2U_ип; U_ип= (1,1 - 1,2) (U_вых._m + U¹)

Где U¹ – падение напряжения на резисторе R_э в режиме ожидания

Обычно выбирают U¹ = (0,2…0,3) U_ип

2. Рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора транзистора VT2.

R_к2 = К_зап U_вых._m / I_к2.нас,

I_к2.нас – ток насыщения коллектора транзистора VT2 при указанной в исходных данных температуре окружающей среды

I_к2.нас ≤ I_ки

I_ки– импульсный ток коллектора транзистора

К_зап – коэффициент запаса. Обычно, в целях экономичности работы схемы принимают К_зап = 6…8.

3. Рассчитать сопротивление резистора R_э.

R_э = U¹ R_к2 h_21э / (h_21э + К_нас)(U_ип – U¹)

4. Рассчитать сопротивление резистора коллекторной цепи транзистора VT1.

R_к1 = (2…3)R_к2

5. Рассчитать сопротивления резисторов входного делителя.

R₁ = h_21э (R_к1 – R_к2) / К_нас,

R₂ = h_21э •R₁ •Rэ / (h_21э •R_к1– К_нас •R₁).

6. Рассчитать сопротивление резистора и емкость конденсатора времязадающей цепи.

R = h_21э R_к2 / К_нас; C = t_и / 0,7R.

7. Проверить длительности t_ф и t_с.

t_ф = t_с = 3τ_α τ_α = 0,16/ f_h_21б.

Если полученные значения не превышают заданных, то рассчитанные значения емкостей оставляем.

8. Рассчитать время восстановления, т.е. время заряда емкости С после окончания обратного переброса:

t_в = 4 R_к1 С; t_п = Т – t_в.

Если t_взначительно меньше t_п, то схема будет возвращаться в исходное состояние задолго до прихода следующего управляющего импульса.

9. Рассчитать емкость разделительного конденсатора

С_р = Т / 6 (R₁ + R_и)

R_и – сопротивление источника входного сигнала (принять R_и = 1 кОм)

3.3.3. Расчет триггера Шмита (рис. 3.3.):

Исходные данные: U_вых._m; t_и; t_ф; t_с; Т; R_н; t_окр^о.

Рис. 13. Триггер Шмитта на биполярных транзисторах

Последовательность расчета:

1. Выбрать тип транзистора по следующим параметрам:

f_h_21б – граничная частота транзистора в схеме с общей базой;

U_КБмакс – максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором;

h_21э – минимальное значение коэффициента усиления по току.

По частотным свойствам к транзисторам триггера Шмитта предъявляются следующие требования:

– по частоте: f_h_21б ≥ f_вх / 0,7;

– по коэффициенту усиления: h_21э = (Q - 1)К_нас/ 0,23;

К_нас– коэффициент насыщения транзистора в схеме триггера Шмитта.

Для триггера Шмитта рекомендуется выбирать К_насв пределах 1,2…1,4.

Требование по U_КБмакс: U_КБмакс≥ 2U_ип; U_ип= (1,1…1,2) U_вых._m + U¹,

где U¹ – падение напряжения на резисторе R_э при открытом транзисторе VT2.

Обычно выбирают U¹ = 1,5…3,0 В.

2. Рассчитать сопротивление резистора в цепи коллектора транзистора VT2

R_к2 = К_зап U_вых._m / I_к2.нас,

где I_к2.нас – ток насыщения коллектора транзистора VT2 при указанной в исходных данных температуре окружающей среды.

I_к.нас ≤ I_ки ,

К_зап – коэффициент запаса. Обычно, в целях экономичности работы схемы принимают К_зап = 6…8.

3. Рассчитать сопротивление резистора R_э.

R_э = U¹ R_к2 h_21э / (h_21э + К_нас)(U_ип – U¹).

4. Рассчитать сопротивление резистора коллекторной цепи транзистора VT1.

R_к1 = (2…3)R_к2.

5. Рассчитать сопротивления резисторов входного делителя

R₂ = Uип R_э / (R_э + R_к1) I_{КБОмакс}; I_{КБОмакс} = I_КБО 2⁽^{tокр - 20)/10};

R₁ = h_21э R₂ R_к2 / (h_21э R_э + R₂).

6. Рассчитать сопротивления резисторов выходного делителя транзистора VT1.

R₄ = h_21э U_ип R_э R_к1 / (U_ип R_к2 +h_21э R_к1 (R_э + R_к2) I_{КБОмакс}),

R₃ = h_21э R₄ R_к1 / (R₄ +h_21э R_э).

7. Рассчитать емкость форсирующего конденсатора

С = t_ф (R₃ + R_к1) / 2,3 R₃ R_к1.

Рассчитать емкость разделительного конденсатора.

С_р = Т / 6 (R₁ + R_и),

R_и – сопротивление источника входного сигнала (принять R_и = 1 кОм)

8. Проверить длительности t_ф и t_с.

t_ф = t_с = 2τ_α; τ_α = 1/ (2π f_h_21б).

Если получим значения, меньше заданных, то принимаем расчетные.

9. Рассчитать амплитуду выходных импульсов U_вых._m = U_ип R_к2 / (R_э + R_к2).

Список литературы

1. Бочаров Л.Н., Расчет электронных устройств на транзисторах./Л.Н.Бочаров [и др.].

– М.: Энергия, 1978. – 288 с., ил.

2. Изъюрова Г.И., Расчет электронных схем./Г.И.Изъюрова[и др.]. – М.: Высшая

школа, 1987. – 335с., ил.

3. Справочная книга радиолюбителя-конструктора /под ред. Н. И. Чистякова. –

М.: Радио и связь, 1990. – 624 с., ил.

Приложения

Приложение 1

Пример оформления титульного листа расчетно-графической работы