Основні теоретичні відомості

ланцюг транзистора поряд із джерелом живлення включають опір навантаження, а у вхідний - джерело посиленого сигналу.

а) Схема вмикання транзистора із спільним емітером

б) Сімейство вихідних статичних характеристик та динамічна характеристика

Рисунок 1.3 – Динамічний режим роботи транзистора

Режим роботи транзистора з навантаженням називається динамічним. У цьому режимі струми і напруги на виводах транзистора не залишаються постійними, а безупинно змінюються.

Напруга джерела живлення Ек розподіляється між дільницею колектор – емітер (виходом схеми) і навантажувальним опором Rк (згідно II закону Кирхгофа), так, що

Uке = Ек - Iк Rк, (1.1)

де Uке – вихідна напруга,В;

Iк - струм колектора транзистора VT1, А

Вираз (1.1) являє собою рівняння динамічного режиму для вихідного ланцюга. Зміни напруги на вході транзистора викликають зміни струму емітера, бази, а отже, і колектора. Це призводить до зміни спадання напруги на Rк, у результаті чого змінюється напруга Uке.

1.3 Підсилювачі низької частоти

В електронних схемах, як правило, джерела корисної інформації спочатку формують слабкі сигнали, недостатні для виконання тих чи інших функцій. Тому електронні підсилювачі є поширеними пристроями, що знаходять як самостійне застосування, так і в складі багатьох інших приладів. У підсилювачах потужність, напруга або струм сигналу, підведені до їх входу, збільшуються на виході (в навантаженні, яке підключене до виходу) за рахунок керованого використання джерела живлення.

Прийнято класифікувати підсилювачі за різними ознаками - підсилювачі струму або напруги, підсилювачі потужності, а також за частотним діапазоном, елементній базі, схемним рішенням, прикладним функціям і т. д.

В основі будь-якого транзисторного підсилювача є елементарний каскад посилення, виконаний на одному або декількох транзисторах. Такий каскад стосовно корисного сигналу являє собою чотириполюсник з входом і виходом, а стосовно джерела живлення в більшості випадків - двухполюсник.

Існування різних типів транзисторів (біполярних, польових), різних схем включення, а також необхідність поділу вхідних і вихідних ланцюгів з джерелом живлення, можлива наявність ланцюгів зворотного зв'язку, ланцюгів управління і захисту призводить до великій різноманітності використовуваних схем. Ще більше цих варіантів існує для підсилювачів з двома і більше каскадами посилення.

Найбільшого поширення серед однокаскадних підсилювачів на біполярних транзисторах отримали підсилювачі, зібрані за схемою з загальним емітером. На рисунку 1.4 наведена типова схема підсилювача на NPN транзисторі.

Дільник, утворений резисторами R1 і R2 задає напругу бази транзистора Uбе. Якщо струм дільника значно більше струму бази, то напруга бази Uбе буде слабко змінюватися при малих змінах струму бази (буде майже постійним). Тому дану схему називають схемою з постійним потенціалом бази.

Рисунок 1.4- Типова схема підсилювача на NPN транзисторі

У цій схемі резистор Rе забезпечує негативний зворотний зв'язок по струму, необхідний для стабілізації режиму роботи підсилювача при постійному струмі. Конденсатор Cе шунтує резистор Rе і вимикає зворотний зв'язок на частоті підсиленого сигналу.

Навантаження підсилювача є, як правило, активним і може мати значення від десятків до ста і більше ом. Так як підсилювач у схемі з загальним емітером має великий вихідний опір, а при його зменшенні знижується коефіцієнт посилення, то при малому опорі навантаження слід увімкнути емітерний повторювач на виході підсилювача.

2 ВИКОНАННЯ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЕКТУ «ПІДСИЛЮВАЧ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ»

Визначення варіанту завдання на проект здійснюється згідно таблиці А.1 додатку А. Транзистори, які використовується в якості вихідних даних на проект, включені до бібліотек математичного моделювання САПР Micro-Cap и Electronics Workbench.

2.1 Побудова статичних характеристик транзистора

2.1.1 Під час виконання лабораторної роботи «Дослідження роботи біполярного транзистору з спільним емітером» засобами програми Electronic WorkBench 5.12 провести вимірювання залежності струму бази Iб від напруги Еб для заданого значення Ек. Отримані дані занести до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1- Таблиця залежності Iб від Еб для заданого значення Ек

Значення Е_б вибирають такими, щоб забезпечити максимальну точність побудови характеристики: кількість вимірювань – не менш ніж 10 (див. приклад виконання проекту, с.16).

За отриманими даними побудувати графіки залежності Iб від Uбе (Uбе=Еб).

2.1.2 Засобами програми Electronic WorkBench 5.12 провести вимірювання струму колектора Iк для різних значень Ек при постійному значенні Іб, які були отримані в пункті 2.1.1.

Таблиця 2.2 - Таблиця залежності Iк від Ек для заданого значення Іб

Значення Е_к вибирають такими, щоб забезпечити максимальну точність побудови сімейства характеристик, але Ек повинен бути менш ніж Uкe max.

За отриманими даними побудувати графіки залежності Iк від Uкe (Uкe = Ек).

2.2 Розрахунок каскаду попереднього посилення підсилювача низької частоти

Розрахунок включає в себе наступні етапи:

- визначення параметрів точки спокою (робочої точки) підсилювача;

- визначення значень опорів резисторів Rк, Rе, R1,R2;

- вибір амплітуд вхідного сигналу та вихідного сигналу;

- визначення значень вхідного та вихідного опору каскаду;

- визначення коефіцієнту посилення каскаду;

- визначення коефіцієнту нестабільності каскаду;

- частотний розрахунок каскаду;

- розрахунок коефіцієнту корисної дії каскаду.

2.2.1 Визначення параметрів точки спокою (робочої точки) підсилювача виконується у такій послідовності:

- на вісі U_ке вихідної характеристики визначаються точки E_k та Uке0;

- на вихідний характеристиці вибираються робочі точки для яких знаходимо Uке0→Iб0→Iк0. Робоча тачка підсилювача – це перетин статичної та динамічної характеристик. Для отримання робочих точок через точку Uке0 піднімається перпендикуляр. Значення Iк0 визначається для усіх точок перетину статичної характеристики та перпендикуляру через точку Uке0.

- на вхідній характеристиці знаходяться значення Uбе0 для всіх значень Iб.

- перевіряється потужність на колекторному переході для кожного значення Iк0 за формулою:

Pк = Iк0×Uке0 (2.1)

Якщо Рк < Pк max, то через визначену робочу точку і Uке=Ек проводиться навантажувальна пряма (динамічна характеристика), якщо Рк ≥ Pк max, для робочої точки вибирається менше значення Iк.

2.2.2 Розрахунок значень опорів резисторів Rк, Rе, R1, R2 відбувається таким чином:

- визначається значення опору колектора:

Rк= (0,3÷0,6) × Eк/Iк0 = Uке0/Iк0 (2.2)

- задається напруга на емітері:

Uе0 = (0,1÷0,3) ×Ек, (2.3)

Iе0≈Iк0+Iб0 (2.4)

- визначається опір емітера:

Rе = (0,1÷0,3) ×Ек/Iе0 = Uе0/Iе0 (2.5)

- струм дільника R1R2 задається умовою:

Iд = (2÷5)×Iбо (2.6)

- визначається опори дільника напруги:

R2 = (Uе0 + Uбе0)/Iд (2.7)

R1 = (Ек – (Uбе0+Uе0))/(Iд+Iб0) (2.8)

Rд = R1·R2/(R2+R1) (2.9)

Отримані значення опорів округляють до найближчих номінальних значень (див. додаток Б).

2.2.3 Вибір амплітуд вхідного сигналу та вихідного сигналів

- Із завдання вибираєтьсяамплітуда вхідного сигналу ΔІ_вх і за вхідною характеристикою визначається:

Ібmax= Іб0+ ΔІвх (2.10)

Ібmin= Іб0+ ΔІвх (2.11)

При визначенні Ібmax необхідно враховувати граничне значення режиму насичення, при визначенні Ібmin необхідно враховувати граничне значення режиму відсічення (див. рисунок 1.3,б). При необхідності значення ΔІвх можна зменшити.

- Розраховується фактичне значення амплітуд вхідного сигналу Iбmin, Iбmax, Uбеmin, Uбеmax:

ΔIвх =[(Iб0 –Iбmin)+(Iбmax – Iб0)]/2, (2.12)

ΔUвх= [(Uбе0 - Uбеmin)+(Uбеmax-Uбе0)]/2 (2.13)

-визначається вхідний опір підсилювача:

Rвх = ΔUвх/ΔIвх (2.14)

- За вихідними характеристиками визначається Ікmax, Ікmin, Uкеmin, Uкеmax, ΔIвих, ΔUвих:

ΔUвих = [(Uке0 – Uкеmin)+(Uкеmax- Uке0)]/2 (2.15)

ΔIвих = [(Iк0 – Iкmin)+(Iкmax – Iк0)] /2 (2.16)

-Визначається вихідний опір підсилювача:

Rвих = ΔUвих / ΔIвих (2.17)

- Розраховується значення коефіцієнта посилення каскаду β

β = ΔIк/ΔIб (2.18)

2.2.4 Визначення коефіцієнту температурної нестабільності каскаду S

S= β /(1+ β×Rе/Rд), (2.19)

Значення параметру S повинно знаходитись в діапазоні від 3 до 5. Термостабілізація вважається задовільною при S = 5, доброю при S = 3. При відсутності опору в ланцюзі емітера (без термостабілізації) S = β. Якщо розрахований коефіцієнт виходить за вказаний діапазон бажано змінити транзистор на транзистор з меншим коефіцієнтом посилення.

2.2.5 Частотний розрахунок каскаду виконується відповідно за заданими значеннями нижньої граничної частоти fн:

С1 =1/(2π ×fн×Rвх) (2.20)

С2 =1/(2π ×fн×Rн) (2.21)

Се= 1/(2π×fн×Rе) (2.22)

Отримані значення ємностей округляють до найближчих номінальних значень (див. додаток Б).

2.2.6 Розрахунок коефіцієнту корисної дії каскаду (ККД)

- Вихідний сигнал Uб0, Iб0 доводять до таких значень, при яких він займає всю робочу ділянку навантажувальної лінії, при цьому визначаємо Uк0, Iк0.

- Потужність, споживана від джерела, Р0:

Р0 = (Iк0 + Iб0) Ек (2.23)

- Потужність сигналу Р_к:

Рк = (Iк0Uке0) / 2 (2.24)

- ККД колекторної ланцюга підсилювача η:

η = (Рк / Р0)×100% (2.25)

ККД визначає режим роботи каскаду посилення:

- η = 20%…30%- режим А;

- η = 70%…80%- режим В;

- η = 35%…65%- режим АВ.

2.3 Виконання комп'ютерного схемотехнічного моделювання транзисторного ПНЧ засобами програм Micro-Cap і Electronics Workbench

2.3.1 Моделювання транзисторного ПНЧ засобами програми Electronics Workbench виконується під час лабораторної роботи «Дослідження роботи ПНЧ».

Послідовність виконання моделювання транзисторного ПНЧ:

- зібрати схему ПНЧ з розрахованими параметрами;

Рисунок 2.1 - Схема ПНЧ з розрахованими параметрами

- підключити осцилограф (меню Instruments) для зняття осцилограми вхідного та вихідного сигналів;

- підключити Bode Plotter (меню Instruments) для отримання амплітудно-частотної характеристики(АЧХ) ПНЧ;

- - зняти осцилограму та АЧХ.

- визначити значення Uвх, Uвих;

- розрахувати фактичний коефіцієнт посилення;

- порівняти результати розрахунку та фактичні результати.

На рисунку 2.2 наведено результат моделювання в Electronics Workbench

Рисунок 2.2 – Результат моделювання ПНЧ засобами програми Electronics Workbench

2.3.2 Моделювання транзисторного ПНЧ засобами програми Micro-Cap виконується аналогічно з моделюванням в Electronics Workbench.

Зняти осцилограму в Micro-Cap можна при виконанні аналізу перехідних процесів, а АЧХ будується при виконанні частотного аналізу.

На рисунку 2.3 наведено розташування необхідних пунктів у меню «Аналіз».

Рисунок 2.3 - Розташування пунктів у меню «Аналіз» програми Micro-Cap

3 ПРИКЛАД ВИКОНАННЯ ПРОЕКТУ «РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ»

Проект виконується на транзисторі 2N3393, основні параметри якого наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1- Основні параметри транзистора 2N3393

Основні параметри підсилювача наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2- Основні параметри підсилювача

3.1 Побудова статичних характеристик транзистора

3.1.1 За допомогою Electronic WorkBench 5.12 проводимо вимірювання Iб=f(Еб) для заданого значення Ек=20В. Отримані дані заносимо до таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 Таблиця залежності Iб від Еб для заданого значення Ек для 2N3393

3.1.2 Проводимо вимірювання струму колектора Iк для різних значень Ек при постійному значенні Іб.

Таблиця 3.4-Таблиця залежності Iк від Ек для заданого значення Іб для 2N3393

Будуємо сімейства вхідних та вихідних характеристик для транзистора 2N3393

а) Вхідна статична характеристика 2N3393

б) Сімейство вихідних статичних характеристик 2N3393

Рисунок 3.1 – Характеристики транзистора із спільним емітером

3.2 Розрахунок каскаду попереднього посилення підсилювача низької частоти

3.2.1 Визначення параметрів точки спокою (робочої точки) підсилювача

На вихідний характеристиці визначаємо точки Eк=20 В; Uке0=10 В.

На вихідний характеристиці вибираємо робочі точки для яких знаходимо Uке0→Iб0→Iк0

Iб01=50 мкА; Iк01=9 мА;

Iб02=100 мкА; Iк02=18 мА;

Iб03=150 мкА; Iк03=26 мА;

Iб04=200 мкА; Iк04=32 мА;

Iб05=250 мкА; Iк05=38 мА.

Iб06=300 мкА; Iк06=42 мА

Рисунок 3.2 – Вибір значення Iк для робочих точок

На вхідних характеристиках знаходимо Uбе0.

Iб01=50 мкА; Uбе01=0,7 В;

Iб02=100 мкА; Uбе02=0,72 В;

Iб03=150 мкА; Uбе03=0,73 В;

Iб04=200 мкА; Uбе04=0,74 В;

Iб05=250 мкА; Uбе05=0,745 В;

Iб06=300 мкА; Uбе06=0,75 В.

Рисунок 3.3– Вибір значення Iк для робочих точок

Перевіримо потужність на колекторному переході для кожного значення Iк0: Pк = Iк0×Uке0

Pк1= 9×10^-3 ×10 =90×10^-3 Вт;

Pк2= 18×10^-3×10=180×10^-3 Вт;

Pк3= 26×10^-3 ×10=260×10^-3 Вт;

Pк4= 32×10^-3 ×10=320×10^-3 Вт;

Pк5= 38×10^-3 ×10=380×10^-3 Вт;

Pк6= 42×10^-3 ×10=420×10^-3 Вт.

Якщо Рк < Pк max, то через робочу точку і Uке = Ек проведемо навантажувальну пряму, якщо Рк ≥ Pк max, вибираємо для робочої точки менше значення Pк2=180 мВт.

Робоча точка: Iб03=150 мкА; Uбе03=0,73 В; Iк03=26 мА; Uке0=10 В.

3.2.2 Розрахунок значень опорів резисторів Rк, Rе, R1, R2

Визначаємо опір колектора:Rк= (0,3÷0,6) × Eк/Ioк = Uкеo/Iкo

R_к = 10/18×10^-3= 555 Ом

Задаємося напругою на емітері Uе0 = (0,1÷0,3) ×Ек, Iе0≈Iко+Iб0

Uе0 = 0,1×20=2 В

Iе0= 18×10^-3 +0,1×10^-3 =18,1×10^-3 А

Визначаємо опір емітера: Rе = (0,1÷0,3) ×Ек/Iеo = Uео/Iеo

Rе =2/18,1×10^-3= 110 Ом

Струм дільника R₁R₂ задається умовою: Iд = (2÷5) ×Iбо

Iд = 5×0,1×10^-3= 0,5 ×10^-3 А

Визначаємо опір дільника напруги:

R2 = (Uе0 + Uбео)/Iд,

R1 = (Ек – (Uбео+Uе0))/(Iд+Iбо),

Rд = R1·R2/(R2+R1)

R2 = (2+0,72) /0,5×10^-3= 5,44×10³ Ом

R1 = (20- (0,72+2))/(0,5+0,1) ×10^-3= 28,8×10³ Ом

Rд = (28,8×10^-3×5,44×10^-3)/(28,8×10^-3+5,44×10^-3)= 4,58×10³Ом

Отримані значення Rк, R1, R2 округляємо до найближчого номінального значення (див. додаток Б): Rк = 560 Ом, R₁ = 30 кОм, R₂ = 5,6 кОм.

3.2.3 Вибір амплітуд вхідного сигналу та вихідного сигналу

Вибираємо амплітуду вхідного сигналу ΔUвх і на вхідний характеристиці знаходимо:

Рисунок 3.4 – Визначення амплітуди вхідного сигналу

ΔUвх = [(Uбе0 - Uбеmin)+(Uбеmax- Uбе0)]/2

ΔIвх = [(Iб0 – Iбmin)+(Iбmax – Iб0)] /2

ΔU_вх = [(0,72-0,69)+(0,74-0,72)]/2 = 0,025 В

ΔI_вх = [(100-10)+(200-100)] ×10^-6/2 =95×10^-6 А

Визначаємо вхідний опір підсилювача Rвх = ΔUвх/ΔIвх.:

Rвх = 0,025/95×10^-6 =263 Ом

Із сімейства вихідних характеристик знаходимо ΔIвих, ΔUвих і визначаємо Rвих = ΔUвих / ΔIвих; β = ΔIк/ΔIб.

Рисунок 3.5 - Визначення амплітуди вихідного сигналу

ΔUвих = [(Uке0 – Uкеmin)+(Uкеmax- Uке0)]/2

ΔIвих = [(Iк0 – Iкmin)+(Iкmax – Iк0)] /2

ΔIк =ΔIвих =[ (18-8)+(34-18)) ×10^-3 /2=13×10^-3 А

ΔUвих = [ (10-1)+(16-10)) ×10^-3 /2= 7,5 В

Rвих = 7,5/13×10^-3 =577 Ом

β = 13×10^-3/0,095×10^-3 =137

3.2.3 Визначення коефіцієнтів посилення ПНЧ

Коефіцієнт посилення каскаду: Кu =ΔUвих /ΔUвх, Кі=ΔIвих/ΔIвх, Кр = Кі × Кu

Кu = 7,5/0,025= 300

Кі = 13×10^-3/0,095×10^-3 =137

Кр = 137×300=411000

3.2.4 Визначення коефіцієнту температурної нестабільності каскаду S

Коефіцієнт нестабільності: S= β /(1+ β Rе/R)

S = 137/(1+137×110/4580)=31,8

Розрахований коефіцієнт виходить за діапазон 3…5. Це вказує на те, що транзистор має великий коефіцієнт посилення і для термостабілізації каскаду необхідно використовувати іншу схему.

3.2.5 Частотний розрахунок каскаду

Розрахунок ємностей: С1 =1/(2π ×fн×Rвх), С2 =1/(2π ×fн×Rн), Се= 1/(2π×fн×Rе) для сигналу з fн = 1 кГц;

Rн ≈ Rвих = 577 Ом. Значення R_н округляємо до найближчого номінального значення Rн=620 Ом.

С1 = 1/(2×3,14×10³×263) =605×10^-9 Ф

Се =1/(2×3,14×1000×110) = 1,45×10^-6 Ф

С2=[1/(2×3,14×1000×577)] =275×10^-9 Ф

Отримані значення ємностей округляють до найближчих номінальних значень (див. додаток Б): С1 =620×10^-9 Ф, Се=1,5×10^-6 Ф, С2=300×10^-9 Ф.

3.2.6 Розрахунок коефіцієнту корисної дії каскаду (ККД)

Вихідний сигнал Uбе0, Iб0 доводять до таких значень, при яких він займає всю робочу ділянку навантажувальної лінії, при цьому визначаємо Uк0, Iк0.

Uбе0 = 0,72 В; Iб0 =0,1×10^-3 А; Uке0 = 10 В; Iк0 =18×10^-3 А

Потужність, споживана від джерела:

Ро = (Iк0 + Iб0) Ек

Ро = (18+0,1) ×20 = 362 Вт

Потужність сигналу Рк = (Iк0 × Uк0) / 2

Рк = (18×10)/2=90 Вт

ККД колекторного ланцюга підсилювача η = Рк / Ро×100%

η = (90/362) ×100= 24,86%

Отримані результати показують, що підсилювач буде працювати в режимі А.

3.3 Виконання комп'ютерного схемотехнічного моделювання транзисторного ПНЧ засобами програм Micro-Cap і Electronics Workbench

На рисунку 3.6 наведено схему ПНЧ в Electronics Workbench.

Рисунок 3.6- Схема ПНЧ на 2N3393 в Electronics Workbench

На рисунку 3.7 наведено результат моделювання в Electronics Workbench.

Рисунок 3.7 - Результат моделювання ПНЧ на 2N3393 в Electronics Workbench

Аналізуючи отриманий результат, можна зробити висновок, що необхідно виконати налагодження каскаду, змінити ємності на більші, а саме: С1 =10×10^-6 Ф, Се=300×10^-6 Ф, С2=10×10^-6 Ф.

Рисунок 3.8 - Результат налагодження ПНЧ в Electronics Workbench

Зняти осцилограму в Micro-Cap можна при виконанні аналізу перехідних процесів, а АЧХ будується при виконанні частотного аналізу.

Рисунок 3.9 - Результат моделювання ПНЧ на 2N3393 в Micro-Cap

Поліпшити АЧХ можна при зміні значень ємностей конденсаторів.

Рисунок 3.10- Результат налагодження ПНЧ в Micro-Cap при зміні значень ємностей конденсаторів

Збільшити коефіцієнт посилення можна за рахунок збільшення Rн.

Рисунок 3.11- Результат налагодження ПНЧ в Micro-Cap при зміні Rн