Усилительный каскад

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1

сопротивление коллекторный усилитель резистор

Транзистор VT включен в усилительный каскад по схеме с ОЭ.

Рисунок 1

Рисунок 2

В схеме рисунка 1 используется фиксированное смещение базовым делителем, на схеме рисунка 2 - смещение током базы покоя. Каскад питается от одного источника с напряжением Е_к. Заданы тип транзистора, напряжение источника питания Е_к и сопротивление резистора коллекторной нагрузки R_к (см. таблицу 1). Тип схемы и диапазон частот усиливаемых колебаний f_н - f_в приведен в таблице 2.

Таблица 1

Таблица 2

Требуется:

а) привести заданную схему усилителя;

б) построить сквозную динамическую характеристику (СДХ) усилителя;

в) определить на СДХ начальную рабочую точку;

г) определить смещение начальной рабочей точки;

д) рассчитать значения элементов цепи смещения;

е) рассчитать разделительную емкость С_Р;

ж) рассчитать коэффициент нелинейных искажений н.

Заданный транзистор VT включен в усилительный каскад по схеме с ОЭ (см. рисунок 3). Каскад питается от одного источника с напряжением Е_к. Для подачи смещения в цепь базы используется делитель напряжения R₁, R₂. Имеет место фиксированное смещение от базового делителя.

Характеристики транзистора берутся из справочника.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R_К связь между коллекторным током I_К и напряжением на коллекторе U_К выражается уравнением нагрузочной характеристики

Особенностью динамического режима, в отличие от статического, является то, что изменение одного параметра влечет за собой изменение другого. При увеличении I_б увеличивается ток коллектора I_К и падение напряжения на U_Rк. Ток коллектора одновременно зависит от U_б и U_к. Поэтому нельзя использовать статические характеристики. Для анализа усилителя обычно используются выходные и сквозные динамические характеристики.

Построим сквозную динамическую характеристику.

Для этого строим на выходных статических характеристиках данного транзистора линию нагрузки (1-ый квадрант графика на рисунке 3.1) по полному уравнению цепи (или по уравнению нагрузочной линии) .

При I_к= 0.033, U_кэ = Е_к=60 В _ первая точка линии нагрузки, при U_кэ= 0, I_к = - вторая точка. Соединяем их.

Нагрузочная характеристика представляет прямую линию на семействе выходных характеристик транзистора, пересекающуюся с осями координат в точках Е_к/R_к и Е_к. Характеристика включает в себя информацию о типе транзистора, заданных значениях , .

Рисунок 3

Далее строим переходную динамическую характеристику: , соединяя точки пересечения токов базы по вертикали с токами коллектора по горизонтали (второй квадрант графика на рисунке 1).

На рисунке 4 приведена динамическая входная характеристика (пунктирная кривая), которая построена на основе статической (контурная кривая на рисунке 4) по уравнению при заданных токах базы. Значение R_г выбирается от 100 ом до 1 килоома.

Рисунок 4

Строим сквозную динамическую характеристику (см. рисунок 5 в первом квадранте), используя динамическую передаточную характеристику (второй квадрант), входную динамическую характеристику (третий квадрант) путем переноса точек пересечения в первый квадрант.

В результате получаем S-образную сквозную динамическую характеристику (третий квадрант), которая содержит информацию о типе транзистора, о напряжении коллекторного питания Е_к, коллекторной нагрузке , о входном сигнале е_г и внутреннем сопротивлении источника сигнала R_г.

Рисунок 5

На рисунке 6 приведена сквозная динамическая характеристика, полученная на рисунке 3. Выбираем начальную рабочую точку в классе усиления А. Для этого ограничиваем линейный участок (точки M и N) и находим его середину (точка А). Определяем смещение начальной рабочей точки Е_см. Затем определяем значение сигнала на входе. Очевидно, что сигнал на входе не должен выходить за пределы участка MN.

Рисунок 6

Рассчитаем элементы смещения рабочей точки.

Потенциал базы жестко фиксируется делителем R₁, R₂ (см. рисунок 3). Ток течет от E_к через базовый делитель. Падение напряжения на R₂ создает смещение на базу . Чтобы ток делителя не зависел от тока базы покоя должно выполняться условие . Для выполнения этого условия надо уменьшать R₁, R₂, но при этом растет потребление энергии от E_к, падает кпд и падает входное сопротивление усилителя, а оно итак мало.

Поэтому выбирается; при этом . Ток базы покоя . Ток коллектора покоя I_кп показан на рисунке 7, щ -коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора, берется из справочника по транзисторам.

Емкость разделительного конденсатора С_р определяется из условия

где щ_н - низшая рабочая частота;

С_Р ==

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений. На практике используется приближенный метод расчета нелинейных искажений - метод Клина (метод пяти ординат). Нелинейные искажения вносятся как входной цепью, так и выходной. Используется сквозная динамическая характеристика (см. рисунок 7).

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений. На практике используется приближенный метод расчета нелинейных искажений - метод Клина (метод пяти ординат). Нелинейные искажения вносятся как входной цепью, так и выходной. Используется сквозная динамическая характеристика (см. рисунок 7).

Рисунок 7

Далее определяется коэффициент нелинейных искажений н по формулам:

a=16*, b=15*, c=14*

- коэффициент искажений по 2-ой гармонике;

- коэффициент искажений по 3-ей гармонике;

,

Задание 2

Дана схема дифференциального усилителя (ДУ) на биполярных транзисторах VT с генератором стабильного тока (ГСТ), несимметричным входом (см. рисунок 6). Э.д.с. входного сигнала E_г, сопротивление R_г (см. таблицу 7). Требуемый коэффициент усиления K_Uд, входное сопротивление R_вх (см. таблицу 8). Выбрать значения напряжения источников питания E_к1 и E_э2, рассчитать элементы схемы и величину коэффициента ослабления синфазного сигнала K_ос.сф.

Рисунок 8

Таблица 3

Таблица 4

Расчет дифференциального усилителя

Заданы транзисторы КТ358А, обеспечивающие малую величину дрейфа ДУ и имеющие малый тепловой ток и достаточно высокий коэффициент щ. Допустимое напряжение U_кэ.max 10В. Следовательно, Е_к1=Е_к2 7,5 В. Амплитуда выходного напряжения U_вых=К_UдЕ_г=16 ·12=192 мB может быть обеспечена при Е_к1=Е_к2=6,3B. Меньшие значения Е_к затрудняют построение ГСТ.

При использовании двух источников питания +Е_к1 и -Е_э2 в схеме ДУ по рисунку 6 потенциал эмиттеров транзисторов VТ₁, VТ₂ в режиме покоя можно принять равным нулю. Это связано с тем, что падение напряжения в цепях баз транзисторов VТ₁, VТ₂ от тока покоя U_б01R_г очень мало при малых входных токах и, следовательно, база транзистора может считаться заземленной по постоянному току. Тогда потенциал эмиттера отличается от потенциала земли на величину U_бэ01 = U_бэ02= 0,5ч0,7 В для кремниевых транзисторов. Поэтому в первом приближении можно считать, что напряжение нижнего источника (-Е_э2) приложено к ГСТ, а верхнего (+Е_к1) - к транзисторам VТ₁, VТ₂ и резисторам R_к.

Выбираем для транзисторов VT₁ и VT₂ начальную рабочую точку с U_кэ0 = 3В, I_к0=1мА, U_бэ0 =0,45 В. Тогда номинал резистора R_к составляет

R_к=.

В выбранном режиме h_11э=2кОм, в=35,тогда

.

Для увеличения R_вх и выравнивания токов транзисторов VT₁ и VТ₂ введем резисторы R_э, вносящие местную отрицательную обратную связь (ООС) по току транзисторов. Обычно R_э выбирают порядка десятков или сотен ом.

Полагаем R_э =40 Ом, тогда

R_вх.д =6[()]=6[2*]=16.32 кОм

Для уменьшения токовой составляющей погрешности ДУ в базовую цепь транзистора VT₂ включаем резистор R_б=R_г. Проверим, обеспечивает ли ДУ требуемое значение К_Uд. При несимметричном выходе и R_н = 0

К_Uд=

что незначительно не хватает к требуемой величине.

Рассчитаем ГСТ, для чего вначале определим потенциал коллектора транзистора VТ₃ относительно общей шины

Следовательно, падение напряжения на транзисторе VТ₃ и резисторе R₃ составит

Е_э2-U_к3=6,3-0,45=5,85 В.

При работе ДУ для нормального функционирования транзистора VT₃ в ГСТ необходимо выполнение неравенств

U_кб ?0 и U_кб3 ?U_{кэ нас.}

Выберем потенциал базы транзистора VТ₃ относительно общей шины U_б3 = -4,5 В, что обеспечит U_кб3 > 4В. тогда падение напряжения U на резисторе R₄ и диоде VД

U = E_э2 - U_б3=6,3-4,5=1.8 В.

Падение напряжения на резисторе R₃

U_R3=U - U_бэ03=1,32-0,5=0,82 В.

Здесь U_бэ03=0,5 В при I_к03=I_к01= I_к02=2мА. Тогда сопротивление резистора R₃

R₃=U_R3/I_к03=0,82/2=0,41 кОм;

Выберем ток делителя R₄ ,R₅, равным коллекторному току транзистора VТ₃, т.е. I_дел =2 мА. Тогда:

R₅= (Е_к2 -U)/I_дел=4,98/2=2,49 кОм.

Для определения номинала резистора R₄ необходимо прежде выбрать диод VД. Целесообразно в качестве диода применить транзистор КТ307Б в диодном включении, что обеспечит хорошую температурную компенсацию изменения U_бэ транзистора VТ₃ вследствие одинаковых ТКН диода и транзистора VT₃. По входной характеристике транзистора КТ307Б при I_э=2мА величина U_д = U_бэ0 =0,5В и поэтому

кОм.

Рассчитаем коэффициент усиления синфазного сигнала К_{u сф несим} при несимметричном выходе ДУ, имея в виду, что вместо резистора R_э в схеме ДУ с ГСТ следует учитывать сопротивление R_вых3 транзистора VТ₃ c введенной отрицательной обратной связью по току через резистор R₃.

.

При значениях сопротивлений элементов:

; R₃ = 410 Oм;

; r_б3 = 100 Ом и

R₄||R₅=2,49||0,41=0,505 кОм

R_вых3 будет равно

R_вых3=кОм.

Тогда коэффициент усиления синфазного сигнала

К_{U сф несим}=,

и коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_ос.сф=

Литература

1. Работы учебные. Фирменный стандарт ФС РК 10352-1910-У-е-001-2002. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию. - Алматы: АИЭС, 2002. - 31 с.

2. Головатенко-Абрамова М.П., Лапидес А.М. Задачи по электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 112 с.

3. Расчет электронных схем. Учебное пособие для вузов. /Г.И. Изъюрова и др. - М.: Высшая школа, 1987._335 с.

4. Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы: Учебное пособие. _ Алматы: АИЭС, 2006. - 79 с.

5. Нефедов А.В. Транзисторы для бытовой, промышленной и спе-циальной аппаратуры: Справочное пособие. - М.: Солон-Пресс, 2006. - 600 с.

6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. /Под редакцией Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 656 с.

7. Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. - М.: «СОЛОН», «МИКРОТЕХ», 1996. - 176 с.

8. Жолшараева Т.М. Схемотехника 1. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050704 -Вычислительная техника и программное обеспечение. - Алматы: АИЭС, 2008. - 50 с.

Размещено на Allbest.ru