Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Усилительный каскад на биполярном транзисторе



1. Цель курсовой работы

усилительный каскад биполярный транзистор

Цель курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Электроника», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, в развитии навыков выполнения информационного поиска, пользования справочной литературой, определения параметров эквивалентных схем биполярных и полевых транзисторов, в создании разностороннего представления о конкретных электронных элементах.



2. Задание на курсовую работу

В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданного типа транзистора выписать паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбрать положение режима покоя, для которого следует рассчитать параметры эквивалентных схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определить основные параметры усилительного каскада.



3. Содержание курсовой работы

1.

Паспортные данные

Биполярный транзистор с общим эмиттером КТ312А

Кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n транзистор, предназначен для усиления и генерирования колебаний высокой частоты для работы в быстродействующих импульсных схемах. Корпус герметичный, металлический, со стеклянными изоляторами и гибкими выводами. Масса транзистора не более 1 г.

2. Электрические параметры. Классификационные параметры. h21э, h21э

Обратный ток коллектора(При режиме измерения Uк=20В)Iкбо (типовое 0,2 мкА)макс значение 10 мкА

Обратный ток коллектора(При режиме измерения Т=+85 С, Uк=20В)Iкбо (типовое 3 мкА) макс значение 30 мкА

Обратный ток коллектора(При режиме измерения Т=-40 С,Uк=20В)Iкбо (типовое 0,01 мкА)макс значение 10 мкА

Обратный ток эмиттера( При режиме измерения Uэ=4В) Iэбо (типовое 0,1 мкА)макс значение 10 мкА

Граничное напряжение транзистора (При режиме измерения Iэ=7,5 мА), Uкэо гр=20 В

Напряжение насыщения коллектор- эмиттер (При режиме измерения Iк=20 мА, Iб=2мА) Uкэ нас (типовое 0,18 В )макс =0,8 В

Напряжение насыщения база-эмиттер (При режиме измерения Iк=20 мА, Iб=2мА) Uбэ нас (типовое 0,83 В) макс 1.1 В

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте |h21э| min=4 В типовое 8 Uк=10 В, Iэ=5 мА, f=20МГц

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала h21э min=10 В, типовое 30 В, макс 100 В

Uк=2 В, Iэ=20 мА.

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала (При Т=+85 С) h21э min=10 В ,типовое 35 В, макс 200 В Uк=2 В, Iэ=20 мА.

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала (При Т=-40 С) h21э min=8 В ,типовое 18 В, макс 100 В Uк=2 В, Iэ=20 мА.

Емкость эмиттерного перехода (При Uэ=1, f=2МГц).Сэ max= 20 пФ

Емкость коллекторного перехода (При Uк=10 В, f=2МГц) Ск (типовое 3,5 пФ) max=5 пФ

Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте (При Uк=10 В, f=2МГц ) А max 500пс

Максимально допустимые параметры гарантируются при температуре окружающей среды To= -40…+85oC

Постоянный ток коллектора Iк max =30 мА

Импульсный ток коллектора Iк и max =60 мА

Постоянное напряжение коллектор-база Uкб max=20В

Постоянное напряжение коллектор - эмиттер (R?100 Ом) Uкэ R max=20В

Постоянное напряжение эмиттер-база Uэб max=4 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора (при To<25 C ) Рк max=225 мВт

Импульсная рассеиваемая мощность транзистора tн<1 мкс Рн max=450 мВт

Rт- тепловое сопротивление переход - окружающая среда 0,4 С/мВт

Допустимая температура окружающей среды t= -60…+120 оС

3. На семействе выходных характеристик строим нагрузочную прямую

Нагрузочная прямая определяется уравнением

и строится по двум точкам: при IК = 0, UКЭ = ЕП и при UКЭ = 0, IК = ЕП/RК.

Так как выбрана схема с делителем напряжения, уравнение нагрузочной прямой преобразуется к виду

и строится по двум точкам: при IК = 0, UКЭ = ЕП и при UКЭ = 0, IК = ЕП/RК.

Rк = 2.7 кОм, Rн = 2 кОм.



Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией

В курсовой работе я выбрал схему включения биполярного транзистора с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией, так как по сравнению со схемой стабилизации фиксированным напряжением база-эмиттер и схемой с общим эмиттером и с фиксированным током базы эта обеспечивает более жесткую температурную стабилизацию режима работы транзистора за счёт отрицательной обратной связи по постоянному току.

Построение нагрузочной прямой по постоянному току

RK = 1,2 кОм, RН 2RК = 2,4 кОм

Предварительная нагрузочная прямая по постоянному току определяется следующим уравнением:

Для построения прямой достаточно выбрать две точки:

1) JK = 0 мА, UKЭ = ЕП = 15 В;

2) JK = EП/RK = 15/2700 = 5,5 мА, UKЭ = 0 В.

Предварительная нагрузочная прямая (А - рабочая точка).



4. Выбор рабочей точки (режим покоя), определение величин элементов цепи питания и стабилизации рабочего режима

Рабочая точка выбирается примерно посередине между режимами отсечки и насыщения, в точке пересечения нагрузочной прямой с ближайшей выходной характеристикой. Зафиксируем параметры режима покоя:

JБ0 = 40 мкА; UБЭ0 = 0,68 В; J0K = 2,1 мА; UКЭ0 = 9,1 В.

В схеме эмиттерной стабилизации рабочей точки используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина RЭ, задающего обратную связь, определяется из условия:

Значение тока эмиттера соответствует рабочему режиму, который был выбран по предварительной нагрузочной прямой: J0Э J0К = 2,1 мА.

Мощность, потребляемая резистором: PR =(2,1·10-3)2 ·1·103 = 4,41 (мВт).

Выберем допуск 10%. И с учётом ряда Е24 получаем:

RЭ - МЛТ-0.125-1 кОм 10%.

Уточним положение нагрузочной прямой, исходя из уравнения:

Точную нагрузочную прямую строим по двум точкам:

1) JK = 0 мА, UКЭ = ЕП = 15 В;

2) JK=EП/(RK+RЭ) = 15/(2700 + 1000) = 4 мА, UКЭ = 0 В.

Уточним параметры рабочей точки:

JБ0 = 40 мкА; UБЭ0 = 0,65 В; J0K = 1,9 мА; UКЭ0 = 7,6 В.

Выберем ток делителя JД, протекающий через R2, из условия JД = (10-20)JБ0 = =15·40·10-6 = 600 мкА и определим величины резисторов R1, R2 по следующим соотношениям:

Из ряда Е24 выбираем номированные значения сопротивлений: R1 = 20 кОм, R2 = 4,3 кОм. Допуск 10% обеспечивает точность и экономичность.

Расчёт мощностей:

PR1=((600+40)·10-6)2·20·103=8,1(мВт);
PR2 = (600·40-6)2·4,45·103 = 1,82 (мВт).

Тогда выберем следующие резисторы:

R1 - МЛТ-0.125-20 кОм 10%

R2 - МЛТ-0.125-4,7 кОм 10%

5. Определение малосигнальных параметров транзистора в окрестностях рабочей точки

Графически определим малосигнальные параметры транзистора в окрестностях рабочей точки по семейству входных и выходных характеристик:

· Входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока:

· Коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока:

· Коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока:

· Выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи):

6. Определение величин элементов эквивалентной схемы транзистора

Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто):

Схема Джиаколетто

Вычислим параметры схемы, используя следующие соотношения:

· Барьерная ёмкость коллекторного перехода:

· Выходное сопротивление транзистора:

· Сопротивление коллекторного перехода:

· Сопротивление эмиттерного перехода:

· Сопротивление эмиттерного перехода базовому току:

· Распределённое сопротивление базы:, где OC - постоянная времени обратной связи транзистора.

· Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода:

· Собственная постоянная времени транзистора:

· Крутизна транзистора:

7. Определение граничных и предельных частот транзистора

· Граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:, где |H21Э| - модуль коэффициента передачи по току на высоких частотах, изм - частота, на которой он измерен (справочные данные).

· Предельная частота в схеме включения транзистора с общим эмиттером:

· Предельная частота в схеме включения транзистора с общей базой:

· Максимальная частота генерации:

· Предельная частота транзистора по крутизне:

8. Выражения для модулей |Y21()|, |Y11()| и графики этих зависимостей от частоты

Проводимость прямой передачи, которую определяем при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

Входная проводимость, которую определяем при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

Построим графики зависимостей |Y21()| и |Y11()|, задаваясь :

Зависимость |Y21()| от .



Зависимость |Y11()| от .

9. Вычисление сопротивления нагрузки транзистора по переменному току и построение нагрузочной прямой по переменному току с сохранением выбранного положения рабочей точки

Произведём оценку значения сопротивления нагрузки биполярного транзистора по переменному току из соотношения (для схемы включения транзистора с автосмещением:

Rк = Rк + Rэ):

Нагрузочная прямая по переменному току биполярного транзистора проходит через точку режима покоя (J0K = 2,1 мА, UKЭ0 = 10,7 В) и через точку с координатами JK = 0 мА, UKЭ = J0K·R~ + UКЭ0 = 0,0019·947,36 + 7,6 = 9,39 В.



10. Построение сквозной характеристики транзистора и графическое определение наибольшей величины амплитуды входного сигнала Uвх.н

Под сквозной характеристикой транзистора понимается зависимость амплитуды переменной составляющей выходного тока от значения амплитуды переменной составляющей входного напряжения: JК = f(UБЭ).

Используя нагрузочную прямую по переменному току на выходных характеристиках транзистора произведём построение сквозной характеристики, а так же определим наибольшую величину входного напряжения Uвх.н, при котором максимально охватывается вся переменная часть сквозной характеристики.

RН1 = RН:

JБ, мкА	18,6	40	61,4	82,8	104,2
UБЭ, В	0.71	0.75	0.77	0.79	0.81
JK, мА	0,9	1,9	2,9	3,9	4,85
UКЭ, В	8,5	7,6	6,9	5	4,1

RH2 = ?:

JБ, мкА	18,6	40	61,4	82,8	104,2
UБЭ, В	0.62	0.66	0.71	0.76	0.78
JK, мА	1.1	1.9	2.6	3.3	4.6
UКЭ, В	10.9	7.6	5	2.4	0.8

Сквозная характеристика при RH1 = RH.



Сквозная характеристика при RH2 = ?..

По сквозной характеристике транзистора определяем наибольшую величину входного напряжения Uвх.н = 0,04 В.

11. Графическое и аналитическое определение динамических параметров усилительного каскада, сравнение результатов

Определять динамические параметры усилительного каскада будем для двух величин амплитуды входного сигнала Uвх (Uвх1 = Uвх.н; Uвх2 = Uвх.н / 2) и двух значений сопротивления нагрузки RH (RH1 = RH; RH2 = ?).

Графический метод

Все расчёты выполняются по сквозным, входным и выходным характеристикам, а так же по двум таблицами, приведённым в пункте 10.

RH = 2 кОм; Uвх = 0,04 B:

· Коэффициент усиления по току:

· Коэффициент усиления по напряжению:

· Коэффициент усиления по мощности:

(RH = 2 кОм; Uвх = 0,08 B)

(RH = ?; Uвх = 0,1 B)

Аналитический метод

Оценим динамические параметры усилительного каскада на биполярном транзисторе с помощью аналитических соотношений.

(RH = 2 кОм)

(RH = ?)

При сравнении результатов полученных двумя разными методами можно заметить разницу в 26 % и 4,7 % между коэффициентами усиления по мощности, рассчитанными при RH = 2,4 кОм и RH = ? соответственно.

Оценим нелинейные искажения в усилительном каскаде на транзисторе.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

,

где U1, U2, U3 и т.д. - действующие значения отдельных гармоник выходного напряжения.

Этот коэффициент можно оценить методом пяти ординат по сквозной характеристике, который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоник входного сигнала.

,

где - коэффициент второй гармоники; - коэффициент третьей гармоники, определяются графически. Для этого на сквозной характеристике отмечаем пять точек (см. рис. 10), соответствующих точке покоя (нулевая амплитуда входного сигнала), наибольшей амплитуде входного сигнала UВХ. Н (с учетом обеих полуволн), половине наибольшей амплитуды входного сигнала, т.е. (1/2)UВХ. Н (тоже с учетом обеих полуволн). По этим точкам вычисляем значения отрезков , , ,

a=12мА, в=10,5мА, с=10мА

тогда

при UВХ2= UВХ.Н/2

a=6,2мА, в=6мА, с=5,5мА

тогда

12. Оценка нелинейных искажений в усилительном каскаде на транзисторе

Сквозная характеристика транзистора



· H = 2 кОм; Uвх = 0,04 B

KГ = 18,23 %

· RH = 2 кОм; Uвх = 0,08 B:

KГ = 19,65 %

· RH = ?; Uвх = 0,04В:

KГ = 11,91 %

· RH = ?; Uвх = 0,05В:

KГ = 16,77 %



Заключительная часть

Выводы и замечания по работе.

По выполнению данной курсовой работы были рассчитаны основные характеристики усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе КТ312А

Проанализировав полученные результаты видно, что данный усилительный каскад имеет достаточно высокие коэффициенты усиления по напряжению Ku =35,9, и по току Ki = 58,33, вследствие чего получился достаточно большой коэффициент усиления по мощности Kp = 2094. Коэффициенты нелинейных искажений получились равными 18,23%, 19,65 % 16,77% и 11,91%, следовательно, данный каскад имеет не высокую устойчивость, то есть при изменении входных параметров на выходе получаем слегка искаженный сигнал, одна из причин получения таких коэффициентов нелинейных искажений это то, что довольно трудно точно определить верное значение выходного тока по графику.



Список литературы

Электроника: Методические указания к выполнению курсовой работы/ В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 37 с

Транзисторы для аппаратуры широкого применения.: Справочник/ Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656с.

Размещено на Allbest.ru