Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники»

Пояснительная записка

210320 000000 018 ПЗ

Екатеринбург 2013

Содержание

• Введение
• Технические данные к курсовой работе
• 1. Общие сведения
• 2. Расчет усилительного каскада
• 2.1 Выбор режима работы транзистора
• 2.2 Расчет делителя в цепи базы
• 2.3 Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам
• 2.4 Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора
• 2.5 Расчет основных параметров каскада
• 2.6 Оценка нелинейных искажений каскада
• 2.7 Выбор резисторов и конденсаторов
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники», заключается в расчете типового усилительно каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.
• Целью данной курсовой работы является:
• · закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины;
• · формирование углубленного понимания физических процессов в усилительных устройствах;
• · изучение методов расчета усилительных устройств и их основных параметров;
• · ознакомление с элементной базой аналоговых электронных устройств;
• · получение навыков информационного поиска и пользования справочной информацией;
• · ознакомление с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности;
• · усвоение правил составления и оформления технической документации.
• Выполнение данной курсовой работы призвано активизировать самостоятельную работу и является важным этапом в формировании профессиональных компетенций.
• В ходе выполнения курсовой работы для заданного типа транзистора определяются паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбирается положение режима покоя, для которого рассчитываются величины элементов эквивалентных схем транзистора и мало сигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определяются параметры усилительного каскада.
• Технические данные к курсовой работе
• Исходные данные
• Тип транзистора ___________________КТ208Л
• Напряжение источника питания_______Е_п = 36 В
• Сопротивление в цепи коллектора_____R_к = 2,2 кОм
• Сопротивление нагрузки ____________R_н = 3,0 кОм
• В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.

1. Общие сведения

Транзистор КТ208Л кремниевый эпитаксиально-планарный p-n-p транзисторы предназначены для использования в импульсных, усилительных и других схемах

Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,7 г.

Рисунок 1-Транзистор КТ208Л

Электрические параметры:

Таблица 1. Параметры транзистора

Наименование	Обоз.		Значения	Режимы измерений
		min	Типовое	max	UК, В	IК, мА	IБ, мА	f, кГц
Обратный ток коллектора, мкА	IКБ0			1	UКБ max
Обратный ток эмиттера, мкА	IЭБ0			1
Напряжение насыщения коллектор -эмиттер, В	UКЭ нас			0.4		300	60
Напряжение насыщения база-эмиттер,В	UБЭ нас			1,5		300	60
Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ	h21Э	20	40	60	1	30	1	0,27
При Тс =+1250C		20		120	1	30		0,27
При Тс =-600C		10		60	1	30		0,27
Отношение статического коэффициента передачи тока в прямом и инверсном включении	h21э h21Э инв	2,0	4,5	12,0	1	30		0,27
Входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ, Ом (при IЭ=5мА)	h11Э	130	800	2500	5			0,27
Выходная проводимость в режиме малого сигнала при х.х.,10-4 См (при IЭ=1мА)	h22Э	0,15	0,3	0,55	5			0,270
Ёмкость коллекторного перехода, пФ	СК			50	10			500
Ёмкость эмиттерного перехода, пФ при(UЭ=0,5В)	СЭ			100				500
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц	fгр	5			5	10

Таблица 2. Максимально допустимые параметры

IK max - постоянный ток коллектора, А	0,3
IK, и max - импульсный ток коллектора , А	0,5
IБ max - постоянный ток базы, А	0,1
UЭБ max - постоянная напряжение эмиттер-база, В	20
U2кб max - постоянная напряжение коллектор-база, В	60
U2кэ R max - постоянная напряжение коллектор- эмиттер (Rв<=10 кОм), В	60
РК3 max - постоянная рассеиваемая мощность коллектора, мВт	200
ТП max - температура перехода,?C	150
Допустимая температура окружающей среды,?C	-60…+125

1) Гарантируется h_21Э=>6, U_{КЭ нас}<=0.7 В, I_Б=>0.1А;

2) При понижении Т_с от +15 до -60 значения U_{КБ max}, U_{КЭ R max} уменьшаются по линейному закону до 10 В;

3) В диапазоне -60…+60. При Т_с=60…125 мощность линейно уменьшается до 50 мВт.

Схема цепи питания и стабилизации режима работы представлена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Схема цепи питания и стабилизации режимов работы.

транзистор резистор усиление каскад

2. Расчет усилительного каскада

2.1 Выбор режима работы транзистора

На семействе выходных характеристик транзистора построим нагрузочную прямую по постоянному току. Сопротивление в цепи эмиттера возьмите из соотношения:

R_Э = 0,2*R_К = 0,2*2200 = 440 Ом

Такое сопротивление обеспечит достаточно высокую стабильность рабочей точки, не сильно уменьшит коэффициент использования напряжения источника питания.

После расчета сопротивления R_Э сразу же выберем ближайшее стандартное значение по ряду Е24. В последующих вычислениях будем использовать стандартное значение сопротивления R_Э = 430 Ом.

Далее по формуле рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_{КЭ рт}:

Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_{КЭ рт}. Будет удобнее, если рабочая точка совпадет с одной из выходных характеристик семейства, поэтому в качестве рабочей точки выберем ближайшую к рассчитанному значению U_{КЭ рт} точку пересечения нагрузочной прямой по постоянному току с одной из характеристик семейства. Если шаг выходных характеристик транзистора велик, то «подтягивание» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике может привести к существенному отклонению рабочей точки от оптимального значения. В этом случае можно построить дополнительную выходную характеристику и выбрать рабочую точку на ней. Отметим выбранную рабочую точку на выходных характеристиках транзистора. Определим ток коллектора в рабочей точке I_{К рт}.

=

Рисунок 3 - Выходные характеристики

I_{К рт}=8,7 мА

В справочниках обычно приводятся две характеристики: при напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ = 0 и при напряжении U_КЭ ? 0 (у транзисторов поздних разработок U_КЭ = 5 В). Первая характеристика соответствует режиму насыщения, а вторая - нормальному активному режиму. Поскольку в усилителях транзисторы работают в нормальном активном режиме, то рабочую точку следует построить на входной характеристике при напряжении U_КЭ ? 0 , при этом не имеет никакого значения соотношение напряжения, для которого приведена входная характеристика в справочнике, и напряжения в рабочей точке U_{КЭ рт}. На входной характеристике рабочая точка строится по току базы I_{Б рт}, соответствующему выходной характеристике, проходящей через рабочую точку. Проекция рабочей точки на ось напряжения база-эмиттер даст значение напряжения база-эмиттер в рабочей точке U_{БЭ рт}.

Рисунок 4-Входные характеристики

I_{Б рт} =0,125 мА и U_{БЭ рт}=0,69 В

Таблица 3 Итоговые данные

Название параметра	Значение параметра
Напряжение коллектор-эмиттер	11.7 В
Ток коллектора	8.7 мА
Напряжение база-эмиттер	0.69 В
Ток базы	0.125 мА

2.2 Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя R_Б1,R_Б2 в цепи базы. Чем больше будет сквозной ток делителя I_Д = E/(R_Б1 + R_Б2), тем стабильнее будет режим работы при замене транзистора и изменении температуры окружающей среды, но тем больше будет ток, потребляемый каскадом от источника питания, поэтому сквозной ток делителя выбирают из компромиссных соображений. На практике сквозной ток делителя выбирают из условия I_Д = (3ч10) I_{Б рт}.

I_Д=5*0,125*10^-3=0,63мА

Полагая:

U_Rэ = I_{Э рт}* R_Э = (I_{К рт} + I_{Б рт})* R_Э=(8.7*10^-3+0,125*10^-3)*430=3.79 В

Согласно закону Ома, сопротивление резистора:

Согласно ряду Е24 выберем R_Б2 =3,3 кОм и пересчитаем ток делителя:

Рассчитаем сопротивление резистора R_Б1:



По ряду Е24 R_Б1=43 кОм

2.3 Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам

По статическим характеристикам транзистора можно определить три из четырех h-параметров: входное сопротивление h_11Э, статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э и выходную проводимость h_22Э.

Входное сопротивление h_11Э = ДU_БЭ / ДI_Б при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер ДU_БЭ симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы ДI_Б (рис. 3).

Рисунок 5-Определение ДU_БЭ по входным характеристикам



Приращение ДU_БЭ следует брать как можно больше, но не заходя на явно нелинейные участки входной характеристики.

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора h_21Э = ДI_К / ДI_Б при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (U_КЭ = const) определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_21Э необходимо задать приращение тока базы ДI_Б и определить соответствующее приращение тока коллектора ДI_К.

Рисунок 6 - Графическое определение малосигнальных параметров транзистора на выходных характеристиках

Поскольку параметр h_21Э определяется при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, то приращение тока базы надо задать так, чтобы токи базы отвечали условию U_КЭ = U_{КЭ рт} = const, а для этого они должны лежать на вертикальной прямой, проходящей через рабочую точку.

Выходную проводимость h_22Э = ДI_К / ДU_КЭ в режиме холостого хода на входе транзистора (I_Б = const) определяют также как и параметр h_21Э по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра h_22Э необходимо задать приращение напряжения коллектор-эмиттер ДU_КЭ и определить соответствующее приращение тока коллектора ДI_К (рис. 4). Условию I_Б = const будут отвечать точки, лежащие на выходной характеристике, проходящей через рабочую точку транзистора. Поскольку выходные характеристики линейны в широком диапазоне напряжений, то приращение ДU_КЭ может быть достаточно большим, при этом его симметричность относительно рабочей точки не имеет значения.

Рисунок 7 - Графическое определение малосигнальных параметров транзистора на выходных характеристиках

Четвертый параметр - коэффициент обратной связи по напряжению h_12Э по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. У маломощных транзисторов коэффициент обратной связи по напряжению h_12Э = (1ч10) 10-⁴. Исходя из этого условия, выберем коэффициент обратной связи по напряжению равным

Таблица 4

Название параметра	Значение параметра
Входное сопротивление	2 кОм
Статический коэффициент передачи тока базы транзистора	52
Выходная проводимость	6,97*10-4 См
Коэффициент обратной связи по напряжению	5*10-4

2.4 Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

Рассчитаем физические малосигнальные параметры П-образной схемы замещения биполярного транзистора (рис. 7). Эта схема известна также в литературе под названиями «гибридная схема замещения» и «схема замещения Джиаколетто».

Рисунок 7 - Физическая малосигнальная высокочастотная схема замещения транзистора

Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база U_КБ = U_{КБ рт}:

,

где - емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база U_КБ = . Значения и возьмем из справочника, причем значение - из той же строки справочника, что и (колонка «Режимы измерения»).

Напряжение коллектор-база в рабочей точке U_{КБ рт} рассчитаем по формуле:

U_{КБ рт} = E - I_{К рт}R_К - (I_{К рт} +I_{Б рт})R_Э - U_{БЭ РТ}=36 - 8,7*10^-3*2200 -

- (8,7*10^-3+0,125*10^-3)*430 - 0,69=12,3 В

С_к==60*10^-12= 54*10^-12Ф

Выходное сопротивление транзистора

Сопротивление коллекторного перехода транзистора

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера

Ом.

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы

.

Сопротивление базы транзистора выберем в пределах 100-200Ом, т.к. у транзисторов малой мощности средней частоты значение ф_К не нормируются.

Диффузионная емкость эмиттерного перехода

,

где f_гр - граничная частота коэффициента передачи тока- частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером |h_21Э| = 1 (для граничной частоты часто используется международное обозначение f_т).

Крутизна транзистора

См

Следует иметь в виду, что формулы являются приближенными, и реальные значения параметров могут заметно отличаться от рассчитанных по этим формулам.

Таблица 5 - Номинальные значения элементов схемы замещения

CК, пФ	rКЭ, Ом	rК, кОм	rЭ, Ом	rБЭ, Ом	rБ, Ом	CЭД, нФ
54	14342	760	2,83	150	150	11,25

2.5 Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Входное сопротивление каскада

Выходное сопротивление каскада

Таблица 3-Значения основных параметров каскада

КU	KI	KP	rВХ, Ом	rВЫХ,Ом
33	68,73	2268	1515	1907,4

2.6 Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B (рис. 6) с напряжением

U_B = U_{КЭ рт}+I_{К рт} (R_К||R_Н)=11,7+8,7*10^-3=22,7В

Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада U_{ВЫХ m} с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Максимальная амплитуда U_{ВЫХ m} будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке U_{КЭ рт} и разности напряжений U_B - U_{КЭ рт} (рис. 6).

U_{ВЫХ m}=U_В-U_{КЭ РТ}=22,7-11,7=11В

Рисунок 8 - Семейство выходных характеристик транзистора КТ208Л

Построим сквозную характеристику каскада - зависимость тока коллектора i_К от напряжения база-эмиттер u_БЭ, для чего предварительно заготовим следующую таблицу

Таблица 4- зависимость тока коллектора i_К от напряжения база-эмиттер u_БЭ

IБ, мА	0	0.025	0.05	0.075	0.1	0.125	0.15	0.175
UБЭ, В	0.5	0.62	0.65	0.66	0.68	0.69	0.71	0.73
IК, мА	0.1	1.5	3.8	5,2	6,8	8,7	10,2	12

Сквозную характеристику строим по нагрузочной прямой по переменному току. Количество столбцов в таблице будет равно количеству точек пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора. В таблице ДI_Б - шаг по току базы, с которым приведены выходные характеристики в справочнике.

Каждую точку пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками транзистора спроецируем на ось токов (рис. 7). Полученные значения тока коллектора i_К1 - i_К9 занесем в таблицу.

Напряжения база-эмиттер, соответствующие токам i_К1 - i_К9, можно найти по входной характеристике транзистора (Рисунок 9), для чего на оси токов надо отложить значения токов базы из таблицы, спроецировать их на входную характеристику, а затем - на ось напряжений база-эмиттер. Точность отсчета напряжений база-эмиттер будет крайне низкой.

Рисунок 9-Входные характеристики транзистора для нахождения i_К1 - i_К9



Рисунок 10 Сквозная характеристика каскада

При увеличении амплитуды входного напряжения U_БЭm точки A и B будут удаляться от рабочей точки симметрично по оси напряжений. Нашли такое положение точек A и B, при котором они будут максимально удалены от рабочей точки, но не будут заходить на явно нелинейные участки сквозной характеристики. Нанесли точки A и B на график сквозной характеристики и записали полученное значение максимальной амплитуды входного сигнала: U_БЭm=0,05 В

Для использования метода пяти ординат построили на сквозной характеристике точки C и D, которые должны быть удалены от рабочей точки на половину амплитуды напряжения входного сигнала.

В результате на сквозной характеристике получили пять равноудаленных по оси напряжений точек A, B, РТ, C и D, ординаты которых i_A, i_B, I_{К рт}, i_C, i_D, используем при расчете коэффициентов гармоник.

i_A = 4,4мА; i_B = 12мА; I_{К рт} = 8,7мА; i_C =6,1мА; i_D=10,2мА

Коэффициент второй гармоники :

Коэффициент третьей гармоники:

Коэффициент четвертой гармоники:

Интегральный коэффициент гармоник:

2.7 Выбор резисторов и конденсаторов

Для правильного выбора резисторов необходимо рассчитать рассеиваемую ими мощность.

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи коллектора R_К:

P_Rk=I²_{k рт}* R_К =(8,7*10^-3)²*2,2*10³=167* 10^-3Вт

Мощность, рассеиваемая резистором в цепи эмиттера Rэ:

P_Rэ=(I_Kрт+I_Брт)²*R_Э=(8,7*10^-3+0.125*10^-3)²*430=33*10^-3Вт

Мощность, рассеиваемая резистором Rб1 в цепи базы транзистора:



Мощность, рассеиваемая резистором Rб2 в цепи базы транзистора: P_Rэ

Для выбора конденсаторов прежде всего необходимо знать их емкость. Рассчитаем емкость конденсаторов С_Б,С_К,С_Э:

По ряду Е6, С_Б=4,7*10^-6Ф

По ряду Е6, С_К=1*10^-6Ф

По ряду Е6, С_Э=1*10^-6Ф

Для выбора конденсаторов рассчитаем рабочие напряжения, при которых они будут работать в усилителе.

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи базы СБ:



По ряду Е6:U_CБ=4,7В

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи коллектора С_К:

U_Ck=E-I_Kpт*R_К=36-8,7*10^-3*2200=16,86В

По ряду Е6: U_CК=0,15*10²В

Постоянное напряжение на конденсаторе в цепи эмиттера С_Э:

U_СЭ=(I_Крт+I_Брт)*R_Э=8,825*10^-3*430=3,8В

По ряду Е6: U_СЭ=3,3В

Номинальное напряжение соответствующего конденсатора должно с некоторым запасом превышать рабочее напряжение, рассчитанное. Номинальные постоянные напряжения конденсаторов стандартизованы. Не следует применять конденсаторы с номинальным напряжением, значительно превышающем рабочее, так как при этом необоснованно увеличатся масса, габариты и стоимость усилителя.

Заключение

В ходе курсовой работы, мы добились поставленных целей: то есть закрепили теоретические знания, полученные при изучении дисциплины; сформировали углубленное понимание физических процессов в усилительных устройствах; изучили методы расчета усилительных устройств и их основных параметров; ознакомились с элементной базой аналоговых электронных устройств; получили навыки информационного поиска и пользования справочной информацией; ознакомились с системой стандартизации и приобретение опыта применения стандартов в практической деятельности; усвоили правила составления и оформления технической документации.

Так же в ходе работы проделали следующие вычисления: выбрали режим работы транзистора, при помощи нахождения рабочей точки на семействе выходных характеристик; определили h-параметры транзистора по статическим характеристикам: входное сопротивление, статический коэффициент передачи тока базы, входная проводимость, коэффициент обратной связи по напряжению, рассчитали параметры элементов схемы по напряжению: емкость коллекторного перехода, напряжение коллектора-базы в рабочей точке, входное сопротивление транзистора, сопротивление коллекторного перехода транзистора, сопротивление эмиттерного перехода для тока эмиттера и для тока базы, сопротивление базы транзистора, диффузионная емкость эмиттерного перехода; рассчитали основные параметры каскада: коэффициент усиления по напряжению, току, мощности, входное сопротивление каскада и выходное сопротивление каскада; оценили нелинейные искажения каскада; так же выбрали резисторы и конденсаторы, которые перечислили в перечне элементов.

Список литературы

Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.

Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи, 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.

Размещено на Allbest.ru