Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

Расчет усилителей на биполярных транзисторах

Курсовая работа по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Екатеринбург, 2013 г.



Оглавление

Введение

1. Основные параметры и характеристики

2. Выбор режима работы транзистора

3. Расчет делителя в цепи базы

4. Определение h-параметров усилителя по его статическим характеристикам

5. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

6. Расчет основных параметров каскада

7. Оценка нелинейных искажений каскада

усилитель транзистор каскад



Введение

Цель курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а так же в активизации самостоятельной учебной работы студентов, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных транзисторов, получить разностороннее представление о конкретных электронных элементах.

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 рассчитать величины элементов эквивалентных схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графо-аналитическим методом определить параметры усилительного каскада.

1. Основные параметры и характеристики

Задание к курсовой работе

Тип транзистора	КТ301Ж
Напряжение источника питания, Eп	15 В
Сопротивление цепи К, Rк	2.4 кОм
Сопротивление нагрузки, Rн	3.3 кОм
	7 мкА

Характеристики используемого транзистора

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ301Ж. Транзистор типа КТ301Ж - кремниевый планарный n-p-n транзистор, предназначенный для усиления и генерирования колебаний частотой до 60 МГц. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами.

Масса транзистора не более 0,5 г.

Табл. 1 Электрические параметры:

Наименование	Обозначение	Значения	Режимы измерения
		мини -мальное	макси -мальное	UK, В	UЭ, В	IK, мА	IБ, мА	IЭ, мА	f, МГц
Обратный ток коллектора, мкА			10	20
Обратный ток эмиттера, мкА			10		3
Напряжение насыщения коллектор - эмиттер, В			3			10	1		10-5
Напряжение насыщения база - эмиттер, В			2,5			10	1		10-5
Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте			1,5	10				1,5	20
Статистический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ		80	300	10				3
Выходная проводимость в режиме малого сигнала в схеме с ОБ, мкСм			3	10				3	10-3
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте	фк		2	10				2	2
Максимальная частота генерации, МГц	tmax		60	10				3

Табл. 2 Максимально допустимые параметры

IK max - постоянный ток коллектора, мА	10
IЭ max - постоянный ток эмиттера, мА	10
UЭБ max - постоянное напряжение эмиттер - база, В	3
UКЭК max - постоянное напряжение коллектор - эмиттер при к.з. между Э и Б, В	20
PK max - постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Tk = -55..+60 °C, мВт	150
Тп max - температура перехода, °C	120
Rт, п-н - тепловое сопротивление переход - корпус, °C/мВт	0,6
Допустимая температура окружающей среды, °C	-55…+85

При ТК = 60…85 °С PK max [мВт] = (120 - ТН) / 0,6.

Гарантируются при температуре окружающей среды Tc = -55…+85 °С.

Семейства входных и выходных характеристик:

Семейства входных и выходных характеристик транзистора представлены на рисунках 1 и 2.



Рис. 1 Семейство входных характеристик транзистора

Рис. 2 Семейство выходных характеристик транзистора



2. Выбор режима работы транзистора

Построение нагрузочной прямой по постоянному току

Для описания свойств транзистора используют входные и выходные семейства характеристик. Входной характеристикой называется зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Выходной статической характеристикой называется зависимость выходного тока от напряжения между выходными электродами транзистора при постоянном входном токе.

Нагрузочная прямая по постоянному току строится в соответствии с уравнением:

,

где Eп - напряжение питания,

Uкэ - напряжение коллектор-эмиттер,

Iк - ток коллектора,

Rк - сопротивление цепи коллектора,

Rэ - сопротивление эмиттера.

Сопротивление в цепи эмиттера получим, исходя из следующего соотношения:

Rэ = 0,2 Rк.

Тогда,

RЭ = 0,2*Rк = 0,2 * 2400 = 480 Ом

Номинальное значение: Rэ = 470 Ом

Нагрузочная прямая строится на выходной характеристике транзистора по следующим точкам:

В точке Iк = 0,

Uкэ = Eп = 15 В

В точке при Uкэ=0 и

мА

Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

По рисунку 3 определяем, что ток коллектор-эмиттер в рабочей точке равен

Отметим выбранную рабочую точку на входной характеристике транзистора

Рис. 4 Нахождение рабочей точки на входных характеристиках транзистора

Параметры рабочей точки

Название параметра	Значение параметра
Напряжение коллектор-эмиттер	4,89 В
Ток коллектора	3,8 мА
Напряжение база-эмиттер	0,58 В
Ток базы	0,033 мА

3. Расчет делителя в цепи базы

Рассчитаем сопротивления делителя RБ1, RБ2 в цепи базы.

Из условия примем ток делителя равным

Согласно закону Ома, сопротивление резистора:

Положим:

Тогда:

Номинальное значение:

Пересчитаем ток делителя:

Рассчитаем сопротивление резистора :

Номинальное значение:

Табл. 4 Параметры цепи делителя

Название параметра	Значение параметра
Ток делителя	0,3 мА
Напряжение на резисторе коллектора	1,8 В
Сопротивление делителя	8,2 кОм
Сопротивление делителя	39 кОм



4. Определение h-параметров усилителя по его статическим характеристикам

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

Входное сопротивление при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (=const) определяют по входным характеристикам транзистора. Для этого зададим приращение напряжения база-эмиттер симметрично относительно рабочей точки и определим соответствующее приращение тока базы (рис. 5).

Рис. 5 Определение приращения тока базы

Статический коэффициент передачи тока базы транзистора при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора (UКЭ = const) определяют по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра необходимо задать приращение тока базы и определить соответствующее приращение тока коллектора ДIК (рис. 6).

Рис. 6 Определение приращения тока коллектора

Выходную проводимость в режиме холостого хода на входе транзистора () определяют также как и параметр по выходным характеристикам транзистора. Для нахождения параметра необходимо задать приращение напряжения коллектор-эмиттер и определить соответствующее приращение тока коллектора (рис. 7).

Рис. 7 Определение приращения тока коллектора

Четвертый параметр - коэффициент обратной связи по напряжению по приводимым в справочниках статическим характеристикам определить невозможно. Исходя из условия , выберем коэффициент обратной связи по напряжению равным

Табл. 5 h-параметры усилителя:

Название параметра	Значение параметра
Входное сопротивление	2000 Ом
Статический коэффициент передачи тока базы транзистора	143
Выходная проводимость
Коэффициент обратной связи по напряжению

5. Расчет параметров элементов схемы замещения транзистора

Рассчитаем физические малосигнальные параметры П-образной схемы замещения биполярного транзистора (рис. 8).

Рис. 8 П-образная схема замещения биполярного транзистора

Емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база

:

,

где емкость коллекторного перехода при напряжении коллектор-база .

Напряжение коллектор-база рассчитаем по следующей формуле:

,

где

Выходное сопротивление транзистора

Сопротивление коллекторного перехода транзистора

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера

,

Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы

Сопротивление базы транзистора:

фК = 2

rБ = 1,5 = 1,5 * = 78,1 *109 Ом

Диффузионная емкость эмиттерного перехода:

Крутизна транзистора

Табл. 6 Параметры элементов схемы замещения транзистора

Название параметра	Значение параметра
Емкость коллекторного перехода	25,63 пФ
Выходное сопротивление транзистора	Ом
Сопротивление коллекторного перехода транзистора	Ом
Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока эмиттера	Ом
Сопротивление эмиттерного перехода транзистора для тока базы	Ом
Сопротивление базы транзистора	78 * 109 Ом
Диффузионная емкость эмиттерного перехода	1,22 нФ
Крутизна транзистора



6. Расчет основных параметров каскада

Коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по мощности:

Входное сопротивление каскада:

Выходное сопротивление каскада:

Табл. 7 Основные параметры транзистора

Название параметра	Значение параметра
Коэффициент усиления по напряжению	99,35
Коэффициент усиления по току	46,5
Коэффициент усиления по мощности	4618,5
Входное сопротивление каскада	1544,2 Ом
Выходное сопротивление каскада	2164,2 Ом

7. Оценка нелинейных искажений каскада

Построим нагрузочную прямую по переменному току, которая будет проходить через рабочую точку и точку B (рис. 10) с напряжением

Оценим максимальную амплитуду выходного напряжения каскада с учетом «подтягивания» рабочей точки к ближайшей выходной характеристике. Она будет равна меньшему из двух напряжений: напряжения в рабочей точке и разности (рис. 10).



Рис. 11 Определение напряжений база-эмиттер

По таблице 8 постоим сквозную характеристику каскада

Табл. 8 Сквозная характеристика каскада

	7	14	21	28	33	35	42
	0,33	0,44	0,49	0,55	0,56	0,59	0,62
	0,1	1	2	3	3,8	4	4,9

Оценим нелинейные искажения каскада. Для этого воспользуемся методом пяти ординат.

Коэффициент второй гармоники:

Коэффициент третьей гармоники:

Коэффициент четвертой гармоники:

Интегральный коэффициент гармоник

Табл. 9 Оценка нелинейных искажений сигнала

Название параметра	Значение параметра
Коэффициент второй гармоники
Коэффициент третьей гармоники
Коэффициент усиления по мощности
Интегральный коэффициент гармоник

Размещено на Allbest.ru