Контрольная работа, оформленная в соответствии с приведенными ниже правилами, направляется для проверки преподавателю

• Название: Контрольная работа, оформленная в соответствии с приведенными ниже правилами, направляется для проверки преподавателю
• Дата: 29.06.2022
• Размер: 296 Kb.
• Имя файла: work.doc
• Тип: Контрольная работа; #620627
• страница: 2 из 3

_Umвх.сл

Рисунок 1 – Каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе с эмиттерной стабилизацией

Рисунок 2 – Каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе с комбинированной стабилизацией

3. Методические рекомендации к расчету

1. 
   Выбор режима работы транзистора
   

Режим работы транзистора определяется постоянными токами и напряжениями на электродах транзистора (U_к0, i_к0, U_б0, i_б0).

В каскаде предварительного усиления, работающего в режиме «А», постоянные составляющие выходных токов и напряжений выбираются значительно больше переменных, которые необходимо обеспечить на входе следующего каскада, для уменьшения нелинейных искажений. Минимальные значения i_к0и U_к0ограничены, во-первых, усилительными свойствами транзистора, которые ухудшаются при i_к0< 1 мА, и, во-вторых, режимом насыщения транзистора, при котором нелинейность характеристик резко возрастает при U_кэ<U_{к нас}, где U_{к нас} = (0,2…1)В – напряжение насыщения транзистора.

Таким образом:

i _к0(2…5)I_{m вх сл}, i_к01 мА;

U_к0(1,2…1,5)U_{к нас} + (1,5…3) U_{m вх сл}, (3.1)

где U_{m вх сл} = I_{m вх сл}R_{вх сл}

При выполнении условия (3.1) для каскадов предварительного усиления напряжение на коллекторе U_к0 выбирается не менее 3 –5 В с учетом следующих соображений:

• 
  при меньших напряжениях сказывается нелинейность характеристик транзистора вблизи режима насыщения, что приводит к существенным нелинейным искажениям и изменению коэффициента усиления под действием дестабилизирующих факторов;
  
• 
  необходимо предусмотреть запас на нестабильность точки покоя (тока i_к0) при изменении температуры р – nперехода транзистора, иначе изменение коллекторного тока (при изменении температуры окружающей среды, саморазогреве транзистора, замене элементов) может привести к существенным нелинейным искажениям.
  

i_б0i_к0/ h_{21э ср}, где h_{21э ср} = – средний статический коэффициент усиления транзистора, определяемый по справочным данным (приведен в таблице П1).

U_б0можно определить из входной характеристики транзистора для рассчитанного тока i_б0 (при отсутствие справочных данных можно взять равным U_б0= 0,5 – 0,7 В).

2. 
   Расчет сопротивлений схемы
   

а) для схемы рисунка 1

Расчет (выбор) значений резисторов R_ки R_э производится из следующих соображений.

Нагрузкой для усилительного каскада служит входное сопротивление следующего каскада усиления R_{вх сл}. Поскольку сопротивление R_к по переменному току включено параллельно R_{вх сл}, то нагрузкой для транзистора служит сопротивление

.

Для уменьшения шунтирования сопротивлением R_к входа следующего каскада рекомендуется выбирать его из условия R_к (2…6)R_{вх сл}.

Вместе с тем, из уравнения Кирхгофа для выходной цепи каскада:

Е_п = U_к0 + U_Rк + U_Rэ (3.2)

следует, что

1. Сопротивления и токи в выходной цепи должны выбираться так, чтобы сумма падений напряжения на элементах выходной цепи каскада было равно Е_п.

2. Падение напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера

U_Rэ = Е_п – U_к0 – U_Rк, где U_Rк = R_кi_к0. (3.3)

Для выбранного режима работы (U_к0, i_к0) сопротивление R_к выбирается таким образом, чтобы напряжение на сопротивлении R_э составляло не менее (0,2…0,3)U_к0 для обеспечения стабилизации режима работы транзистора.

Величины напряжений на сопротивлениях R_к и R_э можно перераспределять с учетом того, что:

• 
  при U_Rк > U_Rэ увеличивается коэффициент передачи усилителя, но ухудшается стабильность точки покоя, поскольку для меньшего значения R_э уменьшается глубина обратной связи по постоянному току;
  
• 
  при U_Rк < U_Rэулучшается стабильность режима работы транзистора, но уменьшается коэффициент передачи усилителя, поскольку возрастает составляющая переменного тока, протекающая через сопротивление R_к и, соответственно, уменьшается R_к и, следовательно, напряжение на входе транзистора следующего каскада.
  

После предварительного выбора U_Rк иU_Rэ (и расчета соответствующих сопротивлений) далее производится расчет стабилизации режима работы. При неудовлетворительной стабилизации можно вернуться к выбору R_к и R_э и перераспределить напряжения на них в пользу U_Rэ.

, (3.4)

Сопротивления резисторов делителя напряжения, создающих смещение в базовой цепи транзистора, определяются из соотношений:

; , (3.5)

где i_дел – ток делителя, который выбирается из условия i_дел(3…10)i_б0. Увеличение тока делителя повышает стабильность режима работы транзистора (стабильность выходного постоянного тока), но при этом сопротивления делителя уменьшаются, что приведет к шунтированию входа транзистора и уменьшению коэффициента передачи по переменному току.

б) для схемы рисунка 2

Расчет схемы проводится с учетом фильтра в цепи питания (R_ф), падение напряжения на котором выбирают из рекомендации: U_Rф<0,2Е_п. Тогда

, (3.6)

где ток делителя выбирается из условия i_дел(3…10)i_б0.

Сопротивление R_копределяется из тех же соображений, что и для схемы на рисунке 1 с учетом уравнения Кирхгофа для выходной цепи каскада:

Е_п = U_к0 + U_Rк + U_Rэ+ U_Rф. (3.7)

Сопротивление R_эопределяется из (3.8):

(3.8)

Сопротивления в цепи делителя напряжения (R_б, R):

; , (3.9)

3. 
   Определение входного сопротивления усилительного каскада
   

Входное сопротивление каскада (R_вх) для схем рисунков 1 и 2 определяется как параллельное соединение сопротивлений делителя (R, R_б)и входного сопротивления транзистора, включенного с ОЭ (R_вхэ):

, (3.10)

где – входное сопротивление транзистора, включенного с общим эмиттером. В случае отсутствия в справочнике значения r_б можно взять его равным 50 Ом или определить графически по входной статической характеристике (используя верхний участок характеристики, приведенный при максимальных токах базы).

4. 
   Расчет стабилизации режима работы транзистора
   

При расчете усилительных каскадов нестабильность постоянного коллекторного тока производится для наихудшего случая, при максимальных значениях неуправляемого коллекторного тока (I_{кб0 мах}), статического коэффициента усиления тока базы (h_{21э мах}) и заданной температуры окружающей среды (Т_с.мах).

Сначала рассчитывается максимальное приращение коллекторного тока без учета действия элементов стабилизации

i_{к0 мах} = i_б0h_{21э мах} + I_{кб0 мах} (1 + h_{21э мах}) – i_к0, (13.11)

где I_{кб0 мах} – неуправляемый обратный ток коллектора, рассчитанный при максимальном значении температуры p–n перехода транзистора

Т_{п мах} = Т_с + R_псР_к , (13.12)

где Р_к = U_к0i_к0 – мощность рассеивания на коллекторе транзистора; R_пс – тепловое сопротивление переход–среда, которое характеризует степень отвода тепла от p–n перехода в окружающую среду. Обратите внимание на размерность R_пс и Р_к.

При повышении температуры I_кб0значительно возрастает (по показательному закону). Для кремниевых транзисторов ток возрастает в 3 раза при увеличении температуры перехода на каждые 10.

, (13.13)

где Т – температура, при которой приведено значение I_кб0в справочнике.
Затем определяется приращение коллекторного тока с учетом эмиттерной стабилизации, для чего рассчитывается глубина обратной связи по постоянному току(F_посл)
, (13.14)
где – сопротивление делителя.
3. Построение нагрузочных прямых по постоянному и переменному току
При построения нагрузочной прямой для постоянного тока записывается уравнение Кирхгофа для выходной цепи транзистора

Е_пU_кэ + i_кR_н=,

где R_н= = R_к + R_э (для схемы рисунка 1);

R_н= = R_ф + R_к + R_э (для схемы рисунка 2);

Нагрузочная прямая строится по двум крайним точкам:

при U_кэ = 0 i_к = / R_н=;

при i_к =0U_кэ = Е_п.

На графике указать положение точки покоя (ТП). Если расчеты резисторов выполнены верно, то точка покоя будет находиться на нагрузочной прямой.

После построения нагрузочной прямой необходимо сделать вывод о работоспособности рассчитанного усилителя при действии дестабилизирующих факторов. Усилительный каскад будет работоспособен, если максимальное изменение тока коллектора не приведет к существенному смещению точки покоя в область насыщения транзистора. Это означает, что переменная составляющая коллекторного тока с учетом постоянной составляющей (i_к0) и максимального его приращения (при повышении температуры перехода) не будет попадать в область насыщения транзистора.

Если условие работоспособности не выполняется, то необходимо пересмотреть выбор режима работы транзистора, а также сопротивлений в выходной цепи транзистора и в цепи базы таким образом, чтобы увеличить сопротивление эмиттера (R_э) и уменьшить сопротивление делителя (R_д) для повышения глубины ООС по постоянному току (F_посл).

Нагрузочная прямая по переменному току строится по двум точкам:

1. 
   При i_к =0 на оси напряжений откладывается значение U’_кэ=U_кэ0 + i_кR_к,
   

где .

2. 
   Второй точкой является точка покоя на нагрузочной прямой по постоянному току.
   

Д ля примера на рисунке 3 показаны нагрузочные прямые, изображенные на семействе выходных статических характеристик (хотя сами статические характеристики для построения нагрузочных прямых не нужны и могут не показываться).

Рисунок 3 – Пример построения нагрузочных прямых по постоянному (R_н=) и переменному (R_к) току.

5. 
   Расчет реактивных элементов схемы
   

К реактивным элементам относятся входная (Ср1) и выходная (Ср2) разделительные емкости, а также емкость в цепи эмиттера транзистора.

Поскольку все эти емкости вносят частотные искажения на нижних частотах, их расчет производится таким образом, чтобы на нижней рабочей частоте результирующие частотные искажения не превышали допустимых значений.

Общие частотные искажения на нижних частотах

М_н,дБ = М_нр1,дБ + М_нр2,дБ + М_нэ2,дБ (13.15)

или в относительных единицах

М_н = М_нр1·М_нр2 ·М_нэ2.

Таким образом, на первом этапе, исходя из заданного общего значения М_н,дБ, распределяются допустимые частотные искажения, создаваемые каждым реактивным элементом.

Например, если заданно значение Мн = 3,5дБ, можно задаться величинами:

М_нр1 = 0,5дБ; М_нр2 = 1,0дБ; М_нэ = 2,0дБ.

Наибольшее влияние на АЧХ окажет именно емкость Сэ, которая может создавать отрицательную обратную связь на НЧ и, следовательно, уменьшать коэффициент усиления. Поэтому для емкости в цепи эмиттера можно допустить большее значение частотных искажений, поскольку расчетное значение емкости Сэ может составлять 10-ки и 100-ни мкФ, что определят ее большие габариты и стоимость.

При большем значении допустимых частотных искажениях величина емкости Сэ (а также габариты и стоимость) будет меньше.

Для дальнейших расчетов необходимо перевести выбранные коэффициенты частотных искажений в относительные величины (в разы) по формуле

, (3.16)

поскольку в расчетные формулы нельзя подставлять величины в дБ!

Расчет реактивных элементов производится по формулам (3.17) – (3.19)

, (3.17)

где R_вх определяется по формуле (3.10);

, (3.18)

где R_эн ≈ R_к;
, (3.19)

где ; .
Выбрать типы и значение конденсаторов по ГОСТ.

Приложение 1

Таблица П1 – Справочные данные биполярных транзисторов

Тип транзистора	Структура	h21э	Iкб0 (Т) мкА (С)	Сбк, пФ	Сбэ, пФ	к, пс	fh21э, МГц	Кш, дБ	Uкэ макс, В	Iк макс, мА	Рк макс, Вт	Тп макс, С	RТ П-С, (С / мВт)
КТ312Б	n – p – n	25…100	10 (25) 30 (85)	5	20	500	3		35	30	0,225	115	0,4
КТ315Б	n – p – n	50…350	0,5 (25) 10 (100)	7		500	5,4		20	100	0,15	120	0,67
КТ361Б	p – n – n	50…350	1 (25) 25 (100)	9		500	5		20	50	0,15	120	0,67
КТ3102А	n – p – n	100…250	0,05 (25) 5 (85)	6		100	1,5	 10	50	100	0,25	125	0,4
КТ3102В	n – p – n	100…250	0,015 (25) 5 (85)	6		100	0,75	 10	30	100	0,25	125	0,4
КТ3102Е	n – p – n	100…250	0,015 (25) 5 (85)	6		100	0,75	 4	20	100	0,25	125	0,4
КТ3107Б	p – n – n	120…220	0,05 (25) 5 (85)	7		100	2	 10	50	100	0,3	150	0,42
КТ368А	n – p – n	50…300	0,5 (25) 5 (125)	1,7	3	15	5	 3,3	15	30	0,225	150	0,38
КТ501Д	p – n – n	40…120	1 (25)	50	100		1,0	 4	30	300	0,35	150	0,33
КТ608Б	n – p – n	50…160	10 (25) 80 (125)	15	50		10		60	400	0,5	120	0,2
КТ630А	n – p – n	40…120	1 (25)	15	65	100	50		120	1000	0,8	150	0,156
КТ632Б	n – p – n	50	1 (25) 10 (85)	5	50	100	4		120	100	0,5	150	0,25
КТ602АМ	n – p – n	20…80	70 (25)	4	25	300	3,75		100	75	0,75 / 2,8*	120	0,15
КТ814Б	p – n – n	 40	50 (25) 1000 (100)	60			0,75		40	1500	1 / 10*	125	0,1 / 0,01*
КТ817Б	n – p – n	 30	100 (25) 3000 (150)	60	115		0,12		40	1500	1 / 25*	150	0,1 / 0,005*

* Для транзисторов с теплоотводом

Приложение 2

Справочные данные стандартных значений пассивных компонентов
Номинальные значения резисторов и конденсаторов стандартизированы в пределах десятичного интервала. Для постоянных резисторов согласно ГОСТ 2825-67 установлено шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, а для переменных резисторов в соответствии с ГОСТ 10318-80 установлен ряд Е6. Наиболее употребительные значения емкостей выбираются из рядов Е3, Е6, Е12, Е24 (таблица 3)

Номинальные значения выбираются из определенных рядов путем умножения или деления их 10ⁿ, где n – целое положительное число.
Таблица П2 – Номинальные ряды

Ряд	Числовые коэффициенты
Е3	1				2,2				4,7
Е6	1		1,5		2,2		3,3		4,7		6,8
Е12	1	1,2	1,5	1,8	2,2	2,7	3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2
Е24	1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,7	3
	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

Конденсаторы подразделяются по допустимому напряжению, материалу и температурному коэффициенту емкости (ТКЕ), который определяет линейную зависимость емкости от температуры. ТКЕ определяет относительное изменение емкости (в миллионных долях) при изменении температуры на один градус Цельсия. Значения ТКЕ керамических конденсаторов и их кодированные обозначения приведены в таблице П4.
Таблица П3 – Значения ТКЕ керамических конденсаторов и их условные обозначения

Группа ТКЕ

П100

П60

П33

МП0

М33

М47

М75

М150

М220

М330

М470

М750

М1500

М2200

Номинальное значение (10-6 1/С)

+100

+60

+33

0

–33

–47

–75

–150

–220

–330

–470

–750

–1500

–2200