Методические указания к выполнению курсовой работы Архангельск 2010 Рассмотрены и рекомендованы к изданию

• Название: Методические указания к выполнению курсовой работы Архангельск 2010 Рассмотрены и рекомендованы к изданию
• Дата: 11.11.2021
• Размер: 457.5 Kb.
• Имя файла: metodicheskie_posobiya.laboratornye_raboty_3_.doc
• Тип: Методические указания; #269186
• страница: 1 из 3

Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический университет


РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Методические указания

к выполнению курсовой работы

Архангельск 2010

Рассмотрены и рекомендованы к изданию

методической комиссией факультета промышленной энергетики

Архангельского государственного технического университета

27 мая 2009 г.
Составитель

И. А. Патракова, ст. преп.
Рецензент

И. И. Василишин, доц., канд. техн. наук
Расчет усилительного каскада: методические указания к выполнению курсовой работы / сост. И. А. Патракова. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2008 – 38 с.

Подготовлены кафедрой электротехники и энергетических систем АГТУ.

Приведены общие сведения о расчете параметров усилительного каскада переменного напряжения на биполярном транзисторе, построении его частотных характеристик.

Предназначены для студентов Института информационных технологий 230104 «Системы автоматизированного проектирования» дневной формы обучения, студентов механического факультета специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы» дневной формы обучения.

Ил. 12. Табл. 1. Библиогр. 8 назв.


© Архангельский государственный

технический университет, 2009

© И. А. Патракова
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Целью расчета является определение номиналов элементов схемы и характеристик усилителя на биполярном транзисторе (рис. 1).

Практически невозможно встретить случай, когда усилитель рассчитывается на потребляемые ток и мощность. Обычно при расчете задаются требованиями необходимого коэффициента усиления, выходной мощности, полосы пропускания и, исходя из этих значений, определяют номиналы элементов схемы, напряжения питания и потребляемого тока, после чего получают техническое задание на расчет блока питания. Расчет, приводимый ниже, имеет своей целью освоение навыков расчета усилительных схем и определения характерных соотношений между номиналами элементов и параметрами подобной схемы.


Рис. 1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Условно – графическое изображение транзистора на схеме усилительного каскада должно соответствовать типу выбранного транзистора (р–n–p или n–p–n).

Данный расчет может проводиться в несколько шагов: если рассчитанные параметры не будут соответствовать определенным требованиям (КПД, мощности, и др.), необходимо вернуться

к выбранным величинам, изменить их и повторить расчет, добиваясь при этом наиболее оптимальных результатов.

Выбор реальных резисторов и конденсаторов производится из ряда сопротивлений и электроемкостей:

Ряд сопротивлений:

R_x= n * 10^k, k = 1,2,…,8.

n = 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.

Электроемкости конденсаторов также соответствуют данному ряду.

Варианты задания представлены в табл. 1.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные для расчёта усилителя берутся из табл. 1 согласно заданному варианту:

Е_П. – постоянное напряжение источника питания усилителя, В;

_Г. – частота входного сигнала генератора, Гц;

I^*_{К. max} – максимальное допустимое значение коллекторного тока транзистора, А;

U_Г. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала, В;

R_Г. – внутреннее сопротивление генератора сигнала;

R_Н. – сопротивление нагрузочного устройства усилительного каскада, Ом.
Необходимо выбрать транзистор из справочной литературы по полупроводниковым транзисторам согласно исходным параметрам усилителя таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:

- максимальное значение коллекторного тока I_{К. max} выбранного транзистора было больше заданного I^*_{К. max}на (20 ÷ 30)%;

- максимальное значение напряжения Uк.э. выбранного транзистора было больше напряжения источника питания усилителя Е_П.

- частота входного сигнала генератора _Г. была много меньше предельной частоты коэффициента передачи тока выбранного биполярного транзистора _Т.

На основе выбранного транзистора необходимо построить усилитель переменного напряжения.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Усилительный каскад с общим эмиттером

на биполярном транзисторе
Биполярные транзисторы являются активными полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление мощности электрических сигналов. По структуре – это прибор с тремя чередующимися слоями полупроводников с электропроводностями разных типов. В зависимости от характера электропроводности внешних слоев различают биполярные транзисторы типа р–n–p и n–p–n. Условно – графическое обозначение этих транзисторов имеет следующий вид (рис. 2). Изображение транзистора на схеме усилительного каскада должно соответствовать его типу. Тип транзистора указывается в справочной литературе.


Рис. 2. Условно – графическое обозначение

биполярных транзисторов типа р–n–p и n–p–n

Один из электродов транзистора является входным, другой – выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода схемы. В цепь входного электрода включают источник

входного сигнала, в цепь выходного – сопротивление нагрузки.

В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Транзисторы, включенные по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, изображены на рис. 3.



Рис. 3. Схемы включения транзистора: а) – с общей базой,

б) – с общим эмиттером, с) – с общим коллектором.
Каждая схема включения транзистора характеризуется двумя независимыми семействами статических характеристик, определяющих соотношения между токами, проходящими в цепях его электродов, и напряжениями, приложенными к этим электродам. Такими характеристиками являются входные I_ВХ. = f(U_ВХ.)| _{Uвых. = const}

и выходные I_ВЫХ. = f(U_ВЫХ.)| _{Iвх. = const.}

В практических устройствах промышленной электроники наиболее широкое распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая наибольшим усилением по мощности. Транзистор способен усиливать мощность сигнала, однако, характеристики и параметры транзисторного усилителя можно улучшить с помощью обратной связи – искусственной цепи, по которой часть энергии с выхода усилителя передается на его вход, изменяя режим входной цепи. При этом образуется замкнутый контур, состоящий из усилителя и звена обратной связи (рис. 4).




Рис. 4. Структурная схема усилителя с обратной связью

Различают обратную связь по напряжению, если напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению на нагрузке усилителя и обратную связь по току, если напряжение обратной связи пропорционально току в нагрузке. По способу передачи энергии через цепь обратной связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение обратной связи подключают последовательно с напряжением источника входного сигнала усилителя, а во втором – параллельно (рис. 5).


Рис. 5. Структурная схема усилителя с параллельной

и последовательной обратной связью

Принципиальная схема усилительного каскада по схеме включения транзистора с общим эмиттером представлена на рис. 6.



Рис. 6. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
На схеме обозначены направления переменных составляющих токов транзисторного усилителя: i_К.– ток коллектора, i_Б. – ток базы,

i_Э. –ток эмиттера, i_Н. – ток нагрузки и направления постоянных составляющих токов усилительного каскада I_К.– ток коллектора покоя, I_Б. – ток базы покоя, I_Э. –ток эмиттера покоя, I_д. – ток делителя.

Назначение элементов схемы усилительного каскада
U_Г. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала;

R_Г. – внутреннее сопротивление, источника входного сигнала;

U_В.Х. – действующее входное синусоидальное напряжение (входной сигнал).

U_ВЫХ. – действующее выходное синусоидальное напряжение (выходной сигнал).

R_Н. – сопротивление нагрузочного устройства;

Е_П. – постоянное напряжение питания транзисторного усилителя. Полярность источника питания зависит от типа выбранного транзистора.

Резисторы R_Б.1, R_Б.2 составляют делитель напряжения цепи базы на входе усилителя и обеспечивают требуемую работу транзистора в режиме покоя, то есть в отсутствие входного сигнала, определяют оптимальные значения напряжения покоя U_{Б.Э. П} и тока покоя базы

I_{Б. П.} транзистора.

Резистор R_К. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по току коллектора, вместе с R_Н. определяет величину выходного сигнала, задает линию нагрузки на семействе выходных характеристик транзистора, определяет выбор начальной рабочей точки в режиме покоя, напряжение покоя U_{К.Э. П.} и ток покоя

I_{К. П..} транзистора.

Резистор R_Э. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по току эмиттера, предназначен для температурной стабилизации рабочей точки транзисторного усилителя. Однако введение этого элемента в схему вызывает уменьшение коэффициента усиления усилительного каскада. Последнее предотвращают путем включения параллельно резистору R_Э. конденсатора С_Э. такой емкости, чтобы на всех усиливаемых частотах выполнялось условие: Х_{С Э.} << R_Э.. Таким образом, C_Э. будет шунтировать резистор R_Э. по переменному току.

Разделительный конденсатор C_{Р. 1} передает на вход усилителя переменную составляющую сигнала от источника i_вх., не пропуская постоянный ток от источника питания Е_П. во входную цепь усилителя. Разделительный конденсатор C_{Р. 2} передает на выход усилителя переменную составляющую сигнала, не пропуская постоянный ток от источника питания Е_П. в выходную цепь усилителя, тем самым уменьшается потребление мощности усилителя от источника питания и исключаются искажения сигнала на выходе усилительного каскада.

Изменения коллекторного тока транзистора зависят от изменений тока базы и от изменений напряжения на коллекторе:

E_П. = U_{К.Э. П} + U_{Э. П.} + R_К. I_К..
Такой режим работы транзистора называется динамическим, а характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, динамическими характеристиками (рис. 7). Динамические характеристики строят на семействе статических характеристик при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи E_П. и сопротивления нагрузки R_К.. Для построения выходной динамической характеристики используют уравнение динамического режима, которое представляет собой уравнение прямой, так как при переменной величине I_К. стоит постоянный коэффициент R_К.. Поэтому достаточно найти отрезки, отсекаемые прямой на осях координатной системы (I_К., U_К.Э.). Если I_К. = 0, то U_К.Э. = Е_П. и при U_К.Э. = 0,

I_К. = E_П. / R_К..

Отложив на соответствующих осях напряжение, равное E_П., и ток, равный E_П. / R_К., через полученные точки проводят прямую, которая называется нагрузочной прямой. Выходная динамическая характеристика является геометрическим местом точек пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками. Используя динамическую коллекторную характеристику, можно для любого значения коллекторного тока найти соответствующие значения напряжения на коллекторе и тока во входной цепи I_Б., которые являются взаимосвязанными. Нагрузочную прямую можно построить так же, проведя прямую линию из точки Е_К. под углом ψ = arctg(R_К.).

Точку пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном токе базы, определяемым источником смещения, называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала) – точкой покоя (или начальной рабочей точкой – н.р.т.). Точка покоя однозначно определяет ток покоя выходной цепи I_{К. П.} и напряжение покоя U_{К.Э. П.}. Режим работы транзистора, при котором рабочая точка не выходит за пределы участка нагрузочной прямой, называют линейным или усилительным режимом. При этом при изменении входного тока (тока базы) пропорционально изменяется выходной ток (ток коллектора). Если входной ток I_{Б. max.} равен току базы насыщения I _{Б. НАС.} (точка ), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту коллекторного тока, который достигает тока насыщения I_{К. НАС.}. При этом напряжение на коллекторе U_{К.Э. НАС}. невелико (0,1 – 0,3 В) и, следовательно, U_{К.Э. НАС}. Е_П.. В режиме насыщения оба перехода транзистора смещаются в прямом направлении.

Условие насыщения транзистора: I_{Б. max}. I _{Б. НАС.}.

Ток коллектора в режиме насыщения: I_{К. НАС.} = E_П. / R_К. определяется только параметрами внешней цепи.

Область насыщения расположена левее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ). Ток насыщения I_{К. НАС.} для сохранения нормального теплового режима не должен превышать максимально допустимого коллекторного тока транзистора I_{К. max.}, заданного в справочнике.

Если оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые токи. При этом в коллекторной цепи проходит ток I_К. = I_{К..Б. 0}, а в базовой цепи I_Б. = – I_{К.Б. 0}. Напряжение на коллекторе U_{К.Э. ОТСЕЧКИ} практически равно E_П.. Область отсечки расположена правее неуправляемого участка статической характеристики (левее точки ).

Режимы работы транзистора – насыщения и отсечки используются в импульсных устройствах промышленной электроники.
Динамические характеристики биполярного транзистора изображены на рис. 7.




Рис. 7. Динамические характеристики транзисторного усилителя

Период входного синусоидально изменяющегося сигнала
Т = 1/f_Г..
Угол сдвига фаз между выходным и входным напряжением
φ= arctg(1/(ωτ_Н.) – ωτ_В.).
В зависимости от местоположения начальной рабочей точки (н.р.т.) различают следующие режимы работы усилительного каскада: А, В, С.

В режиме А начальную рабочую точку выбирают на середине нагрузочной прямой. Этот режим применяют в усилителях напряжения. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае незначительны, но усилитель имеет низкий КПД усиления (менее 30%).

В режиме В начальную рабочую точку выбирают в точке отсечки (в начале переходной характеристики) транзистора. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае велики, но и КПД усилителя в этом режиме более высок (до 80 %).

В режиме С начальную рабочую точку выбирают за точкой отсечки транзистора. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае очень значительны, но и КПД высок (до 100 %).

4. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Расчет параметров режима покоя усилителя
Расчет усилительного каскада производится с помощью схемы замещения, представленной на рис. 8.

В данной схеме:

R^* _Б. – сопротивление делителя в цепи базы усилителя, Ом.
R^* _Б. = R _б.1 R _б.2 / (R _б.1 + R _б.2).


Рис. 8. Схема замещения усилительного каскада

С₀ – емкость монтажа, Ф.

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, Ом.
Выбор режима работы усилителя и рабочей точки производят в зависимости от назначения рассчитываемого усилителя.

При расчете усилителя в режиме А на входной вольт – амперной характеристике транзистора выделяют линейный участок. Согласно выбранному участку определяют параметры покоя усилительного каскада: I_{Б. П.} и U_{б.э. п.}.

Проецируя точку тока базы покоя на переходную характеристику, определяют значение тока покоя коллектора I_{К. П.}. Ток коллектора покоя связан с током базы покоя транзистора соотношением
I_{К. П.}= h₂₁I_Б.П..
h₂₁ - статический коэффициент передачи тока базы транзистора, справочная величина.

Значение h₂₁ обычно задается в виде диапазона, соответствующего технологическому разбросу этого параметра от транзистора к транзистору. Для расчета необходимо взять среднее геометрическое значение из этого диапазона
.
Далее строят нагрузочную прямую: на оси абсцисс выходных характеристик транзистора отмечают значение напряжения источника питания Е_П., на оси ординат – значение тока коллектора насыщения

I_{К. НАС.} = 2I_{К. П.}. Проводят нагрузочную прямую через эти точки. Определяют напряжение покоя коллектор – эмиттер транзистора

U_{К.Э. П.}.

Ток покоя эмиттера, А
I_{Э. П.} = I_К.П + I_{Б. П.}.
В целях экономичности и получения удовлетворительной температурной стабильности напряжение покоя эмиттера выбирают
U_{Э. П.} = (0.1  0.2)E_П..
Напряжение покоя коллектор – эмиттер, В
U_{К.Э. П.}= 0.5E_П. – U_{Э. П.}.
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзистора, Вт
P₀ = U_{К.Э. П.} I_К.П.
Транзистор выбран правильно, если выполняется условие
P₀ < P*_{К. max.}._.
P*_{К. max.} - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе биполярного транзистора, по значению этой мощности транзисторы подразделяются на транзисторы маломощные, мощные и средней мощности.

Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе
Р_ВЫХ. = 0.5U_{К. max.} * I_{К. max..}.
где U_{К. max.}, I_{К. max.} – амплитуды коллекторных напряжения и тока.
КПД усилительного каскада
_.

КПД усилительного каскада в режиме работы “А” довольно низок.

Расчёт цепи отрицательной обратной связи усилителя

и сопротивлений делителя напряжения в цепи базы R_Б.1, R_Б.2
Расчёт сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной связи R_Э., Ом


Такое значение R_Э. обеспечивает достаточную температурную стабилизацию и незначительное понижение U_ВЫХ..