Курсовая работа Ягупов А. 3К. Расчёт усилительного каскада на биполярных транзисторах

Название	Расчёт усилительного каскада на биполярных транзисторах
Дата	30.05.2022
Размер	0.84 Mb.
Формат файла
Имя файла	Курсовая работа Ягупов А. 3К.docx
Тип	Реферат #558321

Министерство образования Тверской области

государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Тверской политехнический колледж»

Курсовой работы

По ПМ 01.02 «Проектирование цифровых устройств»

ТЕМА: Расчёт усилительного каскада на биполярных транзисторах

Автор работы:

Ягупов Александр Евгеньевич

^(Ф.И.О.)

Специальность:

«Компьютерные системы и комплексы»

Группа:

3К

Руководитель работы Мальцев Константин Валерьевич / /

^{(подпись, Ф.И.О.)}

«»20г.

Дата защиты Оценка

Тверь 2019

Содержание

Введение……………..………………………………………………………………2

Глава 1. Расчет элементов схемы по постоянному току……...…………….......3

1.1 Предварительные данные для расчета…………………………………..…….7

1.2 Входные и выходные характеристики……………..…………………………..8

Глава 2. Графоаналитический расчет параметров усилителя……..……………10

2.1 Построение динамической нагрузочной прямой и графический расчет амплитуд сигналов…………………………………………...…………………….13

2.2 Расчёт параметров каскада по переменному сигналу………………………..16

2.3 Определение емкостей конденсаторов на входе и выходе каскада и в цепи эмиттера……………………….…………………………………………………….17

Глава 3. Определение h-параметров и характеристик каскада…...…………….18

3.1 Определение входного сопротивления……………….……………………....19

3.2 Определение коэффициента обратной связи напряжению………………….20

3.3 Определение коэффициента усиления по току………………………………21

3.4 Определение выходной проводимости…………………………………….…22

Заключение…………………………………………………………………………23

Список литературы………………….…………………………………………….24

Введение

Тема курсовой работы звучит так «Расчёт усилительного каскада на биполярных транзисторах».

Наиболее сложными разделами этого курса, являются, те которые связаны со схемотехникой аналоговых устройств.

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя или несколькими p-n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три выхода или более.

Транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые. Мы же коснёмся биполярных транзисторах, называют их полупроводниковым приборам с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя выводами или более.

Целью данной работы является расчёт параметром усилительного каскада на биполярных транзисторах, расчёт элементов схемы по постоянному току, графоаналитический расчет параметров усилителя, определение h-параметров и характеристик каскада.

В результате выполнения данной курсовой работы, я получу базовые навыки расчёт усилительного каскада на биполярных транзисторах.

Глава 1. Расчет элементов схемы по постоянному току

Расчёт элементов стоит начать с обеспечения режимов работы фотодиода и транзисторов по постоянному току. Схема усилителя по постоянному току предоставлена на рисунке 1. На этом рисунке показаны только те элементы схемы, по которым протекает постоянные токи.

Рисунок 1 – Схема усилителя по постоянному току

Независимо от типов электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи.

Этот режим работы называют режим по постоянному току. Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах.

Определить ток и падение напряжения нелинейной цепи можно аналитическим и графоаналитическим методами. При использовании графоаналитического метода строится линия нагрузки по постоянному току. Она представляет собой ВАХ – Вольт-амперная характеристика, той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейный, управляемый внешним сигналом активный прибор.

Для данной схемы уравнение линии нагрузки представляет функцию:

При

Получаем рабочую точку A с координатами (на рис.2):

1 мА,

= - 4 В,

Тогда мы имеем:

=12 мкА =0.12 мА

0,12+1=1,12 мА

При

= -4.6 В (на рис.3):

=0.12 мА ,

- 0,16 В

- 1,12∙10^-3∙0,51∙10³= - 0,57 В

= - 0,16-0,57= - 0,73 В

Рисунок 2 – выходные ВАХ

Рисунок 3 – Входной ВАХ

Предварительные данные для расчета

Максимальное напряжение между коллектором и базой: Uкэ макс=70 В, максимальны ток коллектора: I к макс = 400 мА, напряжение питания: Eп = 40 В, амплитуда тока базы: Imб = 0,5 мА, максимальная мощность на коллекторе: Ркмакс = 400 мВт. Выбор транзистора, При выборе транзистора необходимо руководствоваться следующими условиями: 1) Uкэ макс>Eп; 2) I к макс(1,5-2)Ioк; 3) Ркмакс Рок;

Где Ioк - коллекторный ток в рабочей точке транзистора, Рок - мощность, рассеиваемая на коллекторе в рабочей точке. Так как 70 В >40 В, то условие 1 выполняется. Остальные условия будут проверены ниже.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером имеют большой наклон, что объясняется сильной зависимостью коэффициента передачи тока от напряжения U_КЭ. Кроме того, в схеме с общим эмиттером сильно сказывается эффект умножения носителей заряда в коллекторном переходе. Возникающие в результате умножения электроны, проникая в базу, смещают эмиттерный переход в прямом направлении. Поэтому ток I_Э (следовательно, ток I_К) при постоянном токе базы возрастает с увеличением U_КЭ. Последнее обстоятельство приводит к пробою коллекторного перехода транзистора при более низких напряжениях на коллекторе.

Входные и выходные характеристики

Биполярный транзистор – это трех электродный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, применяющийся усиления и генерации электрических сигналов, имеющий три и более выводов. Биполярные транзисторы строятся на основе p-n-p или n-p-n. Процессы в данных структурах проходят одинаково.

Рисунок 4 – Структура(а) и обозначения БПТ(б)

Основной схемой включения БПТ считают схемой, где общим электродом для входной и выходной цепи является электрод эмиттера.

Для анализа усилительных свойств транзистора применяется семейства входных и выходных характеристик. Для схемы с общим эмиттером.

Входными будут являться зависимости I_б=f(U_б) при U_к=const (рис.5 а), а выходными I_к=f(U_к) при I_б=const (рис.5 б)

Рисунок 5 – Входные (а) и выходные характеристики (б) БПТ

Глава 2. Графоаналитический расчет параметров усилителя

Рассмотрим схему, в которой в выходную цепь транзистора включается сопротивление нагрузки (рис. 6.).

Для выходной цепи можно составить следующее уравнение: Uип = Iк Rк + Uкэ или Iк = (Uип −Uкэ) / Rк.

Рисунок 6 –

Последнее выражение представляет собой прямую линию и называется уравнением нагрузочной прямой. Обычно она строится на выходных характеристиках транзистора в области безопасных режимов его работы. Для определения области безопасных режимов необходимо знать предельно допустимые параметры: Pк max, Uкэ max, Iк max, допустимой мощности I = f(Uк) при Iк1...n

На (рис. 6.1) кривая допустимой мощности ограничена вверху максимальным током Iк max, справа – предельным напряжением Uкэ max. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: по оси ординат откладывается ток Iкн

, по оси абсцисс – напряжение Uип. Точки пересечения откладывается ток Iкн

, по оси абсцисс – напряжение Uип. Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками дают рабочую точку.

Рисунок 6.1

Для неискаженного усиления размах выходного сигнала ограничивается внизу точкой, соответствующей режиму отсечки «В», а вверху – режимом насыщения (точка «С»). Посередине этого линейного участка выбирается рабочая точка «А», соответствующая активному режиму. Амплитуду выходного тока и напряжения можно определить графически:

;

;

Мощность переменного сигнала на выходе:

Uкm Iкm.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе в режиме покоя: PкA= IкAUкA.

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи:

.

Входная статическая характеристика необходима для расчета параметров входной цепи (рис. 6.3).

На входные характеристики переносятся с выходных точки А, В, С, D, F, затем строится входная рабочая характеристика (штрихпунктирная линия) по точкам A′, B′, C′, D′, F′.

Амплитуды полуволн входного тока и напряжения получим из данного графика:

.

Мощность входного переменного сигнала

Рисунок 6.3

2.1 Построение динамической нагрузочной прямой и графический расчет амплитуд сигналов

В этом разделе построим кривые входного и выходного сигнала и найдем амплитуды входных и выходных токов и напряжений. Этим значениям тока на динамической нагрузочной прямой соответствуют точки пересечения прямой и выходных характеристик транзистора, соответствующих входным токам.

Нанесем на выходную характеристику (рис. 7) статическую нагрузочную прямую под углом б и динамическую нагрузочную прямую под углом б. Она получается из-за влияния сопротивления нагрузки RН на работу каскада.

Рисунок 7 - Выходные характеристики с нагрузочными прямыми.

Определить тангенс угла наклона статической нагрузочной прямой к оси напряжений можно по следующей формуле:

Рассчитаем тангенс угла наклона нагрузочной прямой к оси напряжений с учетом сопротивления нагрузки RН. Сопротивление нагрузки RН =1000 (Ом) соединяется по переменному сигналу параллельно с сопротивлением RК и общее сопротивление RК’ вычисляется по следующей формуле:

Рисунок 8 - Фрагмент схемы, поясняющий соединение сопротивлений RК и RН.

Рассчитаем тангенс угла наклона динамической нагрузочной прямой:

На динамической нагрузочной прямой необходимо найти точки, соответствующие максимальному и минимальному токам базы:

ǀбмакс=ǀоб+ǀмб=0,9+0,5=1,4(мА), ǀбмин=ǀоб-ǀмб=0,9-0,5=0,4(мА).

Искомые точки определяются пересечением динамической нагрузочной прямой и выходных характеристик, соответствующих этим токам (рис.7). По входной характеристике транзистора определяем амплитуду напряжения на базе (рис.8). По найденным точкам определяем координаты максимального и минимального значений тока коллектора и напряжения между коллектором и эмиттером.

Из рис.7 находим: ǀКМАКС=18 мА, ǀКМИН=4,5 мА, UКЭМАКС=33 В, UКЭМИН=7 В, из рис 12 находим: UБЭМАКС=0,29 В, UБЭМИН-=0,18 В.

По найденным значениям определяем амплитуды входных и выходных напряжений и выходного тока:

2.2 Расчёт параметров каскада по переменному сигналу

Коэффициент усиления по напряжению Ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Umб, а выходным - переменное напряжение на нагрузке или, что все равно, между коллектором и эмиттером Umk:

Коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значения от десятков до сотен.

Коэффициент усиления по току Ki представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного токов, т.е. переменных составляющих токов коллектора и базы. Определим данный коэффициент по формуле:

Коэффициент KI имеет значения от десятков до сотен.

Коэффициент усиления каскада по мощности Kp получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определятся половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Найдем коэффициент усиления каскада по мощности, используя следующую формулу:

Важными величинами, характеризующими транзистор, является его входное и выходное сопротивления, рассчитываемые по следующим формулам:

Определим КПД усилителя по формуле:

2.3 Определение емкостей конденсаторов на входе и выходе каскада и в цепи эмиттера

Разделительный конденсатор Ср1 служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе Ср1 была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость этого конденсатора на низких частотах равна единицам и даже десяткам микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора Ср1 в низкочастотных схемах обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы.

Используя стандартный ряд, выбираем следующее значение емкости Ср1=100нФ = 0,1мкФ. Таким же образом определим емкость на выходе транзистора Ср2 по формуле:

Используя ряд, выбираем следующее значение емкости Ср2=250 нФ = 0,25 мкФ. Рассчитаем емкость в цепи эмиттера Сэ транзистора, по следующей формуле:

Используя стандартный ряд, выбираем следующее значение емкости Сэ=250 нФ = 0,25 мкФ.

Глава 3 Определение h-параметров и характеристик каскада

В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) параметры, обозначаемые буквой h или H.

Название «смешанные» дано потому, что среди них имеются две относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h - параметры приводятся во всех справочниках. Эти параметры удобно измерять. Это весьма важно, т.к. публикуемые в справочниках параметры являются средними, полученными в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Два из h - параметров определяются при коротком замыкании для переменного напряжения на выходе. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение. Остальные два параметра определяются при холостом ходе для переменного тока на входе, т.е. при разомкнутой для переменного тока входной цепи, когда во входной цепи имеется только постоянный ток, создаваемый источником питания. Эти условия нетрудно осуществить на практике при изменении h - параметров.

В систему h - параметров входят следующие величины:

входное сопротивление h₁₁_;
коэффициент обратной связи по напряжению h₁₂;
коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) h₂₁;
выходная проводимость h₂₂.

Определить параметры можно не только через приращения токов и напряжений, но и через амплитуды переменных составляющих токов и напряжений.

3.1 Определение входного сопротивления

Входное сопротивление представляет собой сопротивление между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения. При этом условии изменение входного тока Дi₁ является результатом изменения только входного напряжения Дu₁, а если бы на выходе было переменное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление рассчитывается по формуле:

где значения ДU_бэ и ДI_б определяются по входным характеристикам транзистора. Параметр h₁₁ - должен характеризовать сам транзистор (независимо от R_н) и поэтому он определяется при U_кэ = const, т.е. при R_н = 0

Рисунок 9 - Определение параметра h_11Э.

3.2 Определение коэффициента обратной связи напряжению

Рисунок 10 - Определение параметра h_12Э.

Коэффициент обратной связи по напряжению:

показывает, какая доля выходного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Условие I_б = const в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока, т.е. эта цепь разомкнута для переменного тока, и, следовательно, изменение напряжения на входе ДU, есть результат изменения только выходного напряжения ДU_кэ.

В транзисторе всегда есть внутренняя обратная связь за счет того, что электроды транзистора имеют электрическое соединение между собой, и за счет сопротивления базы. Эта обратная связь существует на любой низкой частоте, даже при f= 0, т.е. на постоянном токе. Значения приращений напряжений находятся также по входным характеристикам.

3.3 Определение коэффициента усиления по току

Рисунок 11 - Определение параметра h_21Э.

Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) равен:

И показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. Условие U_кэ= const, т.е. R_н = 0, и здесь задается для того, чтобы изменение выходного тока ДI_к зависело только от изменения входного тока ДI_б. Именно при выполнении такого условия параметр h₂₁ будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток, и по изменению этого тока уже нельзя было бы правильно оценить усиление. Значения приращений токов находятся по выходным характеристикам транзистора.

3.4 Определение выходной проводимости

Рисунок 12 - Определение параметра h_22Э.

Параметр h₂₂представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Ток I_к' должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения U_кэ. Если при этом ток I_б не будет постоянным, то его изменения вызовут изменения тока I_к' и значение h_22Э будет определено неправильно.

Заключение

В работе рассчитан усилительный каскад на биполярном транзисторе. Изучены основные принципы его работы, свойства, факторы, влияющие на работу, определены h - параметры транзистора и коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току.

Использованы входные и выходные характеристики для графического расчета, выявлены основные свойства характеристик транзистора.

Каскад с общим эмиттером обладает наибольшим усилением по мощности и поэтому может применяться при необходимости получить максимальное усиление с минимальным числом транзисторов. Это обстоятельство определяет широкое распространение схемы с общим эмиттером. Каскад с общим эмиттером менее стабилен, чем другие схемы по коэффициенту усиления при изменении температуры и требует для стабилизации введения отрицательных обратных связей, снижающих усиление. Область устойчивой работы меньше, чем в схеме с общей базой. Максимальное напряжение на коллекторе ниже

, что накладывает некоторые ограничения на амплитуду переменного напряжения на коллекторе и на напряжения источника питания. При конструировании схем все это необходимо учитывать. Коэффициент усиления по току каскада с общим эмиттером обычно составляет десятки и сотни, входное и выходное сопротивления достаточно велики, все это облегчает построение многокаскадных усилителей с такой схемой.

Определены h-параметры транзистора и рассчитаны основные характеристики усилительного каскада.

Список использованных источников

Ровдо А.А. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах
Дьюб Д.С. Электроника. Схемы и анализ
https://studfiles.net/preview/3073204/page:2/
https://poznayka.org/s28405t1.html
https://studfiles.net/preview/3704722/page:6/
http://www.informaticspoint.ru/forpois-441-1.html
http://www.informaticspoint.ru/forpois-442-1.html
https://studbooks.net/783457/tehnika/opredelenie_para..