Расчет каскада по постоянному току

Курсовая работа

По дисциплине «Общая электротехника и электроника»

По специальности 110302 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

На тему: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

 

 

Выполнил:

Студент заочного отделения

Инженерного факультета

3 курса 4 группы

Кононов Г.Г.

 

Проверил:

Кандидат технических наук,

доцент

Иванов В.И.

Курск 2009

Исходные данные для проектирования

Вариант 13

Тип транзистора n-p-n

 

Параметры транзистора:
Напряжение база-эмиттер	Uбэ.о	= 0,6 B
Дифференциальный коэффициент передачи тока базы (β)	h21э	= 45
Выходная проводимость в схеме с общим эмиттером	h22э	= 0.04 мСм
Другие параметры:
Напряжение источника питания	Uи.п	= 15 В
Сопротивление нагрузки	Rн	= 2 кОм
Емкость нагрузки	Cн	= 545 пФ
Нижняя граничная частота усилителя	fн	= 60 Гц
Коэффициент усиления (на средних частотах)	Ku	= 12

 

Необходимо рассчитать параметры компонентов схемы (сопротивления всех резисторов и емкости конденсаторов), верхнюю граничную частоту f_в, построить диаграммы напряжений и токов в различных цепях схемы (на входе, в цепях базы и коллектора, на нагрузке).

Описание схемы каскада

 

Усилитель построен по схеме с общим эмиттером. На рис. 1 показана схема усилителя на транзисторе типа n-p-n. Статический режим (точка покоя) задается базовым делителем напряжения R₁, R₂и суммарнымсопротивлением резисторовR_ос и R_э в эмиттерной цепи, которые обеспечивают термостабилизацию тока коллектора покоя за счет отрицательной обратной связи (ОС) по постоянному току. Благодаря отрицательной ОС схема рис. 1 имеет высокую стабильность точки покоя и при изменении параметров транзистора (в первую очередь, коэффициента h_21э) статический режим практически остается неизменным. РезисторR_э зашунтирован конденсаторомС_эдостаточно большой емкости для устранения влияния этого резистора на переменном токе. Другой резисторR_осявляется элементом ООС не только по постоянному, но и по переменному току, которая снижает коэффициент усиления до заданного значения, улучшая стабильность параметров усилительного каскада.

 

Рис. 1 - Схема однокаскадного усилителя с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Разделительные конденсаторы С₁ и С₂ осуществляют развязку по постоянному и переменному току в цепях связи входа усилителя с источником сигнала и нагрузки с выходом усилителя. Конденсатор С₁ соединяет цепь базы с источником сигнала по переменному току и в то же время изолирует вход каскада по постоянному току. Конденсатор С₂ выполняет такую же функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Оба конденсатора должны иметь достаточно малое сопротивление на частоте сигнала.

Расчет каскада по постоянному току

 

Напряжение U_э.о – суммарное падение напряжения на двух резисторах R_oc и R_э в цепи эмиттера, в режиме покоя можно принять равным 10% от напряжения источника питания U_и.п. Находим

U_э.о = 0,1· U_и.п (В).

Остальную часть (90%) напряжения питания U_и.п обозначим E_к.

E_к = 0,9· U_и.п (В).

Напряжение E_к распределяется на двух участках: на резисторе R_к и на транзисторе U_кэ. Напряжение U_кэ зависит от тока коллектора I_к:

 

U_кэ= E_к – I_к·R_к, (1)

 

Формула (1) называется уравнением статической линии нагрузки (рис.2). В статическом состоянии (в покое) рабочая точка характеризуется током коллектора покоя I_к.о и напряжением коллектор-эмиттер покоя U_кэ.о. Точка покоя О находится на статической линии нагрузки.

В свою очередь, ток коллектора покоя I_к.о зависит от тока базы согласно уравнению выходных характеристик транзистора:

I_к = h_21э·I_б + h_22э·U_кэ.

 

Следовательно, чтобы установить статический режим в точке О, нужно задать соответствующий ток базы покоя I_б.о, так чтобы в точке О пересеклись линии статической линии нагрузки и выходной характеристики для тока базы I_б = I_б.о.

Резисторный делитель R₁, R₂ в цепи базы обеспечивает ток базы покоя I_б.о, который задает требуемую точку покоя (I_к.о; U_кэ.о) в статическом режиме.

 

Рис. 2 - Графики статической и динамической линий нагрузки

 

Для переменной составляющей тока коллектора (т. е. сигнала) реактивное сопротивление конденсатора С₂ мало и поэтому сопротивления нагрузки и коллектора включены параллельно: R_к.н= R_к||R_н.

Колебания тока коллектора и напряжения на коллекторе связаны динамической линией нагрузки, которая проходит через точку покоя О под большим углом к оси U_кэ, чем статическая:

 

U_кэ= E_к.экв – I_к·R_к.н, (2)

 

где напряжение эквивалентного источника

E_к.экв = . (3)

 

Статическая и динамическая линии нагрузки показаны на рис. 2.

При проектировании принимают сопротивление R_к ≈ 2,5·R_н и выбирают стандартный номинал R_к, руководствуясь рядом Е24 (табл.2).

 

Таблица 1 - Стандартные номинальные значения сопротивлений

1.0	1.1	1.2	1.3	1.5	1.6	1.8	2.0	2.2	2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9	4.3	4.7	5.1	5.6	6.2	6.8	7.5	8.2	9.1

 

Принимаем R_к = 2,5· R_н (кОм) и выбираем стандартный номинал R_к.

Находим эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора

 

R_к.н= R_к||R_н =  (кОм).

 

Положение точки покоя (I_к.о; U_кэ.о) на статической линии нагрузки удобно определять графо-аналитическим методом, располагая графиками выходных характеристик. Для того, чтобы обеспечить симметричные условия для положительной и отрицательной полуволн колебаний выходного напряжения, точку покоя (I_к.о; U_кэ.о) следует выбирать в середине активного участка динамической линии нагрузки. Из практического опыта можно рекомендовать значение U_кэ.о, равное четвертой части E_к. Выбираем

 

U_кэ.о = 0,25 E_к.

 

После этого вычисляем ток коллектора I_к.о в точке покоя

I_к.о  (мА)

 

и из уравнения выходной характеристики ток базы покояI_б.о в точке покоя

 

I_б.о  (мА).

 

Найдем э.д.с. эквивалентного источника

 

E_к.экв =  (В).

 

Рассчитаем сопротивления R₁ и R₂. Базовый делитель R₁,R₂должен обеспечивать требуемый потенциал базы в режиме покоя

 

U_б.о= U_э.о+ U_бэ.о

 

и ток базы покоя

 

I_б.о = I₁ – I₂.

 

Существует неограниченное количество пар значений R₁ и R₂, удовлетворяющих указанным условиям. При больших номиналах этих сопротивлений меньше влияние резисторного делителя на входное сопротивление каскада, но ниже стабильность точки покоя. При малых значениях указанных сопротивлений стабильность каскада улучшается, но возрастает шунтирующее действие резисторов R₁ и R₂ на входную цепь. Для определенности можно выбрать компромиссное условие:

Ток I₂ = 5·I_б.о. Тогда ток I₁ = 6·I_б.о.

Вычисляем токи в базовом делителе:

I₂ = 5·I_б.о (мА).

I₁ = 6·I_б.о (мА).

Теперь, используя значения токов I₁ и I₂, можно рассчитать сопротивления:

 

 (кОм);

 (кОм),

 

после чего округляем полученные значения до ближайших стандартных номиналов.