Курсовой / Курсовой_целиком

ЛИНЕЙНЫЙ ОДНОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

1. Задание на проектирование и исходные данные

Рассчитать элементы схемы однокаскадного усилителя, удовлетворяющего указанным техническим требованиям:

−рекомендуемый тип транзистора МДП-N-25;

−коэффициент усиления напряжения при заданном сопротивлении нагрузки RН = 18 кОм и внутреннем сопротивлении источника сигнала RГ = 4,0 кОм не менее 10;

−выходное напряжение UВЫХ не менее 4,0 В.

Усилитель при заданной емкости нагрузки CН = 200 пФ должен обеспечить нижнюю границу полосы пропускания от fН = 75 Гц.

Исходные данные для разработки усилительного каскада на полевом транзисторе представлены в таблице 1.

Таблица 1

Введем обозначения: E – источник питания; еГ – источник сигнала;

rCИ – выходное сопротивление транзистора; R1= R1, R2= R2 –резисторы делителя напряжения;

R12 – сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2; R3 = RC – резистор в цепи стока;

R4 = RИ – резистор в цепи истока;

C1 = Cp1 – разделительный конденсатор;

C2 = Cp2 – разделительный конденсатор; C3 = CИ – конденсатор в цепи истока; VT1 – транзистор МДП-N-25;

RГ – сопротивление источника сигнала; RН – сопротивление нагрузки;

CН – конденсатор в цепи нагрузки.

2

2.Обоснование и расчет элементов усилительного каскада

2.1.Обоснование принципиальной схемы усилительного каскада

Дан n-канальный транзистор МДП-N-25, для которого пороговое напряжение VTO=3 > 0, следовательно, это транзистор с индуцированным каналом.

Электрическая схема усилителя с индуцированным каналом представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 – Электрическая схема усилителя с индуцированным каналом

Основными элементами усилительного каскада на полевом транзисторе с индуцированным n-каналом с общим истоком являются источник питания Е, транзистор МДП-N-25 и резистор RC. С помощью резистора Rc осуществляется усиление. Резисторы R1, R2, RИ предназначены для задания напряжения затвор-исток в режиме покоя. Резистор RИ создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора. Конденсатор CИ предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Конденсаторы Cp1 и Cp2 являются разделительными по постоянному сигналу и обеспечивают независимость начального режима усилителя от источника сигнала и нагрузки; по переменному току они обеспечивают связь входа усилительного каскада с источником входного сигнала и выхода усилительного каскада с нагрузкой.

3

Принципиальная электрическая схема усилителя с индуцированным каналом представлена на рисунке 2.1.2.

Рисунок 2.1.2 - Принципиальная электрическая схема усилителя с индуцированным каналом

2.2. Характеристики транзистора и обоснование выбора рабочей точки

На рисунке 2.2.1 представлена схема для снятия стоко-затворной и выходных характеристик транзистора.

Рисунок 2.2.1 - Схема для снятия характеристик транзистора МДП-N-25

4

С помощью программы Design Lab 8.0 для схемы на рисунке 2.2.1 снимаем стокозатворную характеристику транзистора при напряжении между стоком и истоком UСИ = 15 В, с интервалом изменения напряжения между затвором и истоком UЗИ от 0 до 5 В с шагом 0,1 В. Результаты представлены на рисунке 2.2.2.

Рисунок 2.2.2 - Стоко-затворная характеристика транзистора МДП-N-25

Из графика стоко-затворной характеристики рисунка 2.2.2 определяем значение порогового напряжения транзистора:

U0 = 3,000 В,

Для расчета удельной крутизны транзистора с помощью программы Design Lab 8.0 на графике, изображенном на рисунке 2.2.2, для произвольной точки, расположенной на наклонном участке кривой, определяем значения тока стока Ic и напряжения между затвором и истоком UЗИ:

−Ic = 2,190 мА,

−UЗИ = 4,218 В.

Рассчитаем значение удельной крутизны для снятых значений тока и напряжения [1]:

5

Определенное значение порогового напряжения U0 и рассчитанное значение удельной крутизны транзистора b представим в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1

Определенное значение порогового напряжения соответствует заданному для модели: U0= VTO =3,0 В (таблица 1).

Рассчитанное значение удельной крутизны превышает заданное для модели: b > KP=2,75 мА/В2 (таблица 1).

Определение значения координат рабочей точки и напряжения питания усилителя

Принимаем, что значение сопротивления в цепи стока RC меньше, чем заданное значение сопротивления нагрузки RН =18 кОм. Рассчитаем значение сопротивления RC с учетом понижающего коэффициента 0,2:

RC = 0,2 × RН = 0,2 × 18 × 103 = 3,600 кОм

Полученное значение удовлетворяет условию, что значение сопротивления RC должно находиться в интервале 103÷104 Ом [2].

Обозначим RHЭКВ сопротивление параллельно соединенных резисторов RC и RН. Рассчитаем значение сопротивления RHЭКВ:

Таблица 2.2.2

6

Рассчитаем значение тока стока IСm для минимального заданного выходного напряжения UНm = 4 В по закону Ома:

Принимаем, что значение тока стока рабочей точки в 1,64 раза больше, чем значение рассчитанного тока стока IСm. Рассчитаем значение тока стока в рабочей точке:

Сравним полученное значение тока стока в рабочей точке с заданным предельно допустимым значением тока IСдоп = 70 мА (таблица 1):

IС0 < IСдоп

Предельно допустимое значение тока не превышено.

Принимаем минимальное значение напряжения сток-исток UСИmin равным 1 В, так как транзистор маломощный: предельно допустимая заданная мощность РСмак = 0,2 Вт (таблица 1) < 0,3 Вт [3]. Рассчитаем напряжение между стоком и истоком в рабочей точке с учетом коэффициента запаса 1,4:

UСИ0 = 1,4UНm + |UСИmin| = 1,4 × 4 + 1 = 6,6 В.

Значение напряжения питания усилителя можно рассчитать по второму закону Кирхгофа:

UП = UСИ0 + IС0 × (Rc + Rи)

Учитывая, что сопротивление истока намного меньше сопротивления стока: RИ<<RC, рассчитаем напряжение питания:

UП ≥ UСИ0 + IС0 × Rc = 6,6 + 2,190×10-3×3,6×103 = 14,48 В

Округляя полученное значение напряжения питания до ближайшего большего значения номинального ряда, принимаем напряжение питания:

UП = 15,00 В.

7

Пересчитаем значение рабочего напряжения сток-исток с учетом принятого значения напряжения питания:

UСИ0 = UП - IС0 × Rc = 15 - 2,190×10-3×3,6×103 = 7,116 В

Сравним полученное значение напряжения UСИ0 с суммой минимальных значений заданного выходного напряжения (UHm = 4 В) и напряжения затвор-исток (UЗИmin = U0 = 3 В (таблица 2.2.1)):

7,116 В > UHm + |UЗИmin| = 4 + 3 = 7 В,

Значение рабочего напряжения сток-исток превышает сумму минимальных значений заданного выходного напряжения и напряжения затвор-исток.

С помощью программы Design Lab 8.0 для схемы на рисунке 2.2.1 снимаем выходные характеристики транзистора для заданных параметров модели при интервале изменения напряжения между стоком и истоком UСИ от 0 до 15 В с шагом 0,1 В, с интервалом изменения напряжения между затвором и истоком UЗИ от 3 до 5 В с шагом 0,2 В. Результаты представлены на рисунке 2.2.3.

Рисунок 2.2.3 - Выходные характеристики транзистора МДП-N-25

8

В режиме холостого хода ток стока IС=0, следовательно, UСИ = UП =15 В.

Отметим на графике выходных характеристик транзистора рабочую точку А (UСИ0=7,116 В; IС0=2,190 мА) и точку напряжения питания усилителя UП=15 В при нулевом токе стока. Проведем через эти точки нагрузочную прямую. Результаты представим на рисунке 2.2.4.

Рисунок 2.2.4 - Выходные характеристики транзистора МДП-N-25 и нагрузочная кривая

На пересечении нагрузочной прямой с осью тока стока IC получим максимальное значение тока стока:

ICmax = 4,167 мА

Сравним полученное значение максимального тока стока с заданным предельно допустимым значением тока стока ICдоп = 70 мА (таблица 1):

ICmax < ICдоп

Предельно допустимое значение тока не превышено.

Сравним полученное значение напряжения питания UП = 15 В с заданным предельно допустимым значением напряжения между стоком и истоком UСИдоп = 45 В (таблица 1):

UП < UСИдоп.

Предельно допустимое значение напряжения между стоком и истоком не превышено.

9

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на транзисторе:

Р = IС0 × UСИ0 = 2,190 × 10-3 × 7,116 =15,58 мВт

Сравним полученное значение мощности с заданным предельно допустимым значением мощности РСмакс = 200 мВт (таблица 1):

Р < РСмакс

Предельно допустимое значение мощности не превышено.

Определим рабочее напряжение затвор-исток из выходных характеристик транзистора

(рисунок 2.2.4): UЗИ0 = 4,218 В

Определенные значения координат рабочей точки и напряжения питания представим в таблице 2.2.3.

Таблица 2.2.3

Расчет малосигнальной крутизны и выходного сопротивления транзистора

На построенной выходной характеристике транзистора (рисунок 2.2.4), ближайшей к рабочей кривой, при постоянном значении напряжения UЗИ = 4,2 В поставим точки D и E с двух сторон от рабочей точки А.

Спомощью программы Design Lab 8.0 определим в точках D и E ток стока: Iс(D) = 2,022 мА,

Iс(E) = 2,079 мА.

Спомощью программы Design Lab 8.0 определим в точках D и E напряжение между стоком и истоком:

Uси(D) = 4,238 В, Uси(E) = 10,00 В.

Рассчитаем выходное сопротивление транзистора [1]:

10