Оглавление

ПВГУС.230100.012.ПЗ. 23

Задание 1

Рассчитать резисторный каскад предварительного усилителя на биполярном транзисторе, работающем на входную цепь следующего каскада (рис.1). Транзисторы в обоих каскадах – однотипные, включены по схеме с общим эмиттером и должны иметь эмиттерную стабилизацию точек покоя. Питание цепей смещения и коллекторных цепей осуществляется от общего источника.

Рис.1. Принципиальная электрическая схема двухкаскадного предварительного усилителя на биполярных транзисторах.

Коэффициент усиления по напряжению следующего каскада . Коэффициенты частотных искажений на крайних частотах диапазона от элементов схемы: разделительного конденсатора ; блокирующего конденсатора . Диапазон изменения температуры окружающей среды , .

Остальные технические условия, необходимые для расчета, приведены в табл.1.

Таблица 1 – Исходные данные к задаче 1

№ варианта	, Гц.	, кГц.	, не менее	, В.	, кОм.	, мА.	, мА.
12	125	15	12	15	7,4	0,25	6

Исходными данными являются: полоса усиливаемых частот , требуемый коэффициент усиления по току ; напряжение источника питания ; сопротивление источника сигнала ; амплитуда входного тока следующего транзистора ; ток покоя коллектора следующего транзистора .

1. Составили принципиальную схему каскада с указанием источника входного сигнала, нагрузки и источника питания. В качестве нагрузки используется однотипный с рассчитываемым каскад усиления.

2. Выбрали тип транзистора и режим работы по постоянному току.

2.1. Для выбора типа транзистора определили:

• допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора из условия, что ; (В);

допустимый ток коллектора	;
требуемое усиление по току	;
предельную частоту усиления	.

По найденным значениям произвели выбор среди маломощных транзисторов, предпочтительно кремниевых. Параметры выбранного транзистора приведены в табл.2.

Таблица 2 – Справочные данные маломощного транзистора

Транзистор

Uкэ max ,

Iк max ,

h21э min

h21э max

fh21э,

Cк ,

r'б ,

Rпс ,

Iкбо ,

Rвых

Цена

В

мА

при Iк, мА

при Iк, мА

кГц

пФ

Ом

К/Вт

мкА

кОм

руб

2N4401

40

600

100

10

300

10

800

7

10

200

0,1

50

3

Выписали параметры транзистора 2N4401: , , (кГц), (пФ),, .

2.2. Значение переменного тока коллектора транзистора рассчитываемого каскада можно найти с разной степенью точности.

2.2.1. Значение можно найти, просуммировав токи сигнала, текущие через сопротивления , , . При этом сначала вычислили ориентировочное значение сопротивления в цепи коллектора транзистора , положив падение напряжения на нем равным; положив, что:

(кОм).

Значение тока нашли следующим образом:

.

При этом значение амплитуды напряжения следующего каскада равно:

Входное сопротивление транзистора следующего каскада определяется по следующей методике:

где – объемное сопротивление базы, определяемое из справочников;

– типовое значение коэффициента передачи транзистора по току.

Сопротивление эмиттера следующего транзистора определяется по формуле:

при этом для простоты расчётов можно полагать, что .

Сопротивление делителя в базовой цепи следующего транзистора зависит от входного сопротивления транзистора:

В заключение определили минимальный ток покоя коллектора транзистора, который составит:

.

При нахождении его значение выбирают не меньше некоторого тока , при котором обеспечивается соответствие параметров транзистора с указанными в справочнике. Отметим также, что значения токов покоя в каскадах предварительного усиления рекомендуется брать не менее для входных каскадов и для последующих.

.

При выборе тока покоя, например, меньше указанных величин, значительно усложняется обеспечение температурной стабильности каскада, сильно возрастают номиналы резисторов и т.п.

При работе транзистора в режиме усиления малых сигналов типовым значением точки покоя считают , .

2.3. Нашли напряжение в точке покоя:

Следует помнить, что в выходной цепи транзистора должно выполняться для падения напряжений по постоянному току следующее равенство:

Если же указанное равенство не выполняется, требуется скорректировать расчет путем изменения в допустимых пределах долей падения напряжения источника питания Е_к на резисторе нагрузки по постоянному току R_к, на выходных электродах транзистора U_кэо и на резисторе эмиттерной стабилизации R_э. Широко применимо следующее соотношение:

2.4. На семействе статических выходных характеристик выбранного транзистора (рис.2.) определяют положение точки покоя и ток базы в этой точке .

Рис.2. Характеристики транзистора 2N4401

Аналитически значение можно определить из выражения .

2.5. Перенося точку покоя на входную характеристику транзистора, снятую при , нашли напряжение в этой точке.

3. Определили элементы принципиальной схемы.

3.1. Поскольку задана эмиттерная стабилизация точки покоя, приняли падение напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера в пределах:

По заданному значению падения напряжения определили сопротивление резистора:

где .

Определили мощность, рассеиваемую на резисторе :

3.2. Задали ток делителя, принимая :

3.3. Рассчитали сопротивление резистора в базовом делителе:

Выбрали соответствующий стандартный резистор, тогда .

3.4. Рассчитали сопротивление резистора :

Выбрали соответствующий стандартный резистор, тогда .

Определили мощность рассевания резисторов:

3.5. Нашли общее сопротивление базового делителя:

Выбрали соответствующий стандартный резистор, тогда .

3.6. Определили сопротивление резистора в коллекторной цепи:

а также мощность, рассеиваемую на резисторе:

3.7. Рассчитали полное изменение коллекторного тока под действием дестабилизирующих факторов при тепловом сопротивлении перехода коллектор-среда .

Температура коллекторного перехода транзистора определили как:

˚С; ˚С,

˚С; ˚С,

где , – максимальная и минимальная температуры коллекторного перехода транзистора.

Расчётные величины при этом равны:

Изменение коллекторного тока вследствие изменения параметра :

Изменение обратного (теплового) тока коллектора транзистора:

где I_кбо=0,1 (мкА).

Эквивалентное изменение напряжения смещения:

Остальные величины рассчитывают следующим образом:

,

где – обратный ток коллектора транзистора (справочная величина).

Сопротивление эмиттерного перехода рассчитываемого каскада при токе покоя I_оэ:

Полученное в ходе расчёта значение сравнили с допустимым для каскада приращением :

Условие выполняется, следовательно, транзистор выбран удачно.

3.8. Определили емкости разделительного и блокировочного конденсаторов.

Выходное сопротивление каскада, включенного по схеме равно:

Входное сопротивление каскада равно:

.

Рассчитали ёмкость разделительного конденсатора:

С_р = 0,54(мкФ) – стандартная емкость конденсатора.

Эквивалентное сопротивление источника сигнала :

Сквозная крутизна характеристики эмиттерного тока транзистора:

Ёмкость блокирующего конденсатора равна:

С_э = 0,071 (мФ) – стандартная емкость конденсатора.

4. Определили результирующие показатели каскада.

4.1. Определяют коэффициент усиления по току:

где – сопротивление коллекторной цепи транзистора переменному току равно:

.

4.2. Коэффициент усиления каскада по напряжению:

.

4.3. Коэффициент усиления каскада по мощности:

.

5. Нашли реальные частотные искажения в каскаде и построили амплитудно-частотную характеристику.

5.1. Определили коэффициенты частотных искажений каскада на низшей рабочей частоте для разделительного и блокирующего конденсаторов:

;

Результирующие частотные искажения каскада на низшей частоте:

5.2. Динамическое сопротивление эмиттерного перехода:

Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора сигнала:

Эквивалентное сопротивление для области верхних частот:

Коэффициент усиления по напряжению следующего каскада:

Частотные искажения на высшей рабочей частоте равны

,

где – эквивалентная ёмкость эмиттерного перехода транзистора следующего каскада,

которую можно определить по формуле:

;

– граничная частота тока базы:

;

– ёмкость коллекторного перехода транзистора.

5.3. Вычислили значения относительного усиления Y каскада

На схеме замещения показаны источник сигнала, все внешние элементы схемы каскада, внутренние элементы схемы замещения транзистора, нагрузка (следующий каскад).

Основные элементы схемы замещения транзистора следующие:

– объемное сопротивление базы. Величину объемного сопротивления базы можно найти из известных постоянной времени цепи коллектора и емкости коллекторного перехода следующим образом:

;

- динамическое сопротивление эмиттерного перехода базовому току;

- динамическая ёмкость эмиттерного перехода;

- крутизна тока коллектора по напряжению на эмиттерном переходе;

- ёмкость эмиттерного перехода;

J = - генератор тока (или генератор напряжения);

- внутреннее сопротивление транзистора; является справочной величиной. В ряде случаев в справочной литературе приводится значение выходной проводимости транзистора h22Э - величины, обратной выходному сопротивлению:

.