Федеральное агентство связи
ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
Уральский технический институт связи и информатики (филиал)
Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники»
РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Расчет усилительного каскада
- Исходные данные к курсовой работе
- Характеристики используемого транзистора
- Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистора
- Построение нагрузочной прямой по постоянному току
- Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке
- Определение величин эквивалентной схемы транзистора
- Определение граничной и предельных частот биполярного транзистора
- Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному току
- Построение сквозной характеристики
- Определение динамических параметров усилительного каскада
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Схема электрическая принципиальная проектируемого усилительного каскада
Приложение 2. Перечень элементов
Введение
Цель данной курсовой работы состоит в закреплении знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а также в активизации самостоятельной учебной работы, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные схемы биполярных и полевых транзисторов, получать разностороннее представление о конкретных электронных элементах.
В ходе выполнения курсовой работы для заданного типа транзистора определяются паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения и величинами элементов схемы усилительного каскада выбирается положение режима покоя, для которого рассчитываются величины элементов эквивалентных схем транзистора и мало сигнальные параметры транзистора, графоаналитическим методом определяются параметры усилительного каскада.
Расчет усилительного каскада
1. Исходные данные к курсовой работе
1. Тип активного элемента | Биполярный транзистор |
2. Схема включения активного элемента | С общим эмиттером |
3. Используемый активный элемент | КТ208К |
4. Напряжение источника питания, Eп |
30 В |
5. Номинал резистора в цепи, Rк | 2,2 кОм |
6. Номинал резистора в выходной цепи, Rн | 3,0 кОм |
В соответствии с заданными исходными данными выбираем схему включения с общим эмиттером и с эмиттерной стабилизацией.
2. Характеристики используемого транзистора
Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ208К. Транзистор КТ208К – кремниевый эпитаксиально-планарный p-n-p типа, используемый в усилительных схемах.
- Электрические параметры
Наименование | Обозначение | Значения | ||
min | max | |||
1.1. Обратный ток эмиттера (при Uэ= Uэб max), мкА | I эбо | 1 | ||
1.2. Обратный ток коллектора (при UК= Uкб max) , мкА | I кбо | 1 | ||
1.3. Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме малого сигнала | h21б | |||
1.4. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (при UК= 1 Iк=30 мA, f=0,27к Гц )
при Тс=+125 0С при Тс=-60 0С |
h21э | 80
80 40 |
240
480 240 |
|
1.5. Коэффициент шума, дБ (при UК= 3 Iк=0,2 мA, f=1к Гц )
|
Кш | 4 | ||
1.6. Входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ при Iэ=5 мA (при UК= 5, f=0,27к Гц ) | h11э | 130 | 2500 | |
1.7. Емкость коллекторного перехода, пФ
(при UК= 10 f=500к Гц ) 1.8 Емкость эмитерного перехода, пФ (при f=500к Гц ) 1.9 Напряжение насыщения коллектор – эмиттер, В (при Iк=300 мA, Iб=60 мA ) 1.10 Напряжение насыщения база – эмиттер, В (при Iк=300 мA, Iб=60 мA ) 1.11 Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц (при UК= 5 Iк=10, мА ) 1.12. Выходная проводимость в режиме малого сигнала, при х.х в схеме с ОЭ при Iэ=1 мA (при UК= 5, f=0,27к Гц )
|
СК
СЭ
UКЭ нас
UБЭ нас
Fгр
h22э |
5
0,15 |
50
100
0,4
1,5
0,55 |
|
2.) Максимально допустимые параметры. Гарантируются при температуре окружающей среды Тс=-60…+125 0С
2.1. Iк max – постоянный ток коллектора, мА | 0,3 |
2.2. Iк и max – импульсный ток коллектора, мА при tи £100 мкс и Q³10 | 0,5 |
2.3. Uк бmax – постоянное напряжение коллектор-база, В | 0,1 |
2.4. Uкэ max – постоянное напряжение коллектор-эмиттер (при Rб£2 кОм), В | 45 |
2.5. Uэб max – постоянное напряжение эмиттер-база, В | 45 |
2.6. Pк max – постоянная рассеиваемая мощность, мВт | 200 |
2.7.Т п мах – Температура перехода, 0С | 150 |
2.8. Допустимая температура окружающей среды, 0С | -60…+125 |
3. Схема цепи питания и стабилизации режима работы транзистора
Рис. 1
Назначение элементов схемы:
Rэ – задаёт обратную связь;
Rн – сопротивление нагрузки ;
Сс – разделительный конденсатор, задерживает постоянную составляющую входного сигнала (это может привести к искажению начального тока смещения);
В нашей схеме используется отрицательная обратная связь по постоянному току. Величина резистора Rэ, задающего обратную связь, определяется из условия Rэ=[(0,1¸0,3)Еп]/Iэ. Затем выбираем ток делителя Iд протекающий через R2, из условия
Iд =[(3¸10)Iб и определим величины резисторов R1, R2, по следующим соотношениям:
4. Построение нагрузочной прямой по постоянному току
Выходные характеристики используемого транзистора:
∆IБ=0,01 мА
Рис. 2
Уравнение нагрузочной прямой при выборе схемы с включения биполярного транзистора
Нагрузочную прямую строим по двум точкам:
- при Iк=0 и Uкэ=Eп = 30 В
Выбираем из ряда номинальных значений =430 Ом
- при Uкэ=0 и
Рабочая точка (т.О) выбирается посередине участка нагрузочной прямой в точке пересечения ее с выходной характеристикой (рис.2, прямая АВ).
Входные характеристики используемого транзистора:
Рис. 3
Параметры режима покоя: Uкэ0 = 16 В, Iк0= 5,5 мА, Iб0=0,03 мА, Uбэ0= 0,63 В.
Стабилизация тока осуществляется за счет последовательной отрицательной обратной связи, которая вводится с помощью резистора Rэ. Нежелательная обратная связь по переменному току может быть устранена путем шунтирования резистора Rэ конденсатором большой емкости.
Ток делителя Iд, протекающий через R2 выберем из условия Iд=(3÷10)Iб0, возьмем Iд=10Iб0=0,3 мА
Определим величины резисторов R1 и R2:
Разделительный конденсатор Сс принимаем емкостью 100 мкФ.
Исходя из имеющихся стандартных номиналов резисторов, величину Rк =2,2 кОм, R1=82 кОм, R2=10 кОм.
5. Определение малосигнальных параметров транзистора в рабочей точке
1.) Входное сопротивление, измеряемое при коротком замыкании на выходе транзистора, Используя выходные характеристики транзистора (Рис. 4)
Рис. 4
2.) Коэффициент передачи по току, измеряемый при коротком замыкании на выходе транзистора, используем входные характеристики транзистора (Рис.5)
Рис. 5
3.) Выходная проводимость, измеряемая при холостом ходе на входе транзистора, используем входные характеристики транзистора (Рис. 6)
Рис. 6
4.) Коэффициент обратной связи, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора:
Для всех типов биполярных транзисторов и рабочих точек принято
(DIб , DIк ,DUбэ , DUкэ – приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки О).
6. Определение величин эквивалентной схемы транзистора
Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиколетто) представлена на рис. 3.
|
Рис. 7
- Барьерная ёмкость коллекторного перехода;
- Выходное сопротивление транзистора;
- Сопротивление коллекторного перехода;
- Сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока;
- Сопротивление эмиттерного перехода для базового тока;
- Распределение сопротивления базы;
Берем = 100 Ом
- Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода;
7 нФ
- Собственная постоянная времени транзистора;
- Крутизна транзистора;
мА/В
- Определение граничной и предельных частот биполярного транзистора
- Граничная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ:
- Предельная частота в схеме с ОЭ:
- Предельная частота транзистора по крутизне:
4. Максимальная частота генерации:
8. Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному
току
Сопротивление нагрузки по переменному току для биполярного транзистора рассчитывается по формуле:
Для построения нагрузочной прямой по переменному току воспользуемся двумя точками:
1.);
2.) – точка покоя (т.О)
Нагрузочная прямая по переменному току приведена на рисунке 8 (прямая CD).
|
|
∆IБ=0,01 мА
Рис.8
9. Построение сквозной характеристики
Для построения сквозной характеристики воспользуемся нагрузочной прямой по переменному току и выходными характеристиками приведенными на рисунке 8. По точкам пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками строим сквозную характеристику Iк(Uбэ). Точки для построения проходной характеристики (зависимости Iк от Uбэ) представлены в таблице 1, а график зависимости на рисунке 9.
Таблица 1
Iк, мА | 0,2 | 1,6 | 3,6 | 5,5 | 6,6 | 8,5 | 10,2 | 11,8 | 13,3 |
Uбэ, В | 0,5 | 0,59 | 0,61 | 0,63 | 0,64 | 0,65 | 0,66 | 0,67 | 0,68 |
Iб, мА | 0 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
10. Определение динамических параметров усилительного каскада
Динамические параметры усилительного каскада определяются для двух величин амплитуды входного сигнала Uвх: Uвхн и Uвхн/2.
B: Iб=0,01 Uбэ=0,59 Iк=1,5
D: Iб=0.0125 Uбэ=0,612 Iк=3,8
A: Iб=0,03 Uбэ=0,632 Iк=6,9
E: Iб=0,06 Uбэ=0,654 Iк=9,9
C: Iб=0,08 Uбэ=0,675 Iк=13,2
1) Коэффициент усиления по напряжению, Кu (отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе) определим по формуле
,
где значение берем на выходной характеристике вблизи рабочей точки;
- для Uвхн:
,
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн; Ku<0, так как фаза равна π.
1.2.) для Uвхн/2:
,
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн; Ku<0, так как фаза равна π.
2.) Коэффициент усиления по току Кi (отношение установившегося значения тока сигнала в нагрузку к току сигнала на входе) определим по формуле
,
где значение , берем на выходных характеристиках вблизи рабочей точки (точки E и F на графике);
2.1) для Uвхн:
;
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным 2Uвхн;
2.2.) для Uвхн/2:
;
где значение с учетом обеих полуволн входного сигнала берем равным Uвхн;
3.) Коэффициент усиления по мощности определим по формуле
3.1) для Uвхн:
3.2) для Uвхн/2:
Kp<0, так как фаза равна π.
4.) Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник).
Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и др. элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.
Коэффициентом гармоник называется отношение эффективного (действующего), значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению первой его гармоники, вычисляется по формуле.
где – действующие напряжения отдельных гармоник выходного напряжения.
Этот коэффициент можно определить по сквозной характеристике (метод Клина), который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники выходного сигнала по формуле:
,
где – коэффициенты второй и третьей гармоники, определяются графически.
Для этого на сквозной характеристике, рис. 5, отмечают пять точек, соответствующих: точке покоя, наибольшей амплитуде входного сигнала, половине наибольшей амплитуды сигнала (с учетом обеих полуволн). Значения переменных а, в и с определяются графически по рис 5.
a = 13 – 7=6
b=7 – 1,5=5,5
с = 9,9 – 3,8=6,1
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы были изучены характеристики и параметры биполярного транзистора, схема включения транзистора в качестве активного элемента усилителя, схема замещения транзистора и ее параметры. Рассчитаны динамические параметры каскада для двух значений амплитуды входного сигнала. Выяснено, что коэффициенты гармоник и степень нелинейных искажений существенно зависят от амплитуды входного сигнала (при уменьшении амплитуды искажения уменьшаются).
Список литературы
- Елфимов В.И., Устыленко Н.С. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Методические указания к выполнению курсовой работы. Екатеринбург: УрКСИ, 1998.
- Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. Б. Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1982.
- Цыкина А.В. Электронные усилители. Учеб. пособие для техникумов связи, 2-е изд., доп. и перераб. М.: Радио и связь, 1982.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter