Расчёт усилительного каскада

На рис. 17 изображена схема усилительного каскада с общим эмиттером со смещением в цепи базы с помощью резистора R_б.

Рис. 17.

Напряжение источника питания Е_П усилительного каскада выбирается в пределах 10 … 30 В.

Для расчета каскада необходимо:

• — выбрать тип транзистора (по величине Е_Ки Р_к.max);
• — построить выходные и входные характеристики транзистора;
• — нанести на выходные характеристики ограничения по максимальной мощности Р_к.max, I_к.max, U_кэ.max

.

По уравнению построить нагрузочную характеристику по двум точкам:

при.

I_K = 0; I_K =I_Kmax.

Линия нагрузки должна проходить ниже допустимых значений ограничений.

По выходным характеристикам и нагрузочной прямой строят переходную характеристику.

.

Выбирают рабочую точку в середине линейного участка переходной характеристики.

Проецируют линейный участок на нагрузочную и входные характеристики, определяют для точки покоя:

I_бп — значение тока базы;

U_бп — напряжение между базой и эмиттером;

R_б — резистор в цепи базы, обеспечивающий режим покоя.

При заданной величине постоянной составляющей I_бп = І_бо тока базы на переходной характеристике указывается ее значение и аналогично определяются остальные величины токов и напряжений.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT усилительного каскада:; .

По величинам Р_к.maxи Е_к выбираем тип транзистора: КТ312А.

Транзистор КТ312А имеет такие максимально допустимые параметры:

напряжение U_кэ.max=20В;

ток І_к.max= 30 мА.

Напряжение источника питания усилительного каскада выбираем в пределах 10…30 В: В.

напряжение U_кб.max=20В;

мощность Р_к.max= 225 мВт.

Выходные характеристики транзистора КТ312А показаны на рис. 18.

Рис. 18.

Ограничения транзистора КТ312А по максимальной мощности Р_к.max, напряжению U_к.max и току І_к.max показаны на рис. 18 красными пунктирными линиями. Данные для расчета ограничительной линии по мощности Р_к.max указаны в табл. 3.

Таблица 3.

На основании данных таблицы 3 по точкам строится ограничительная линия 90 (синяя) по мощности Р_к.max.

Оранжевыми линиями показано ограничение по мощности мВт, заданное в исходных данных.

Данные для расчета ограничительной линии по мощности указаны в табл. 4.

Таблица 4.

Для того, чтобы выполнялось условие.

.

заданное в условии, необходимо, чтобы нагрузочная прямая проходила ниже синей ограничительной линии. Для этого проводим нагрузочную прямую через точку С (см. рис. 18).

Рассчитываем величину сопротивления R_K:

По выходным характеристикам и нагрузочной прямой строим по точкам переходную характеристику.

.

Переходная характеристика показана на рис. 19 в левой верхней части.

Рис. 19.

Выбираем рабочую точку в серединелинейного участка переходной характеристики (точка Е на рис. 19).

«Проецируем» линейный участок переходной характеристики на нагрузочную и входную характеристики.

Определяем для точки покоя значение токабазы.

I_Б.п = 250 мкА.

Определяем для точки покоя напряжение между базой и эмиттером (см. точка Н на рис. 19):

В.

Рассчитываем величину сопротивления резистора в цепи базы:

;

Ом = 57кОм.

Рассчитываем коэффициент усиления по току:

;

где I_б.т. — амплитуда тока базы на линейном участке DF;

I_к.т — амплитуда тока коллектора на линейном участке DF.

Рассчитаем амплитуду выходного напряжения:

;

В.

Рассчитаем выходную мощность:

;

Вт = 2,123 мВт.

Рассчитаем мощность, потребляемую усилителем:

.

где I_КП — постоянная составляющая коллекторного тока.

Вт = 160,1 мВт? 160 мВт.

Рассчитаем КПД каскада:

;

или в процентах:

з= 1,3%.

Рассчитаем мощность, выделяемую на коллекторе от постоянных составляющих тока и напряжения:

;

Вт = 92,8 мВт? 93 мВт.

Рассчитываем коэффициент усиления по напряжению:

;

.

Рассчитываем коэффициент усиления по мощности:

;

Рассчитываем входную мощность:

;

Вт = 0,55 мкВт.

Рассчитываем входное сопротивление:

;

Ом.

Рассчитываем емкость входного разделительного конденсатора:

.

где f_min — минимальное значение диапазона рабочих частот.

f_min = 100 Гц.

Ф = 50,7 мкФ? 51 мкФ.

Выбираем рабочую точку в серединелинейного участка переходной характеристики (точка Е на рис. 19).

«Проецируем» линейный участок переходной характеристики на нагрузочную и входную характеристики.

Определяем для точки покоя значение токабазы.

I_Б.п = 250 мкА.

Определяем для точки покоя напряжение между базой и эмиттером (см. точка Н на рис. 19):

Рассчитываем величину сопротивления резистора в цепи базы:

;

Рассчитываем коэффициент усиления по току:

;

где I_б.т. — амплитуда тока базы на линейном участке DF;

I_к.т — амплитуда тока коллектора на линейном участке DF.

Рассчитаем амплитуду выходного напряжения:

;

Рассчитаем выходную мощность:

;

Рассчитаем мощность, потребляемую усилителем:

.

где I_КП — постоянная составляющая коллекторного тока.

Рассчитаем КПД каскада:

;

или в процентах:

Рассчитаем мощность, выделяемую на коллекторе от постоянных составляющих тока и напряжения:

;

Рассчитываем коэффициент усиления по напряжению:

;

Рассчитываем коэффициент усиления по мощности:

;

Рассчитываем входную мощность:

;

Рассчитываем входное сопротивление:

;

Рассчитываем емкость входного разделительного конденсатора:

.

где f_min — минимальное значение диапазона рабочих частот.

f_min = 100 Гц.