Аналитический расчет усилителя напряжения низкой частоты на биполярных транзисторах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

«ТЕХНИКУМ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Пояснительная записка к курсовому проекту Тема проекта: Аналитический расчет усилителя напряжения низкой частоты на биполярных транзисторах Учащийся Р. Р. Гильфанова Преподаватель В. А. Кунгуров Ижевск, 2014

Введение

каскад транзистор мощность усилитель Несмотря на все более расширяющееся использование машинных методов схемотехнического проектирования современной электронной аппаратуры, в повседневной практике разработчикам электронных схем приходится вначале решать задачи приближенного расчета типовых узлов и устройств, а затем уточнять результаты расчета на ПК или экспериментальным путем.

В данном курсовом проекте расчет усилителя низкой частоты также в начале будет производится без применения программного обеспечения, а затем схема моделируется на ПК с целью проверки принятых решений и уточнения полученных результатов Таким образом целью данного курсового проектирования является приобретение практических навыков конструирования электронных схем и опыта моделирования электронных схем на ПК на примере разработки схемы усилителя низкой частоты с заданными в техническом задании параметрами.

1. Схема усилителя и назначения всех элементов схемы Данное включение транзистора (рис.1) создает большое усиление по току и напряжению. Такое включение наиболее распространено, так как позволяет получить наибольшее усиление по мощности.

На рисунке 1 приведена схема усилителя каскада с общим эмиттером.

Рис.1

На вход усилителя подается малое синусоидальное напряжение (рис.2).

Рис.2- Входное напряжение

R1, R2-резистивный делитель, смещает входной сигнал в рабочую область транзистора (рис.3).

Рис. 3 Напряжение на базе

VT1 — является переменным резистором управляющим электрическим сигналом. Rэ — обеспечивает ООС, и как следствие, температурную стабилизацию. Сэ — шунтирует Rэ по переменному току (рис 4).

Рис.4- Напряжение на эмиттере

Uк формируется в противофазе относительно входного напряжения. Rк — ограничивает ток коллектора, совместно с VT1 образует регулируемый делитель напряжения который формирует напряжение на коллекторе (рис 5).

Рис.5- Напряжение на коллекторе Сб и Ск — нужны для разделения каскадов друг от друга по постоянному току. За счет конденсатора Ск возвращаем сигнал из отрицательной части в двухполярное (рис 6).

Рис.6- Выходное напряжение

1.1 Описание работы каскада Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ^) ширина p? n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ^), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр v), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых v).

2. При уменьшении входного напряжения (UВХ v) ширина p? n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ v), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ^), следовательно, увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ^).

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного, на 1800.

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

а) активный режим — на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход — обратное;

б) режим отсечки — на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);

в) режим насыщения — на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);

г) инверсный активный режим — напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном — прямое.

В нашем случае транзистор работает в активном режиме (рис.1). Для того что бы вывести транзистор в активный режим, нужно на вольтамперной характеристике выбрать рабочую точку. Она выбирается на середине линейного участка входной ВАХ (рис.7).

Рис.7-входная ВАХ Далее выбирается рабочая точка на выходной ВАХ. Она выбирается на середине нагрузочной линии (рис.8).

Рис.8-выходная ВАХ

2. Расчетная часть и сводная таблица каскада Исходные данные: h11э=950 Ом; h12э=7,5•10−3; h21э=45; h22э=50•10−6 Ом-1; Rк=3,6кОм; Uэ=2,8 В; fн=25 Гц; Pк max=0,15 Вт; Iко = 1 мА; Uкэ = 5 В; Uбэ = 0,2 В.

Определяют падение напряжения Uко на коллекторном резисторе в состоянии покоя:

Uко = IкоRк, (1)

где Iко — ток коллектора; Rк — сопротивление на коллектора.

Uко = 0,001*3600 = 3,6 В.

Рассчитывают ток базы Iбо транзистора в состоянии покоя:

Iбо = Iко / h21э, (2)

где h21э — коэффициент усиления по току.

Iбо = 0,001/45 = 2,2*10−4 А.

Ток делителя Iд, протекающий по резисторам R1, R2, берут в 5 раз больше тока базы:

Iд = 5 · Iбо, (3)

Iд = 5*0,22 = 1,1*10−3 А.

Рассчитывают напряжение питания Ек схемы как сумму трех напряжений:

Ек = Uкэ + Uко + Uэ, (4)

Где Uкэ — напряжение между коллектором и эмиттером; Uэ — напряжение на эмиттере.

Ек = 5+3,6+2,8 = 11,4 В.

Определяют падение напряжения U2 на резисторе R2 делителя как сумму двух напряжений:

U2 = Uэ + Uбэ, (5)

где Uбэ — напряжение между базой и эмиттером.

U2 = 2,8+0,2 = 3 В.

Определяют падение напряжения U1 на резисторе R1 как разность напряжений питания Eк и падения напряжения на резисторе R2:

U1 = EK — U2, (6)

U1 = 11,4 — 3 = 8,4 В.

Рассчитывают сопротивление резистора R2 по закону Ома:

R2 = U2 / I2 = U2 / Iд, (7)

R2 = 3 / 0,0011 = 2727,2 Ом.

по расчетным данным я выбрал номинальный резистор R2 выпускаемый промышленностью С2−33−0,125−2,7 КОм±5%

При расчете сопротивления резистора R1 нужно учитывать, что через него протекает сумма токов:

R1 =U1 / (Iд + IБо). (8)

R1 = 8,4 / (0,0011 + 0,22) = 6363,6 Ом.

по расчетным данным я выбрал номинальный резистор R1 выпускаемый промышленностью С2−23−0,125−6,2 КОм±5%

Находят входное сопротивление усилителя Rвх как эквивалентное сопротивление Rэкв трех включенных параллельно резисторов R1, R2 и h11э Сопротивление нагрузки усилителя берут такого же значения:

Rэкв = R1 Ч R2 /(R1 + R2), (9)

Rэкв = 6,2*2,7/(6,2+2,7) = 1,9 КОм.

Rвх = Rэкв Ч h11э /(Rэкв + h11э) ,(10)

где h11э — входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на его выходе

Rвх = 1900*950/(1900+950) = 633,3 Ом.

Сопротивление нагрузки Rн усилителя берут такого же значения:

Rн = Rвх (11)

Рассчитывают сопротивление резистора RЭ по закону Ома:

Rэ = UЭ / (IКо + Iбо), (12)

Rэ =2,8/(0,001+0,22) = 2295 Ом.

По расчетным данным я выбрал номинальный резистор Rэ выпускаемый промышленностью С2−33−0,125−2,2 КОм±5%

Оценивают емкость шунтирующего конденсатора CЭ в эмиттерной цепи по приближенной формуле:

Сэ = 1 / (2рfHrэ), (13)

где rЭ = 2h12э / h22э; fH — нижняя частота.

Сэ = 1 / (2*3,14*25(2*7,5•10−3/50•10−6)) = 21 мкФ.

по расчетным данным я выбрал номинальный конденсатор Сэ выпускаемый промышленностью К50−35−22 мкФ-15 В Оценивают емкость разделительного конденсатора Cб на входе схем по приближенной формуле:

Cб = 1 / fн Rвх. (14)

Cб =1/25*633,3 = 63 мкФ.

по расчетным данным я выбрал номинальный конденсатор Сб выпускаемый промышленностью К53−1-68 мкФ-15 В Емкость разделительного конденсатора на выходе схемы рассчитывают по аналогичной формуле, но вместо Rвх берут Rн:

Ск = 1 / fH RH, (15)

Ск = 1/25*633,3 = 63 мкФ.

По расчетным данным я выбрал номинальный конденсатор Ск выпускаемый промышленностью К53−1-68 мкФ-15 В Определяют коэффициент усиления по напряжению в области средних частот:

(16)

Ku=(45/950)*633,3 = 30.

Коэффициент усиления по мощности:

. (17)

Kp=(2025/950)*633,3 = 1350.

Коэффициент усиления по току:

Ki =Кр / Кu (18)

Ki =1350/30 = 45.

Рассеиваемая на коллекторе мощность:

Pк = Uкэ Iко. (18)

Pк = 5*0,001 = 0,005 Вт.

Таблица 1 Расчетные данные

3. Практическая часть На входной и выходной ВАХ транзистора по расчетным данным построены динамические характеристики каскада.

Рис.9-входная ВАХ с расчетными данными Рис.10-выходная ВАХ с расчетными данными

3.1 Копия экрана в программе Circuit

Рис.11-копия экрана программы Circuit

4. Обоснование выбора элементов схемы каскада

Для выбора резисторов нужно выбирать по типу, допуску номинала, мощности.

Тип С2−23 — постоянные непроволочные общего применения неизолированные резисторы (аналог ОМЛТ) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

С2−33 — резисторы постоянные непроволочные общего применения всеклиматического неизолированного варианта исполнения, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсном режиме.

Высчитывается мощность для каждого резистора:

РR1=U21/R1= (8,4)2/6200=0,0113 Вт РR2=U22/R2=32/2700=0,0033 Вт РRЭ=U2Э/RЭ=(2,8)2/2200=0,356 Вт РRК=U2К/RК=(3,6)2/3600=0,0036 Вт.

Поскольку мощность резисторов мала, я выбрал для всех резисторов одинаковую мощность 0,125 Вт с запасом.

R1-С2−23−0,125−6,2 КОм±5%

R2-С2−33−0,125−2,7 КОм±5%

RЭ-С2−33−0,125−2,2 КОм±5%

RКС2−33−0,125−3,6 КОм±5%.

Для выбора конденсаторов нужно выбирать по типу, допуску номинала, напряжению.

Конденсатор электролитический алюминиевый К50−35 из серии CD110 — предназначен для использования в бытовой технике.

Конденсатор К53−1 — электролитический оксидно-полупроводниковый танталовый герметизированный полярный. Применяется в цепях постоянного и пульсирующего токов.

Все конденсаторы рассчитаны на определённое напряжение. Я выбрал конденсаторы больше напряжения питания.

Сэ-К50−35−22 мкФ-15 В Сб-К53−1-68 мкФ-15 В Ск-К53−1-68 мкФ-15 В.

Заключение

В данной работе был произведён расчёт параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером при максимальном использовании параметров транзистора и проведена проверка этих параметров с помощью компьютерного моделирования усилительного каскада в программе Circuit. В ходе моделирования была произведена проверка режима по постоянному току. Таким образом, удалось как можно более подробно изучить не только теоретически, но и увидеть экспериментально работу усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме с ОЭ.

Список использованной литературы Бочаров Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах. — М.: Энергия, 1978. — 348 с.

Берёзкина Т. Ф. и др. Задачник по общей электротехнике с основами электроники / Берёзкина Т. Ф., Гусев Н. Г., Масленников В. В. — М.: ВШ, 2001. — 380 с.

Данилов И. А., Иванов Л. М. Общая электротехника с основами электроники. — М.: ВШ, 2001. — 752 с.

Исаков Ю. А. и др. Основы промышленной электроники / Исаков Ю. А., Платонов А. П., Руденко В. С. — Киев: Техника, 1976. — 541 с.

Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника. — Ростов-н/Д.: Феникс, 2004. — 576 с.

Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. — СПб.: Корона-принт, 2001. — 400 с.

Ярочкина Г. В., Володарская А. А. Рабочая тетрадь. — М.: ИРПО; Изд. центр «Академия», 2000. — 96 с.