Расчет каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

Расчет каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Курский государственный университет"

Кафедра нанотехнологий

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу "Схемотехника"

Расчет каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе

Курск 2012

1. Рассчитать параметры элементов принципиальной схемы однотактного усилительного каскада (УК) предварительного усиления на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером и стабилизацией тока покоя с помощью последовательной ООС (ООС по току), режим работы каскада по постоянному току, входное и выходное сопротивления, коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, коэффициент полезного действия.

2. Провести моделирование рассчитанного усилительного каскада. Сравнить результаты моделирования с результатами расчета.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

.        Принципиальная схема усилительного каскада представлена на рисунке 1.

транзистор эмиттер биполярный ток

2.   Параметры входного и выходного сигналов, нагрузки и допустимого уровня частотных искажений М представлены соответственно в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Таблица 2

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

1.   Расчет положения рабочей точки транзистора

Задаться:

-  сопротивлением в цепи коллектора

-  падением напряжения на R_э + R_oc (на R_э если R_oc отсутствует в схеме)

.(2)

Определить:

-    эквивалентное сопротивление нагрузки УК по переменному току

,(3)

где - выходное сопротивление каскада;

- 
требуемое значение напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке (с учетом температурной нестабильности - плюс 10%) (рисунок 2)

,(4)

Где  - амплитуда выходного напряжения; - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, U=(1...2) В;

-  требуемое значение тока коллектора в рабочей точке (с учетом температурной нестабильности - плюс 10%) (рисунок 2)

;(5)

-  среднюю мощность, рассеиваемую на коллекторе

, (6)

которая не должна превышать предельного значения Р_кmax взятого из справочных данных на транзистор;

Рисунок 2

требуемое значение напряжения источника питания Е

,(7)

гдеU=IR- падение напряжения на R.

При этом напряжение источника питания E не должно превышать U используемого транзистора и должно соответствовать рекомендованному ряду:

Е=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36) B.

Если в результате расчета Е не будет соответствовать значению из рекомендованного ряда, то путем вариации  в формуле следует подогнать значение Е под ближайшее из рекомендованного ряда;

-  напряжение на базе в рабочей точке

,(8)

где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, =(0,6…0,9)В (для кремниевых транзисторов);

-  напряжение на коллекторе в рабочей точке

.(9)

2.  
Выбор транзистора и расчет тока базы и эмиттера в рабочей точке

Выбрать транзистор (из приведенных в таблице 3 или в [6]. [7]) с учетом следующих предельных параметров:

-  предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер

;(10)

-  предельно допустимое напряжение коллектор-база

;(11)

-  предельно допустимый ток коллектора

;(12)

-  предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе

;(13)

-  граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

.(14)

Определить:

-  ток базы в рабочей точке

;(15)

- ток эмиттера в рабочей точке

.(16)

Таблица 3

Примечание: Емкость коллекторного перехода С_к приведена для случая когда напряжение коллектор-база U_{кб ном} равно 10 В.

3. Расчет эквивалентных параметров транзистора

При использовании транзисторов до (0,2…0,3) возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов которых легко определяются на основе справочных данных. Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Определить на основе справочных данных транзистора:

-  распределенное сопротивление базы

,(17)

где - постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;  - емкость коллекторного перехода при (паспортные данные);

-  сопротивление эмиттерного перехода

,(18)

Где ;

-  сопротивление коллекторного перехода

,(19)

-       емкость коллекторного перехода при

 ;(20)

-  входную проводимость [См]

;(21)

-  крутизну передаточной характеристики [А/В]

.(22)

3.   Расчет параметров каскада

Задаться током базового делителя, образованного резисторами R и R:

 .(23)

Определить:

-  сопротивления резисторов базового делителя:

;(24)

;(25)

Номиналы сопротивлений резисторов должны соответствовать ряду Е48;

-  требуемый коэффициент усиления каскада по напряжению в области средних частот

[дБ](26)

-  глубину ООС последовательной связи по току

(27)

-  сопротивление резисторов обратной связи и термостабилизации:

;(28)

;(29)

Номиналы сопротивлений резисторов должны соответствовать ряду Е48;

-  мощности, рассеиваемые на резисторах:

(30)

;(31)

;(32)

;(33)

.(34)

 (35)

Номиналы мощностей резисторов должны в 1,3…2 раза превышать значения рассеиваемых на резисторах мощностей и соответствовать следующему ряду:

P_R = (0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2) Вт;

-  входное сопротивление каскада

(36)

где- входное сопротивление транзистора с ОЭ;

 - эквивалентное сопротивление базового делителя (параллельное соединение  и );

-  коэффициент усиления по току

[дБ](37)

-  коэффициент усиления по мощности

[дБ](38)

-  мощность, потребляемая каскадом

(39)

-  коэффициент полезного действия

(40)

коэффициент частотных искажений в области низких частот, вносимых каждой из емкостей

,(41)

где n - количество емкостей в схеме (n=3);

-  значение емкостей разделительного и эмиттерного конденсаторов

;(42)

;(43)

.(44)

Номиналы емкостей конденсаторов должны соответствовать ряду Е12;

-  максимально допустимое рабочее напряжение конденсаторов:

;(45)

;(46)

.(47)

Максимально допустимые рабочие напряжения конденсаторов должны соответствовать следующему ряду:

_C = (6,3; 10; 16; 20; 25; 35; 50) B;

-  максимально допустимое значение постоянной времени каскада в области высоких частот

;(48)

-  ожидаемое значение постоянной времени каскада

где - постоянная времени передачи тока базы транзистора;

 - постоянная времени перезаряда емкости коллекторного перехода;

 - постоянная времени нагрузки.

Если , то ожидаемые искажения будут не более заданных. В противном случае, т.е. когда , возможно уменьшение  путем снижения  (уменьшение номинала ), после чего следует уточнить положение рабочей точки и т.д., т.е. проделать цикл вычислений, аналогичный рассмотренному.

Результаты расчета параметров элементов принципиальной схемы, параметров и положения рабочей точки каскада предварительного усиления свести соответственно в таблицы 4 - 7.

Провести моделирование каскада предварительного усиления (рисунок 4). Оценить положение рабочей точки, коэффициент усиления каскада по напряжению в средине, начале и конце диапазона рабочих частот: на частотах .

Результаты моделирования (оценки параметров) занести соответственно в таблицы 7 и 8.

Сравнить результаты расчета и моделирования.

Рисунок 4 - Пример моделирования каскада предварительного усиления в среде NI Multisim 10

Литература

1.     Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец. электрон. техники/ Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А.Терехов и др. - М: Высшая школа, 1987. - 335 с.

2.       Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1989. - 400 с.

.        Войшило Г.В. Усилительные устройства Учебник для вузов. - М: Радио и связь, 1983. - 264 с.

.        Савченко С.А. Расчет усилителей низкой частоты: Учеб. Пособие. - Челябинск: ЧГАУ, 1997. - 74 с.

.        Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 320 с.

6.       www.alltransistors.com/.

.        www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/