Усилительный каскад на биполярном транзисторе
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Томский
Государственный Университет
Систем
Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР)
Кафедра
радиоэлектроники и защиты информации
Пояснительная записка по дисциплине
«Схемотехника аналоговых электронных устройств» на тему:
Усилительный каскад на биполярном
транзисторе
Выполнил:
Студент гр 141-2.
____________ И.Ф. Мустафин
Томск 2013
Оглавление
Введение.
. Расчет по постоянному току.
. Расчет коэффициента усиления.
. Определение полосы пропускания.
. Расчет разделительных емкостей.
. Автоматизированный расчет.
Выводы.
Введение
Целью данной работы является расчет и проектирование усилительного
каскада на биполярном транзисторе со следующими заданными параметрами:
|
1. Диапазон рабочих частот 2. Допустимые частотные
искажения 3. Сопротивление источника сигнала и нагрузки 4. Коэффициент
усиления 5. Максимальная амплитуда выходного напряжения
|
0,001…49 МГц Yн:= 3дБ Yв:=3
дБ 50 Ом 20 дБ 2 В
|
1. Расчет по постоянному току
Примем сопротивление коллектора равным сопротивлению нагрузки и
рассчитаем эквивалент по переменному току:
Ом 1
Далее рассчитаем ток и напряжение в рабочей точке, исходя из условия что
напряжение Uv на выходе составляет 2 В:
А 2
Примем, что напряжение насыщения Un=2В, тогда напряжение рабочей точки составляет:
В 3
Теперь необходимо подыскать транзистор, исходя из условий:
А
Вт
Гц
Нам идеально подходит отечественный транзистор 2Т996Б2 со следующими
паспортными данными:
Сопротивление эмиттера найдем по закону Ома для участка цепи, учитывая,
что на эмиттере падает напряжение 3В, и через него течет ток коллектора + в 
(Hfe) раз меньший ток базы:
Ом 4
Для нахождения значения источника питания воспользуемся законом Кирхгофа:
:=Urk+Uko+Uэ 5
Рисунок 1.1
И так, напряжение на сопротивлении коллектора:
В 6
Тогда напряжение источника будет: В
Рассчитаем сопротивления делителей R1 и R2,
полагая, что по ним течет ток в 10 раз больший тока базы. Делается это для
того, чтобы значение напряжения смещения изменялось еле заметно в случае
изменения тока базы:
А 7
Тогда согласно закону Ома
Ом 8
Ом 9
В итоге имеем следующие выходные вольтамперные характеристики:
Рисунок 1.2
2. Расчет коэффициента усиления
Рассчитаем входное сопротивление транзистора с общим эмиттером:
Ом 10
Где Iko задается в миллиамперах, от чего в
формулу вносится множитель 10^3.
По переменному току делители напряжения для источника включены
параллельно, поэтому:
Ом 11
В свою очередь входное сопротивление транзистора, подсчитанное по формуле
10 включено для того же переменного тока параллельно с Rekvd, поэтому
Ом 12
Коэффициент передачи может получиться выше заданного, поэтому в схеме
усилительного каскада с общим эмиттером:
Рисунок 2.1
необходимо заранее предусмотреть корректирующий резистор Rкор, который будет стоять на пути
следования эмиттерного тока. Также не следует забывать о сопротивлении
генератора с сопротивлением Rвх
каскада, которые образуют цепь делителя с коэффициентом передачи
13
И так как мы имеем две цепи со своими коэффициентами передачи, то
объединив их в одну, эти коэффициенты следует перемножить:
14
Крутизна:
15
усилительный каскад биполярный транзистор
Проверим полученный коэффициент передачи:
3. Определение полосы пропускания
Коэффициент передачи в простейших усилительных каскадах имеет следующий
нормированный вид:
Рисунок 3.1
Определим время 
, которое будет необходимо для расчета разделительных
емкостей, кроме емкости эмиттерной термостабилизации.
Так как по заданию полоса пропускания определяется максимальным уровнем
помех в три дБ, что соответствует в корень из двух раз меньшему значению от
максимального коэффициента передачи, то
18
Откуда
с
Также рассчитаем 
из аналогичного условия
19
Откуда
с 20
Для совпадения заданной полосы пропускания с расчетной, необходима
проверка условия: 
, где
1) 
с
21
здесь fт - частота единичного усиления. У
нас она 4 ГГц. Rb - сопротивление
базы.
2) 
с 22
здесь rб - сопротивление базы, Сбк - емкость
коллекторного перехода.
3) 
с 23
Здесь Rekv - параллельно включенные
сопротивление коллектора и нагрузки по переменному току.
Проверяем…
Не соблюдается. Необходима корректировка, для чего сумма времен 
должна уменьшиться в М раз. К
примеру, в два или около того. Число М определяется следующим образом:
24
здесь Rкор - сопротивление корректировки,
вставляемое в цепь эмиттера. При Rкор=1,35
Ом наше условие соблюдается. Это сопротивление было учтено в формуле 10
заранее, так как вычисления проводились в среде MathCad циклически связанно.
Рассчитаем коррекционную емкость:
Ф 25
4. Расчет разделительных емкостей
Расчет первой и второй разделительных емкостей произведем по формуле:
26
где n-количество реактивных компонентов. В
нашем случае достаточно 3.
Для емкости Ср1:
Ф 27
Для емкости Ср2:
Ф 28
Для емкости эмиттера:
Ф 29
Рисунок 4.1 Наглядная связь входных и выходных характеристик с заданным
значение входного сигнала.
.
Автоматизированный расчет
В силу отсутствия в базе программы multisim транзисторов с ft>400 МГц практический анализ
работы был сведен к подтверждению всего кроме полосы пропускания.
Так как транзистор pnp,
то напряжение источника питания подано положительно относительно земли, и на
приборах как следствие обратные знаки.
Выводы
В ходе проведения данной работы были закреплены навыки в области расчета
и проектирования усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Можно
сказать следующее о влиянии элементов каскада на характер его работы:
1. Rд1 и Rд2 служат для поддержания напряжения
смещения на входе.
2. Rг и Rвх создают цепь делителя, коэффициент
передачи которого влияет на коэффициент передачи всей цепи.
3. Rk служит запасным при работе транзистора в режиме насыщения.
4. Rэ - термостабилизирует работу системы по постоянному току Cэ - по переменному.
. Ср1 препятствует протеканию постоянного тока в генератор и
защищает его от перегорания.
. Ср2 предохраняет нагрузку от постоянного тока, ибо ею может
служить конечный усилительный каскад. А также влияет на спад прямоугольных
импульсов.
Рассчитанный коэффициент передачи совпадает с проверочным, усиление в 20
дБ достигнуто, амплитуда на выходе 2 В при напряжении на входе - 0,2В.