Наиболее важное назначение электронных приборов - усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель - это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис..Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении RK. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора RБ обратимся к рис., иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Um ВХ I Б m IК m IК m RК (Um КЭ = EК - IК m RК) = U m ВЫХ

Действительно, рассматривая вначале рис а, а затем рис б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (Um ВХ=UБЭ m) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы IБП. Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор RБ в схеме в первом рисунки.

Схема, приведенная на рис., получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра в даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе В этой схеме резисторы R"Б и R"Б, подключенные параллельно источнику питания ЕК, составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Сопротивление R"Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R"Б и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R"Б и R"Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, - влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис.

Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R"Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ =IК+IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор RЭ шунтируется конденсатором CЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

Данные для расчета.

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ

Основные характеристики

Транзистор

Uкэ/(Iк/Iб)В/(мА/мА)

Uкэ/RВ/кОм

Iкм/IкнмА/мА

Условные обозначения электрических параметров биполярного транзистора КТ312В:

Обозначение:	Параметр
	статический коэффициент передачи тока
	предельная частота коэффициента передачи тока
	емкость коллекторного перехода (Cк) и напряжение на коллекторе (Uк), при котором она измеряется
	емкость эмиттерного перехода (Cэ) и напряжение эмиттер/база (Uэ), при котором она измеряется
Rб*Cк псек	постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте
Uкэ/(Iк/Iб) В/(мА/мА)	напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб)
	обратный ток коллектора
	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база
Uкэ/R В/кОм	максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) при заданной величине сопротивления, включенного между базой и эмиттером (R)
	максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база
Iкм/Iкн мА/мА	предельно допустимый постоянный (Iкм) ток коллектора предельно допустимый ток коллектора в режиме насыщения (Iкн)или в импульсе
	максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе

Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.

В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.

Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:

Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”

Начнем, пожалуй, с R э .

Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к —–> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:

Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.

Чуток упростим схемку:

R кэ – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.

В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где

Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .

А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:

Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.

Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?

Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.

Вернемся к R э.

Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.

Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.

Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.

а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .

б) падение напряжения на резисторе R э – это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.

в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ

г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б – U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.

д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.

е) Выводим из формулы ниже I к

I к =β х I б

Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.

Расчет усилительного каскада

1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:

P рас = 150х0,8=120 милливатт.

2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.

U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.

3) Определяем ток коллектора:

I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.

4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:

R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.

R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,

то составляем небольшое уравнение:

10R э + R э = 300

11R э = 300

R э = 300 / 11 = 27 Ом

R к = 27х10=270 Ом

5) Определим ток базы I базы из формулы:

Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.

Значит,

I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер

6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :

I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.

7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:

U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта

8) Определяем напряжение на базе:

U б = U бэ + U э

Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.

Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.

9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.

Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:

Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.

Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .

Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.

R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма

R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.

В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:

Проверка работы схемы в железе

Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:

Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.

Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :

Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.

Давайте подадим еще треугольный сигнал:

Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.

Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами

то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала

Заключение

Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:

Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .

Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.

Ну а теперь немного минусов:

1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.

2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе

А. Бепьский
РМ. КВ-УКВ. 1/2002

При конструировании транзисторных усилителей мощности радиолюбители зачастую не выполняют полный расчет схемы ввиду сложности и большого объема вычислений. Компьютерные методы моделирования радиотехнических устройств несомненно облегчают процесс конструирования, но приобретение и освоение таких программ также вызывает определенные проблемы, поэтому графические методы расчета для некоторых радиолюбителей могут оказаться наиболее приемлемыми и доступными, например, метод, описанный в .

Одна из главных целей при конструировании усилителей мощности - получение максимальной выходной мощности. Однако при выборе величины напряжения питания усилителя должно соблюдаться условие - Uкэ max выходного транзистора не должно превышать более чем на 10% значение, приводимое для него в справочнике. При проектировании также необходимо учитывать справочные значения Iк max и Pк max транзистора и, кроме того, знать значение коэффициента в.

Смысл используемых обозначений иллюстрирует рис.1. Используя справочные параметры транзистора, на миллиметровке строится система координат Uк, Iк, и на ней проводятся прямые Iк max, Uкэ max и кривая предельной мощности Рк max (рис.2). Внутри площади, ограниченной прямыми Iк max и Uкэ max и гиперболой Рк max располагается рабочая точка транзистора.

Рис.1

Выходная мощность каскада будет тем больше, чем ближе к гиперболе Рк max проходит нагрузочная прямая.

Максимум мощности достигается при касании гиперболы прямой. Максимальное выходное напряжение обеспечивается, если нагрузочная прямая выходит из точки Uкэ max. Для одновременного выполнения обоих упомянутых условий, выходящая из точки Uкэ max прямая должна касаться гиперболы Рк max.

Иногда возникает необходимость получения большого тока через выходной транзистор. В этом случае необходимо провести нагрузочную прямую из точки Iк max касательно к гиперболе Рк max. Транзистор будет работать в режиме класса А.

Выберем рабочую точку Мр транзистора так, чтобы выходное напряжение было максимальным и симметричным. Из рабочей точки проводим прямые, параллельные осям Uк и Iк. В точке пересечения с осью Uк получим значение напряжения питания каскада, а в точке пересечения с осью Iк - величину тока покоя транзистора (Iко). После этого, зная коэффициент в транзистора, можно определить ток базы Iбо для выбранной рабочей точки. Кроме того, можно рассчитать и другие параметры каскада, важные для разработчика. Следует иметь в виду, что сопротивление резистора Rэ необходимо выбирать как можно меньше (в предельном случае - равное нулю).

С целью иллюстрации описанного метода расчета предельных параметров усилителей мощности рассмотрим алгоритм разработки выходного каскада на транзисторе 2N3632 (приблизительный аналог - КТ907).

Для этого транзистора: Uкэ max =40В; Рк max=23 Вт; Iк max=3 А; b=50...110 (для расчетов принимаем в=100); ft=400 МГц.

Графическим путем получим следующие данные: Uп=16 В; Iко=1,36 A; Uвых=30 В: Iкm=2,8А.

Определяем ток базы:

Ток через делитель:

Сопротивление резисторов делителя.

Министерство образования Российской Федерации

Ижевский государственный технический университет

Кафедра «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры»

Курсовая работа

“Расчет УНЧ на БПТ”

Выполнил: студент группы 671

А.Н. Кирдяшкин

Проверил: С. А. Дерендяев

Ижевск 2003 г.

1. Техническое задание.
2. Цель работы.
3. Принципиальная схема каскада.
4. Определение типа транзисторов.
5. Эквивалентная схема усилителя .
6. Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.
7. Вывод .
8. Литература .

Задание по работе:

• Коэффициент усиления – не менее 30дб;
• Полоса пропускания от 10 Гц до 10 КГц;
• Допустимая неравномерность частотной характеристики: Мн=Мв=1,41;
• Амплитуда входного сигнала – 10 мВ ;
• Входное сопротивление не менее 10 Ком;
• Сопротивление нагрузки не более 10 Ком;
• Емкость нагрузки – 50 пФ ;
• Напряжение источника- + 9В .

Цель работы: Научиться рассчитывать УНЧ на БПТ.

Требования, предъявляемые к усилителю.

Для того чтобы, спроектировать усилитель. Необходимо знать: выходную мощность усилителя P вых. , выходное напряжение U вых., или сопротивление нагрузки R н . Допустимый коэффициент гармоник К г, рабочий диапазон частот (f н и f в), частотные искажения на низшей и высшей рабочих частотах Мн. дБ и Мв дБ; входные данные: входное напряжение U вх, внутреннее сопротивление источника сигнала R и.

К роме указанных основных данных, должно быть известно назначение усилителя, условия его эксплуатации (например, диапазон измерения температуры окружающей среды и т. д.) , тип источника питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванический элемент и др.).

Последовательность расчета усилителя.

Проектирования усилителя начинают с составления блок-схемы и выбора ее элементов, исходя из предьявленых к усилителю требований. Типовая блок-схема усилителя с входным и выходным устройствами, предварительным и мощным усилителями изображена на рисунке.

При выборе блок-схемы решают, ли в проектируемом усилителе входное выходные устройства, мощный усилитель, предварительный усилитель. Составив блок-схему усилителя, выбирают принципиальные схемы входного и выходного устройств (реостатно-емкостные, трансформаторные), каскада мощного усилителя (одноактный, двухтактный, трансформаторный, бестрансформаторный), каскадов предварительного усиления (с прямой связью, реостатный, трансформаторный, инверсный и т. д.). После этого выбирают транзисторы для всех усилительных каскадов и находят число каскадов, исходя из заданной выходной мощности или выходного напряжения и напряжения источника сигналов, приближенно определив требуемый от каскадов коэффициент усиления. После чего составляют принципиальную ориентировочную схему усилителя и распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения. Распределение Мн и Мв производят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах, затем переходят к выбору режимов работы транзисторов и электрическому расчету деталей схемы. Расчет усилителя производят, начиная с оконечного каскада, затем рассчитывают предоконечный каскад т. д.

Выбор схемы оконечного каскада, транзистора для него, режима работы и способа включения.

В транзисторных усилителях звуковой частоты оконечный каскад обычно является каскадом мощного усиления должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшим потреблении мощности от источников питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. При проектировании оконечного каскада, прежде всего, решают, будет ли каскад одноактным или двухтактным. При этом учитывают, что двухтактный каскад отдает вдвое большую мощность, чем одноактный. Имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в три-пять раз большую пульсацию источника питания, но требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой, а также инверсную схему предыдущего каскада. Кроме того, двухтактная схема позволяет использовать экономичный режим. Во, что сильно уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя. При включении с общим эмиттером и общим коллектором транзисторы в плечах двухтактной схемы необходимо подбирать с одинаковыми значениями , а также по возможности с одинаковой граничной частотной.

Одноактный каскад имеет один транзистор и может быть использован только в режиме А, что увеличивает мощность источника питания. Он не требует инверсной схемы в предыдущем каскаде, допускает меньшую пульсацию источника питания, имеет более высокий коэффициент гармоник. Размеры выходного трансформатора у такого каскада больше из-за наличия постоянного подмагничивания.

Схема электрическая принципиальная УНЧ

Рис. 1

Задачи расчета.

Для расчета транзисторного каскада усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Р. вых, сопротивление нагрузки R .н., допустимый коэффициент гармоник К. г, низшую и высшую рабочие частоты f н и f в, допустимые коэффициенты частотных искажений каскада Мн и Мв, низшую и высшую температуру окружающей среды Т окр. макс. И Токр. мин. Кроме того, должен быть известен тип источника питания (сеть переменного тока, сухие батареи, аккумуляторы). В расчет каскада усилителя входит: выбор напряжения источника питания, если оно не задано, выбор точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока и напряжения смешения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности Р-, определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопротивления каскада, расчет коэффициента гармоник каскада Кг, расчет сопротивлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необходима. К расчету каскада усилителя также относится расчет электрических данных выходного трансформатора, его конструктивный расчет и расчет радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Конструкция радиаторов, охлаждающих, транзисторы каскадов может быть различной. Радиатор выполняют из металла с высокой теплоотводностью обычно из алюминия.

Определение типа транзисторов .

Для усилительного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f  , величине тока покоя коллектора I K0 , и наибольшему допустимому напряжению коллектора U КЭ доп. .

Граничная частота передачи тока базы f  должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя f в :

f  5 f В = 50000 Гц.

Ток покоя коллектора выбирается из условия I К доп. > I К0 > 1.5 I Н, , где k =20 lg (U Н / U 1 ), U Н =100 mB , I Н = U Н / R Н =100мВ/10кОм=10 мкА. I К доп. > I К0 > 1.5*10 mkA =15 mkA .

Напряжение питания усилителя Е к должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения коллектора, т.е. меньше 0.8 U КЭ доп. .

U КЭ доп =30В, зададимся E К =9В<0,8* U КЭ доп =0,8*30=24В.

Поставленным требованиям удовлетворяет импортный транзистор Q 2 N 3904.

Его параметры:

– f  = 250 МГц

– I К доп. = 100 мА >> 1.5 I К = 1 мА

– U КЭ доп. = 25 В. Зададимся Е К = 9В < 0.8U КЭ доп. = 24В.

Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет номиналов элементов усилителя.

Расчет выходного каскада с общим эмиттером:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку,

для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора I К , I К0 =10м A , U КЭ =1/2* Е К =4,5 B .

DesignLab R 1  Е П / I kmax =418Ом.

Задав параметры схемы, построим график рисунок 2.

Рис. 2

К0 =10м A , U КЭ =4,5 B .  I Б =25мк A .

Построим входную характеристику транзистора рисунок. 3.

рис. 3

Расчет.

Сопротивление нагрузки: R Н =10кОм.

Находим амплитуду выходного сигнала: K =20 lg (U Н / U 1 ), выражаем U Н , U Н =250 mB .

Ток коллектора покоя: I К0 =10м A .

По входной характеристике рис. 3 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: U БЭ0 =0,667 B , I Б0 =0,05м A .

r ВХ =  U /  I =(0,680-0,654)/(0,078-0,03)=0,8кОм.

Сопротивление в цепи коллектора R K рассчитывается: R K =(E П - U КЭ )/ I К0 =(9-4,5)В/10м A =450Ом.

Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера R Э . Для этого, прежде всего, зададимся падением напряжения на нем:U Rэ =0.2 E П =1,8В

Отсюда R Э2 = U R Э / I Э0  U R Э / I K 0 = 180Ом.

R 4 : R 4 =(E П - U Э0 - U БЭ0 )/(I Б0 + I Д ), где U Э0 =0.2 E П =1,8В. I Д =(2-5) I Б0 =0,15м A .

R 4 =(9-1,8-0,667)/(0,05+0,15)=32,6кОм.

Сопротивление делителя: R 5 =(U Э0 + U БЭ0 )/ I Д =(1,8+0,667)/0,15=16кОм.

R ВЫХ =450Ом.

R ВХ =[(R 4 R 5 )/(R 4 + R 5 )]* r ВХ /[(R 4 R 5 )/(R 4 + R 5 )]+ r ВХ =(10,8*0,8)/(10,8+0,8)=0,7кОм.

Расчет входного каскада с общим коллектором:

По семейству выходных и входных характеристик транзистора выберем рабочую точку, для этого построим нагрузочную прямую: выбираем значение тока коллектора I К , I К0 =5м A , U КЭ =1/2* Е К =4,5 B .

Построим выходную характеристику транзистора, для этого в DesignLab ’е выполним схему включения транзистора с общим эмиттером, где R 1  Е П / I kmax =850Ом. Задав параметры схемы, построим график рисунок 2 .

рис. 4

Рабочая точка имеет следующие координаты I К0 =5м A , U КЭ =4,5 B ,  I Б =25мк A .

Построим входную характеристику транзистора рис. 4.

Расчет

Сопротивление нагрузки: R Н =0,7кОм.

Ток коллектора покоя: I К0 =5м A .

По входной характеристике рис. 4 находим: ток покоя базы, напряжение покоя между базой и эмиттером: U БЭ0 =0,650 B , I Б0 =0,025мА.

Напряжение коллектор – эмиттер покоя: U КЭ0 =(0,4-0,45) E П =0,4*9=3,6В.

Входное сопротивление транзистора, характеризуется сопротивлением цепи база – эмиттер: r ВХ =  U /  I =1кОм.

Сопротивление эмиттера R 3 : R 3 =(E П - U КЭ0 )/ I Э =(9-3,6)/5м=1кОм.

Рассчитываем сопротивление делителя R 2 : R 2 =(E П - U КЭ0 - U БЭ0 )/ I Б0

R 2 =(9-3,6-0,650)/0,025=190 кОм .

Выходное сопротивление каскада: R ВЫХ = R Э  r К(Э) , где r Э =  Т /(I К0 + I Б0 ), r Э =26/(10+0,025)=2,6Ом, R ВЫХ =1000*2,6/(1000+2,6)=2,6Ом.

Входное сопротивление каскада: R ВХ =(1+  )(R 3 * R Н )/(R 3 + R Н ).

рис . 5

где  =  h 21 Э min * h 21 Э max =  400 * 1000 = 632. R ВХ =(1+632)(1*0,7)/(1+0,7)=260кОм.

Входное сопротивление усилительного каскада: R ’ ВХ = R ВХ  R 2 = (260*190)/(260+190) =110кОм.

Расчет емкостей С 1 , С 2 , С 3 , С 4 .

Для расчета разделительных конденсаторов С 1 , С 2 , С 3 необходимо задаться коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте М НР , вносимых этим конденсатором, распределяя заданные допустимые искажения M Н = 1.41 дБ между разделительным. С р. и блокировочным С 4 конденсаторами.

Блокировочный конденсатор. С: С Э =(10 – 20)/2  f Н R 7 , где f Н =10Гц.

С Э =10/6,28*10*180=884мкФ.

Разделительные конденсаторы С 1 , С 2 , С 3 : С 1 =1/(2  f Н *(R 1 + R ’ ВХ )*  М Н 2 -1), где М Н =1,41, С 1 =1/(6,28*10*142010*0,994)=112нФ.

С 2 =1/(2  f Н *(R ВЫХ + R ВХ )*  М Н 2 -1), С 1 =1/(6,28*10*8405*0,994)=1,2мкФ.

С 3 =1/(2  f Н *(R ВЫХ + R ВХ )*  М Н 2 -1), С 1 =1/(6,28*10*10002,6*0,994)=1,6мкФ.

Эквивалентная схема усилителя.

			Rк1	rвх1	rвх2	Rвых1	Rвых2	Cр1	Cр2	h21Iб1	h21Iб2
0,2МОм	32,6кОм	16кОм	0,4кОм	1кОм	0,8кОм	2,6Ом	450Ом	112нФ	1,2мкФ	10мА	20мА

Расчет АЧХ и ФЧХ усилителя.

Для построения АЧХ и ФЧХ характеристик, в DesignLab ’е выполним схему усилительного каскада низкой частоты, который представлен на рис. 6

Рис. 7

Задав номиналы элементов, зайдем в диалоговое окно и выберем меню Analysis режима Setup (устанавливаем параметры). В меню Analysis режима Setup строим графики, которые представлены на рисунке 7.

Мы наблюдаем на рисунке 7, что полоса пропускания немного уже (не соответствует техническим характеристикам), для того чтобы расширить полосу пропускания будем изменять емкость разделительных конденсаторов, т.е. увеличивать. Также изменим амплитуду, для этого будем изменять сопротивление R 7. Рис. 8

АЧХ ФЧХ

рис. 8

Изображаем графики с новыми параметрами.

Вывод.

В курсовом проекте, я научился: вычислять АЧХ и ФЧХ усилителя по полученной функции, составлять эквивалентную схему, рассчитывать номиналы пассивных элементов, сравнивать результаты.

Список литературы .

1. Ю. А. Буланов, С. Н. Усов “Усилители и радиоприемные устройства” Москва “Высшая школа” 1980.
2. И. П. Жеребцов “Основы электроники” ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1985г.
3. Г. В. Войшвилло “Усилительные устройство” Москва “Радио и связь” 1983.
4. И. П. Степаненко “Основы теории транзисторов и транзисторных схем” “Энергия” Москва 1967.
5. А. В. Цыкина “Проектирование транзисторных усилителей” “Связь” Москва 1965.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Кафедра АПП и Э

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

“РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ”

по дисциплине: “Электротехника ”

Вариант-17

Выполнил: ст. гр. 31АП

Цигулев С.В.

Проверил: Денисов В.П.

1. Основные понятия

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

3. Задание на работу

4. Порядок расчета транзисторного усилителя по схеме с ОЭ

Библиографический список

1. Основные понятия

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивныесхемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим эмиттером - ОЭ (рис. 1, в).

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Таблица 1

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 2, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания

, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы

и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток ) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор

является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток