Расчет транзисторного усилителя

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ  И ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Федеральное государственное  общеобразовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Чувашский государственный  университет имени И.Н. Ульянова» 

 

 

Факультет дизайна и  компьютерных технологий

Кафедра компьютерных технологий

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине

«Электротехника и электроника»

Тема: Расчет транзисторного усилителя

Вариант №25

 

 

 

                 Выполнил: студент ДиКТ-21-09:

               Петров А.Н.

                Проверил: доц. Захаров В. Г.

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2010

 

Содержание

 

Введение                                         3

 Задание                                         8

1. Каскад с общим эмиттером                                                9

2. Расчет каскада по постоянному току                                                      10

3. Расчет каскада по переменному току   12

4. Список литературы 16

5. Приложение       17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Усилитель — это электронное устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности входного сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искажений.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспечения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как правило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой  электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи усилителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится. При последовательном соединении каскадов их коэффициенты усиления перемножаются. Связь между каскадами может быть гальванической, емкостной и трансформаторной.

По диапазону  усиливаемых частот усилители делятся  на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) и сверхвысокочастотные усилители (СВЧ). Амплитудно-частотная характеристика УНЧ имеет три участка: область низких частот от f=0 до нижней частоты  f_н; область средних частот от низкой f_н до высокой частоты f_в (полоса пропускания 2Δf) и область высоких частот от f_в и выше, при этом на высоких частот коэффициент усиления по напряжению K_U ограничивается частными свойствами транзистора, т.е. снижением коэффициента передачи В (рис. 1). На граничных частотах f_н  и f_в усиление по напряжению уменьшается в раз, соответствует снижению выходной мощности на этих частотах в два раза.

По режимам  работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элементы усилителя при воздействии малых переменных сигналов характеризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная  зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный режим работы. Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначению, по   полосе усиливаемых частот 2Δf, по характеру усиливаемого сигнала и т. д. К дополнительным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного действия,  потребляемую от  источника  питания   мощность,  нелинейные    искажения,     массу,  габариты и т. п.

Схемотехника  усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают: усилитель с общим эмиттером (0Э), усилитель с общей базой (ОБ) и усилитель с общим коллектором (ОК). По переменному напряжению в этих схемах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

Схема усилительного каскада  с общим эмиттером показана на рис. 2. Эмиттер транзистора VT (тип транзистора n-p-n) соединен с корпусом усилителя. Через катушку L с большой индуктивностью, называемую дросселем, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_см = 0,5...0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Резистор R_э служит для температурной стабилизации режима транзистора. Конденсатор С_э устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

В каскаде  различают постоянные и переменные токи, причем переменные токи протекают  на уровне постоянных.  Через конденсатор С_р1 переменный ток от источника напряжения U_вх поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллектора. Конденсатор С_р1 имеет большую емкость и для переменного напряжения не представляет значительного сопротивления, но не пропускает на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале, а также предотвращает замыкание напряжения смещения Е_см на корпус через внутреннее сопротивление источника переменного сигнала U_вх. Усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с "закрытым" входом. Дроссель L, имея большую индуктивность, для переменного тока имеет большое сопротивление и входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь замыкается через эмиттерный переход транзистора. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные сигналы. К недостаткам каскада можно отнести наличие дросселя и второго источника – напряжения смещения.

В цепи коллектора каскада включено сопротивление внутренней нагрузки R_к, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора протекает через выходной разделительный конденсатор С_р2 по внешней нагрузке усилителя R_н, подключенной к выходным зажимам каскада. На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сигнал. Мощность сигнала обеспечивает источник питания Е_пит. Коэффициент усиления каскада с ОЭ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

где B- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, R_ист.с – внутреннее сопротивление источника сигнала, R_вх – входное сопротивление транзистора, знак минус отражает изменение фазы выходного сигнала на 180^о по отношению к входному сигналу, т.е. выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Схема усилителя с общей  базой (ОБ) показана на рис. 3. Назначение разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления в этой схеме аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отличие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель L на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смещения. При такой полярности напряжения смещения транзистор открывается и через него начинает протекать постоянный ток эмиттера. На уровне этого постоянного тока развивается переменный входной ток, который проходит в коллектор. За счет сравнительно большей величины  сопротивления в коллекторной цепи по отношению к сопротивлению в эмиттерной цепи,  происходит усиление мощности сигнала: Z_к > Z_ген+ Z_вх , где Z_ген – внутреннее сопротивление генератора сигнала, Z_вх – входное сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления каскада с ОБ по переменному  напряжению рассчитывается по формуле:

,

На рис. 3 приведена схема усилителя с общим коллектором (ОК). В этой схеме важную роль играет блокировочный конденсатор  С_бл. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, блокировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать практически одинаковыми переменные потенциалы верхней и нижней шин питания и соединить через свое малое сопротивление коллектор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. Поэтому на коллекторе переменное напряжение практически равно нулю, т.е. коллектор соединятся с общей шиной по переменному току и каскад получает название ОК. По постоянному току, в отличие от приведенных выше схем с общим эмиттером и с общей базой, коллектор транзистора VT с корпусом не соединен, — напротив, на коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания. Отметим, что при отсутствии блокировочного конденсатора рассматриваемая схема будет близка к схеме ОК, так как коллектор транзистора будет соединен по переменному напряжению с корпусом через источник питания, внутреннее сопротивление которого равно нулю в идеальном случае. Внутренней нагрузкой в усилителе ОК является эмиттерное сопротивление R_э, подключенное к эмиттеру транзистора. Внешняя нагрузка R_н подключается к выходу усилителя через разделительный конденсатор С_р2. 

Коэффициент усиления каскада с ОК по переменному  напряжению незначительно меньше единицы  и рассчитывается по формуле:

.     

Выходное напряжение каскада с ОК повторяет входное  напряжение по амплитуде и по фазе, поэтому каскад называют эмиттерным повторителем. Достоинства каскада с ОК – большое входное и малое выходное сопротивления, что позволяет усиливать слабые токи входного сигнала.                     

Блокировочные конденсаторы часто включаются в  состав источников питания. В этом случае они могут отсутствовать в схемах усилителей. Блокировочные конденсаторы в больших количествах устанавливаются на материнских платах персональных компьютеров и в других узлах ЭВМ. Их задача - устранить влияние сигналов в одних частях схемы на сигналы в других частях устройства.

 Резистивный усилитель — это усилитель, у которого в качестве нагрузки используются резисторы. Так как в этом усилителе из-за отсутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элементов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов, то резистивный усилитель часто называют апериодическим усилителем. Резисторы в резистивном усилителе используются в качестве внутренней и внешней нагрузок.

 

Задание:

Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером с исходными данными:

Тип транзистора –  КТ3816. Предназначен для работы в бытовой

видеотехнике в составе  гибридных интегральных микросхем (ГС) и в другой аппаратуре широкого применения с общей герметизацией, структуры p-n-p, усилительный.

U_к.доп =15 В- допустимое напряжение коллектора.

I_к.доп =15 мА – допустимый ток коллектора.

В=20-70 - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Р_к.доп =0,03 Вт- допустимая мощность, рассеиваемая транзистором без радиатора.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n  перехода.

М_н =1.41 – коэффициент частотных искажений (для расчета конденсаторов).

Ряд номинальных значений Е12 для резисторов и конденсаторов  с допустимым отклонением  % (ГОСТ 2519-67):

1,0

1,2

1,5

1,8

2,2

2,7

3,3

3,9

4,7

5,6

6,8

8,2

Ряд номинальных значений Е12 для мощности (Вт), рассеиваемой резисторами, с допустимым отклонением  % (ГОСТ 2519-67):

0,125

0,2

0,5

1,0

2,0

 

 

1. Каскад с  общим эмиттером, назначение элементов

Электрическая принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером представлена на рис. 5.

Назначение элементов:

VT – транзистор типа n-p-n.

- делитель напряжения - задает  потенциал покоя базы относительно корпуса (земли, общей шины).

- режимный резистор, задает рабочую  точку транзистора по постоянному  току (ограничивает ток коллектора  на допустимом уровне).

- стабилизирует рабочую точку транзистора при изменении температуры окружающей среды за счет напряжения обратной связи, которое подзакрывает транзистор при повышении температуры.

- внешняя нагрузка (динамик, входное  сопротивление следующего каскада).

С₁, С₂ - разделительные конденсаторы (отделяют переменные составляющие сигнала от постоянных составляющих).

- устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, так как переменный ток замыкается не через резистор , а через этот конденсатор. Вывод эмиттера через конденсатор С_э соединяется по переменному току с общей шиной, поэтому каскад называется с общим эмиттером.

 

2. Расчет каскада с ОЭ по постоянному току

 

2.1. Определяем напряжение питания:

Епит=0,8Uк.доп=0,8*15=12 B

2.2. Расчет каскада на транзисторе VT с общим эмиттером производим в классе А и проектируем выходной каскад на 80%-ю мощность P_к.доп, рассеиваемую транзистором в режиме покоя [1, 2]:

                          Рк.пок=0,8Рк.доп=0,8*0,03=0,024 Вт

2.3. Задаемся напряжением эмиттера покоя:

Еэ.пок=0,1Епит=0,1*12=1,2 В

2.4. Выбираем рабочую точку Р.Т. в середине динамической характеристики транзистора, что соответствует напряжению покоя коллектора:

                     Uк.пок=0,5*(E_пит - Е_{э. пок.})=0,5*(12-1,2)=5,4 В

5. Рассчитываем ток покоя коллектора:

Iк.пок=Рк.пок =0,024 = 0,0044 А

                                                   Uк.пок       5,4

6. Находим сопротивление токоограничивающего резистора в цепи коллектора R_к:

3. Rк=Епит-Uк.пок = 1500  Ом

                                                       Ik.пок

Выбираем резистор МЛТ- 1500 Ом.

2.7.   Находим мощность, рассеиваемую на резисторе R_к:

P=I²к.покRk=0,00001936*1500=0,029Вт

Выбираем резистор на мощность- 0,02 Вт.

8. При разбросе значений коэффициента передачи В транзистора с ОЭ от минимального значения до максимального среднее значение по формуле [1]:

,

где R_н =540 Ом– сопротивление нагрузки, выберем равным сопротивлению R_к  с целью согласования (для максимальной передачи мощности).

9. Находим напряжение покоя базы:

U_б.пок=U_э.пок+U_{э.порог}=1,2+0,7=2,1 В

10. Определяем ток покоя базы:

I_б.пок=I_к.пок =0,0044 =0,00012=0,12мА

                                         В_ср        34,6

2.11. Задаемся током делителя через резисторы R , R :

I_дел=3I_б.пок=3*0,00012=0,00036 А

12. Находим сопротивление резистора :

                                         R₁=E_пит-U_б.пок        =    12-2,1             = 20625 Ом

                                                I_дел+ I_б.пок           0,00036+0,00012

Выбираем резистор 20625Ом по ряду Е12

Определяем мощность резистора R₁:

                    Р=( I_дел+ I_б.пок)²R₁=0,00048²*20625=0,0047 Вт

Выбираем резистор на мощность 0,005 Вт.

13. Находим сопротивление резистора R₂:

                                                R₂= U_{б.пок    =}2,1     ₌   5833,33Ом        

     I_дел      0,00036

Выбираем резистор 5,6 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R₂:

                    Р= I²_дел R₂ =0,00036² *5833,3=0,00075 Вт

Выбираем резистор на мощность 0,00075 Вт.

14. Находим сопротивление резистора :

R_э   = U_э.пок = 2654,8 Ом

                                                      I_к.пок+I_б.пок

Выбираем резистор 1,5 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R_э:

P=( I_к.пок+ I_б.пок)² R_э =(0,0044+0,00012)²*2654,8=0,054 Вт

Выбираем резистор на мощность 0,05 Вт.

Контура замыкания постоянных токов  I_дел,  I_б.пок, I_к.пок показаны на рис.6 (пунктирные линии). Эти токи создает источник питания Е_пит.

 

 

 

3. РАСЧЕТ КАСКАДА ПО ПЕРЕМЕННОМУ ТОКУ

 

Исходные данные:

f_н=100 Гц – нижняя граничная частота входного сигнала.

r_э= 10 Ом – дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n.

r_б= 50 Ом – объемное сопротивление базы.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n  перехода;

r_к=10 кОм - дифференциальное сопротивление коллекторного p-n.

R_ист.с=600 Ом – внутреннее сопротивление источника входного сигнала.

W_н=2Пf_н=6,28*100=628 рад/сек

R_экв1=R_ист.с +R_вх=600+50+(1+1,62)*10=722 Ом

R_экв2 = B_ср*(R_kr_k/R_k+r_k)+R_н=784,6 Ом

R_к=R_н

R_вх=r_б+(1+В_ср)r_э

 

 

Переменный сигнал идет на уровне постоянного сигнала, поэтому на выход усилителя проходит как положительная, так и отрицательная полуволны входного сигнала. Энергия для усиления сигнала отбирается от источника питания Е_пит. Для отделения переменных составляющих от постоянных, ставят конденсаторы C₁, C₂, C_э.

Введем понятие частотных искажений, обусловленных постоянными времени Т_С1, Т_С2, Т_Сэ цепей по которым заряжаются и разряжаются конденсаторы C₁, C₂, C_э в схеме усилителя:

,

Частотные искажения  показывают на сколько снижается амплитуда переменного сигнала при прохождении через конденсаторы на низкой или высокой частотах. На средних частотах сопротивление конденсаторов мало и падением напряжения на конденсаторах пренебрегают. На высоких частотах учитывается барьерная емкость коллекторного перехода и зависимость коэффициента передачи тока базы В от частоты, при этом амплитудно-частотная характеристика усилителя на высоких частотах повторяет указанную зависимость (рис. 1).

На заданной низкой частоте  f_н=100 Гц распределяем стандартный коэффициент низкочастотных искажений по конденсаторам С₁,  С₂, С_э, усилительного каскада

М_н=М₁М₂М_э=1,05*1,05*1,1=1,2175

Для конденсатора  С_э коэффициент М_э увеличиваем до значения 1,2175, так как он зашунтирован меньшим сопротивлением, по сравнению с другими конденсаторами.

 

Исходные данные:

В_ср=34,6 – средний коэффициент усиления

f_н=100 Гц – нижняя граничная частота входного сигнала.

r_э= 10 Ом – дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n.

r_б= 50 Ом – объемное сопротивление базы.

r_к=10 кОм - дифференциальное сопротивление коллекторного p-n перехода;

R_ист.с=600 Ом – внутреннее сопротивление источника входного сигнала;

 

R_экв1=R_ист.с +R_вх=600+400=1000 Ом

где R_вх=r_б+(1+В_ср)r_э=50+(1+34)*10=400 Ом

R_экв2 =R_кr_к      +R_н= 800*10000 +800=1600

                                          R_{к  +} r_к            800+10000

R_экв.э= r_э=10 Ом

W_н=2Пf_н=6,28*100=628 рад/сек

 

1. Рассчитываем значение конденсатора С₁:

 

;

Выбираем электролитический конденсатор С =  4,9 мкФ  

2. Рассчитываем значение конденсатора С₂:

;

Выбираем электролитический конденсатор С₂=  2,2 мкФ  

3. Рассчитываем значение конденсатора С_э:

Выбираем электролитический конденсатор С_э= 280 мкФ.

4. Находим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах:

K_u=-B_с   R_{к________} =-34,6  800____=-27,68

                                          R_ист.с+R_вх                 600+400

где знак минус отражает поворот фазы выходного сигнала на 180^о относительно входного.

5. Находим коэффициент усиления по току на средних частотах:

К_I=-B_срR_к  =-34,6      800______ =-17,3

                                            R_к+R_н                        800+800

6. Находим коэффициент усиления по мощности сигнала, действующего на базе транзистора

К_p=K_uK_I =(-27,68)*(-17,3)=478,864

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Список литературы:

1. Белов Г.А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебное пособие для вузов. Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 2004.-780 с.

2. Петухов В.М. Полупроводниковые  приборы. Транзисторы. Дополнение  второе: Справочник. – Рикел, Радио  и связь, 1995 – 288 с. Ил.

3. Кучумов А.И. Электроника  и схемотехника – Москва «Гелиос АРВ», 2002.

4. Захаров В.Г. Расчет  электрических цепей по модифицированным  правилам Кирхгофа: Учеб. пособие.  Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та, 2006. 128 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Приложение. Типы и параметры транзисторов.

№ вар (стр)	Тип транзистора	Uк.доп, В	Iк.доп, мА	Вмин- -Вмакс	P, Вт	Струк-тура
1 (39)	КТ3179А9	150	55	65	0,2	n-p-n
2 (37)	КТ3176А9	35	500	60	0,2	n-p-n
3 (35)	КТ3173А9	30	530	500	0,2	n-p-n
4 (33)	КТ3171А9	15	530	50	0,2	n-p-n
5 (31)	КТ3153А9	60	400	100-300	0,3	n-p-n
6 (28)	КТ3151А9	80	100	20	0,2	n-p-n
7 (26)	2Т3130А9	50	100	100-250	0,2	n-p-n
8 (16)	КТ218А9	80	50	20	0,2	p-n-p
9 (13)	КТ216А	60	10	9-50	0,075	p-n-p
10 (12)	2Т214А9	100	100	20	0,2	p-n-p
11 (10)	КТ209В2	15	300	200	0,2	p-n-p
12 (8)	2Т215А9	100	50	20	0,2	n-p-n
13 (57)	КТ3170А9	40	30	100	0,25	n-p-n
14 (14)	КТ3172А9	20	20	40	0,2	n-p-n
15 (61)	2Т3175А9	50	100	250-1000	0,35	n-p-n
16 (54)	КТ3142А	40	200	40-120	0,36	n-p-n
17 (53)	2Т3115А-6	10	8,5	15-110	0,05	n-p-n
18 (51)	КТ368А-5	15	30	50-450	0,225	n-p-n
19 (50)	2Т368А9	15	30	50-300	0,1	n-p-n
20 (49)	КТ339АМ	40	25	25	0,26	n-p-n
21 (47)	2Т316А-5	10	30	20-60	0,15	n-p-n
22 (63)	2Т312А	15	15	20-70	0,03	p-n-p
23 (65)	КТ3126А9	35	30	25-150	0,11	p-n-p
24 (66)	КТ3128А9	35	20	15-150	0,11	p-n-p
25 (19)	КТ3816	25	15	40	0,015	p-n-p
26 (63)	2Т370Б9	15	15	40-120	0,11	n-p-n
27 (8)	2Т215Б9	90	50	30-90	0,2	n-p-n
28 (8)	2Т215В9	80	50	40-120	0,2	n-p-n
29 (8)	КТ215Г9	60	50	40-120	0,2	n-p-n
30 (8)	КТ215Д9	30	50	80	0,2	n-p-n