Расчет усилителя. 3

СОДЕРЖАНИЕ: 

РЕФЕРАТ 

     Данный  курсовой проект содержит:

     Страниц – 22;

     Рисунков  – 13;

     Таблиц  – 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ИСХОДНЫЕ  ДАННЫЕ

на курсовое проектирование по дисциплине:«Основы схемотехники»

на тему:«Расчет усилителя низкой частоты» 

Вариант № 3 

       Рассчитать транзисторный усилитель, который, имея входное сопротивление и сопротивление нагрузки , должен обеспечить коэффициент усиления по напряжению . Усилитель выполняется на p-n-p транзисторах типа 2N3251. Напряжение источника питания . Потребляемый усилителем ток при отсутствии сигнала .  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. РАСЧЕТ  УСИЛИТЕЛЯ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ ПО СХЕМЕ С ОЭ (С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНЫМИ МЕЖКАСКАДНЫМИ СВЯЗЯМИ). 

         Определяем, сколько каскадов усиления  должен иметь усилитель. Для  этого по формуле 

находим необходимый общий коэффициент  усиления по току

       Один  каскад усиления на биполярном транзисторе  по схеме с общим эмиттером  может обеспечить максимальный коэффициент  усиления по переменному току на низкой частоте приблизительно .

       Чтобы усилитель обеспечивал требуемый коэффициент усиления без предварительного отбора транзисторов по величине параметра (β), при расчете следует исходить из приводимой в справочниках минимальной величины параметра Для транзистора типа 2N3251 .

       Зная  коэффициент усиления по току всего  усилителя  и коэффициент усиления по току одного каскада , определяем число каскадов усилителя .

.

       Поскольку количество каскадов усиления не может  быть дробным, округляем  до большего целого значения. Избыток усиления можно будет при необходимости компенсировать введением отрицательной обратной связи, что увеличит стабильность усилителя и сделает схему менее чувствительной к разбросу коэффициентов усиления транзисторов.

       В рассматриваемом случае требуемое  усиление можно получить с помощью  двух каскадов т.е. .

Рис.1.1 - Схематическое представление усилителя, с помощью двух каскадов.

2. РАСЧЕТ  УСИЛИТЕЛЯ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ.

         Определяем величины резисторов  в первом каскаде усилителя,  при которых будет обеспечена  выбранная рабочая точка и  коэффициент температурной нестабильности тока коллектора . Задаем ток коллектора первого транзистора исходя из обеспечения минимального коэффициента шума. На графиках для коэффициента шума ( ) определяем величину тока коллектора по характеристике, соответствующей заданному сопротивлению источника сигнала. В рассматриваемом примере , что соответствует току коллектора .

Рис.2.1 - Зависимость коэффициента усиления и граничной частоты от тока коллектора для транзистора 2N3251

       Выбираем  схему температурной стабилизации с делителем напряжения в цепи базы (рис.2.1). Производим расчет каскада по постоянному току.

Необходимые соотношения  , , , , , .

         Вычисляем величину резистора нагрузки коллектора. Исходя из линейного режима работы транзистора (класс А) необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было примерно равно половине напряжения питания , задаем напряжение на коллекторе . Применяя закон Ома, вычисляем величину коллекторного резистора.

       Определяем  падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера, прежде чем вычислять  значение этого резистора. Падение напряжения на эмиттерном резисторе должно составлять  5 - 10 процентов от напряжения питания . Для этой схемы задаем 1 вольт, который соответствует приблизительно 10 процентам.

       Рассчитываем  величину резистора  следующим образом:

Поскольку ток  базы в  раз меньше тока коллектора, что для данного транзистора составляет минимум 150 раз, расчет ведем без учета тока базы и принимаем .

         Рассчитываем величины резисторов  базового делителя. Задаем коэффициент  температурной нестабильности каскада  .

       Рассчитываем вспомогательный параметр – эквивалентное стабилизирующее сопротивление:

         Определяем величины резисторов  во втором каскаде усилителя,  при которых будет обеспечена  выбранная рабочая точка и коэффициент температурной нестабильности тока коллектора . Задаем ток коллектора первого транзистора исходя из обеспечения максимального усиления. На графиках для коэффициента усиления определяем величину тока коллектора по характеристике . Принимая во внимание характеристику зависимости верхней граничной частоты от тока коллектора . Поскольку максимум характеристик практически совпадает, выбираем ток коллектора второго каскада равным .

Рис.2.2-Зависимость коэффициента усиления и граничной частоты от тока коллектора для транзистора 2N3251.

         Вычисляем величину резистора нагрузки коллектора. Исходя из линейного режима работы транзистора (класс А) необходимо, чтобы напряжение на коллекторе было примерно равно половине напряжения питания , задаем напряжение на коллекторе . Применяя закон Ома, вычисляем величину коллекторного резистора.

       Определяем  падение напряжения на резисторе  в цепи эмиттера, прежде чем вычислять  значение этого резистора. Падение напряжения на эмиттерном резисторе должно составлять  5 - 10 процентов от напряжения питания . Для этой схемы задаем 1 вольт, который соответствует приблизительно 10 процентам.

       Рассчитываем  величину резистора  следующим образом:

Поскольку ток  базы в  раз меньше тока коллектора, что для данного транзистора составляет минимум 150 раз, расчет ведем без учета тока базы и принимаем .

         Рассчитываем величины резисторов  базового делителя. Задаем коэффициент  температурной нестабильности каскада .

       Рассчитываем  вспомогательный параметр – эквивалентное  стабилизирующее сопротивление:

3. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ ПО ПЕРЕМЕННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ.

       Для расчета усилителя по переменной составляющей составим эквивалентную  схему для средних частот рабочего диапазона. При составлении схемы  учитываем, что вывод источника  питания по переменной составляющей соединен с общей точкой схемы. Поэтому все элементы, подключенные на принципиальной схеме к источнику питания, соединяем на эквивалентной схеме с общей точкой. Разделительные емкости при правильном расчете имеют на средних частотах достаточно малое сопротивление, и на эквивалентной схеме их замыкаем. Аналогично, емкости, которые шунтируют резисторы в цепях эмиттеров, представляют практически короткое замыкание для токов средних частот рабочего диапазона. Следовательно, можно считать, что эмиттер каждого транзистора соединен непосредственно с общей точкой схемы. Каждый транзистор принципиальной схемы заменяем в эквивалентной схеме четырехполюсником. В результате эквивалентная схема усилителя (на рис1.1.) приобретает вид, показанный на рис.3.1.

       Принимаем такой порядок расчета. Сначала определим коэффициент усиления по току каждого транзистора (двигаясь от последующих каскадов к предыдущим, т.е. от выходных зажимов усилителя к его входным зажимам). Затем определим коэффициент усиления по току всего усилителя, а после этого — коэффициент усиления по напряжению. При расчете будем применять формулы из таблицы 3.1

       Таблица 3.1 - Формулы для расчетов

       Определяем параметры транзисторов в выбранной рабочей точке.

       По  входной характеристике определяем . Некоторые производители указывают этот параметр в численном виде в таблице параметров для данного типа транзисторов.

Рис. 3.2 - Входные характеристики транзистора 2N3251 оп схеме с ОЭ. 

       По  справочным данным из таблиц определяем , поскольку, в отличие от других параметров он всегда приведен в явном виде для всех типов транзисторов.

       Выбираем  по справочным данным на данный транзистор минимальное значение . Этот параметр дается в численном виде всеми производителями транзисторов. 

       По  выходным характеристикам находим  . Некоторые производители указывают этот параметр в численном виде в таблице параметров для данного типа транзисторов.

Рис.3.3 - Выходные характеристики транзистора 2N3251 по схеме с ОЭ.

       Вычисляем по формуле:

       Поскольку на несколько порядков меньше чем , им можно пренебречь. Погрешность расчетов при этм будет все равно меньше, чем технологический разброс параметров транзисторов.

       Результаты  расчетов:

       Округление  величин параметров в пределах нескольких процентов в данном случае вполне допустимо потому, что округленные  величины будут использованы не для  определения параметров транзисторов в другой схеме включения, а для расчета параметров усилительного каскада.

       По  эквивалентной схеме усилителя  на рис.3.1 видно, что нагрузка второго транзистора образована параллельным соединением резисторов и . Результирующая проводимость нагрузки

Следовательно, коэффициент усиления второго транзистора  по току равен:

Входное сопротивление  второго транзистора:

       Нагрузка  первого транзистора (четырехполюсника) представляет собой параллельное соединение резисторов . 

       Эквивалентная проводимость:

       Коэффициент усиления первого транзистора по току равен:

Входное сопротивление первого транзистора:

       При определении коэффициента усиления по току всего усилителя следует  учесть, что вследствие шунтирующего действия резисторов и входной ток первого транзистора (четырехполюсника) не равен входному току усилителя . Соотношение токов можно записать:

где - входная проводимость усилителя:

       В свою очередь выходной ток первого четырехполюсника разветвляется между четырьмя резисторами и входной ток второго транзистора (четырехполюсника) связан с выходным током первого транзистора соотношением:

       Знак  «минус» в последней формуле  обусловлен тем, что направления  токов  и противоположны друг другу.

       В сопротивление нагрузки ответвляется только часть выходного тока второго четырехполюсника:

       Учитывая  вышеизложенное, общий коэффициент  усиления по току всего усилителя  будет равен:

       Общий коэффициент усиления по напряжению равен:

       Знак  «минус» в последней формуле  обусловлен выбором направлений  выходного напряжения и тока четырехполюсника.

       Полученная  в результате точного расчета  величина . Условие выполнено. Расчетный несколько больше минимально допустимого, что дает возможность ввести в схему усилителя отрицательную обратную связь, которая повышает стабильность коэффициента усиления.

       Номиналы  разделительных (межкаскадных) конденсаторов выбираются так, чтобы на рабочих частотах их сопротивления были на несколько порядков меньше входного сопротивления последующего каскада или эмиттерных резисторов для блокировочных конденсаторов, включенных параллельно эмиттерным резисторам. 
 
 
 
 
 
 
 
 

       4. НАХОЖДЕНИЕ H-ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА 2N3251, С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ CIRCUITMAKER.

       Для транзисторов, параметры которых  не приведены в справочнике в  достаточном для расчета объеме, можно произвести снятие статических  характеристик на реальном транзисторе или определить их при помощи модели.

       Определим транзистора 2N3251 по входным статическим характеристикам для включения с ОЭ. Снятие характеристик производится при включении по схеме, приведенной на рисунке.

Рис.4.1 - Схема включение транзистора для снятия входной статической характеристики по схеме с ОЭ при

    Риc.4.2 - Схема для снятиястатических характеристик транзистора по схеме с ОЭ. 

       Рис.4.3 - Входная статическая характеристика 2N3251 по схеме с ОЭ при

       Для снятия входных характеристик необходимо произвести измерение тока эмиттера транзистора в зависимости от напряжения . Полученные , тогда

       Настройки параметров моделирования:

       Рис.4.4 - Параметры моделирования для получения входных статических характеристик транзистора для схемы с ОЭ.

       Значения  Start Value и Stop Value необходимо выбрать для каждого конкретного типа транзистора для получения характеристики, позволяющей произвести измерения и расчеты.

       По  справочным данным из таблиц определяем , поскольку, в отличие от других параметров он всегда приведен в явном виде для всех типов транзисторов. Выбираем по справочным данным на данный транзистор минимальное значение . Данный параметр может при необходимости быть определен по выходным статическим характеристикам транзистора графическим методом.

       Рис.4.5 - Схема включения транзистора для получения выходных статических характеристик по схеме с ОЭ. 
 
 

       Настройка параметров моделирования:

       Рис.4.6 - Параметры моделирования для получения входных статических характеристик транзистора для схемы с ОЭ.

       По  выходной характеристике, соответствующей  току базы при напряжении находим . Ток коллектора при этом равен .

Рис.4.7 - Выходная статическая характеристика транзистора 2N3251, соответствующая току базы

       Тогда: 

       Графическое определение параметра  затруднено, так как семейство входных характеристик при различных ΔU_КЭ>0 практически сливается в одну. Поэтому параметр определяют косвенным путем.

       ВЫВОДЫ: 

    1. Определил, сколько каскадов усиления должен иметь усилитель,  .

    2. Вычислил величину резистора нагрузки коллектора, .

    3. Рассчитал величины резисторов базового делителя, ,

    4. Вычисляем величину резистора нагрузки коллектора,

    5. Рассчитал величины резисторов базового делителя, ,

    6. Общий коэффициент усиления по  напряжению,

       Полученная  в результате точного расчета  величина . Условие выполнено. Расчетный несколько больше минимально допустимого, что дает возможность ввести в схему усилителя отрицательную обратную связь, которая повышает стабильность коэффициента усиления.

       Номиналы  разделительных (межкаскадных) конденсаторов  выбираются так, чтобы на рабочих частотах их сопротивления были на несколько порядков меньше входного сопротивления последующего каскада или эмиттерных резисторов для блокировочных конденсаторов, включенных параллельно эмиттерным резисторам. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 

    1. Попов П.А., Расчет транзисторных усилителей звуковой частоты. -  ЭНЕРГИЯ, 1994.

    2. Алексеев С. К., Расчет оптимальных вариантов многокаскадных усилителей - ЭНЕРГИЯ, 1995.

    3. Климов Д.А., Ламповые усилители. Методика расчета и конструирования - Радио и связь, 2002.

    4. Ложников А.П., Сонин Е.К. "Каскодные усилители". Энергия, 1994.

    5. Ризкин А.А. "Основы теории усилительных схем". Советское радио, 1964.

    6. Баширов С. Р., Современные усилители - 2007.

    7. Корякин-Черняк С. Л. Микросхемы. Транзисторы. Диоды. - 2001.