Введение

В настоящих методических указаниях представлены материалы для выполнения расчетной работы «Определение электрического режима транзистора и параметров элементов схемы усилительного каскада» по курсу «Электротехника и электроника» студентами специальностей «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». В указаниях изложены принципы расчета усилительного каскада и методика его проведения, а также приведены соотношения, используемые при расчете. Методика определения электрических параметров транзистора в составе усилительного каскада ориентирована на применение вычислительной техники.

Полагается, что в процессе подготовки к непосредственному расчету студент должен изучить в полном объеме вопросы, касающиеся работы усилительного каскада и его электрических характеристик. При этом необходимо обратить особое внимание на назначение отдельных элементов схемы каскада, понять зависимость электрических характеристик усилителя от величин параметров элементов схемы. Предполагается, что студентом освоен раздел курса по биполярному транзистору.

При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные в настоящих указаниях контрольные вопросы помогут студенту не только определить его готовность к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.

Оформление отчета о выполненной работе должно быть аккуратным. Отчет должен содержать формулировку задания, схему усилительного каскада, характеристики транзистора с выполненными построениями и результаты расчета, сведенные в таблицу.

Рекомендуется следующая учебная литература:

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С.Забродин. М.: Высшая школа, 1982. С.91-99, 103-120.

2. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника / Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин. М.: Энергоатомиздат, 1988. С.52-62.

3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / О.П.Глудкин, А.И.Гуров. М.: Горячая Линия – Телеком, 1999. С. 183-209.

4. Фурсаев М.А. Основы аналоговой электроники / М.А.Фурсаев. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2003. С.25-42.

1. Основные положения

1.1. Общие вопросы расчета усилительного каскада

При расчете усилительного каскада определяются значения параметров электрического режима транзистора в его составе, а также отдельных элементов схемы каскада. Исходными величинами являются значения выходных параметров, которыми должен характеризоваться каскад.

Рис.1. Схема усилительного каскада ОЭ

Ниже рассматриваются принципы расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и работающем в режиме класса А. Схема такого каскада приведена на рис.1. В режиме класса А точка покоя находится в центре рабочей области выходной характеристики транзистора, которая ограничена максимально допустимыми значениями тока коллектора I_{к max}, напряжения коллектор-эмиттер U_{кэ max} и мощности, рассеиваемой прибором:

Р_{к max} = I_к U_кэ. (1)

На рис.2 представлена выходная характеристика транзистора, на которой проведены прямые I_{к max} и U_{кэ max}, а также гипербола Р_{к max}, ограничивающие эту область.

Точка покоя, определяющая значения постоянных составляющих токов и напряжений транзистора, находится на пересечении линии нагрузки по постоянному току и вольт-амперной характеристики для значения тока базы I_БП, зависящего от параметров элементов входной цепи усилителя. На рис.2 проведена линия нагрузки по постоянному току (1) и указано положение точки покоя (точка П). Эта линия проходит через точку Е_к на оси абсцисс и точку

I_{к кз} = (2)

на оси ординат. Е_к – постоянное напряжение источника коллекторного питания, R_к и R_э – резисторы в коллекторной и эмиттерной цепях транзистора (см. рис.1).

Рис.2. Выходная характеристика транзистора,

линии нагрузки: 1 - по постоянному току, 2 - по переменному току

На рис.2 также проведена линия нагрузки по переменному току (2), проходящая через точку покоя под углом наклона к оси ординат, тангенс которого

tg φ = , (3)

где R_н – сопротивление, на которое нагружен выход усилительного каскада.

На входной и выходной характеристиках транзистора (рис.3 и 4) выполнены построения, иллюстрирующие процесс усиления гармонического сигнала каскадом. На этих рисунках отмечены точка покоя П, а также точки А и В, соответствующие максимальному удалению рабочей точки от точки покоя при фиксированном уровне входного сигнала. Перемещение рабочей точки происходит по входной характеристике (рис.3) и по линии нагрузки по переменному току (рис.4).

Рис.3. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения входной цепи транзистора в составе

усилительного каскада ОЭ

Рис.4. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения выходной цепи транзистора в составе

усилительного каскада ОЭ

Методика проведения расчета усилительного каскада предполагает следующие четыре этапа:

1) определение положения точки покоя на выходной характеристике транзистора, при котором обеспечиваются требуемые выходные параметры каскада;

2) расчет каскада по постоянному току, при котором рассчитываются сопротивления резисторов, определяющих положение точки покоя;

3) расчет каскада по переменному току, при котором определяются коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности, а также входное и выходное сопротивления каскада;

4) расчет емкостей конденсаторов схемы.

При этом разделение расчета по этапам, как будет показано ниже, является весьма условным.