Задача № 14 расчет однокаскадного усилителя

Составить схему однокаскадного низкочастотного усилителя и рассчитать коэффициенты усиления по току К_i, по напряжению К_u и мощности К_p, а также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления для заданного варианта схемы включения транзистора по его h-параметрам для рабочей точки. Величины сопротивления R_н нагрузки и внутреннего сопротивления генератора сигналов R_г приведены для соответствующего варианта контрольного задания в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Исходные данные к задаче № 14

Вариант	Схема включения и параметры транзистора
	Тип транзистора	Схема включения	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, кОм	, кОм
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	П416	ОБ	15,8	30,62·10-3	-0,975	3,76·10-6	8	10
2	П416	ОК	632	1	-40	2,44·10-4	1,5	25
3	П14	ОБ	31	3,2·10-4	-0,96	0,8·10-6	10	15
4	П14	ОК	775	1	-25	20·10-6	1,25	30
5	ГТ332А	ОБ	5,79	0,202·10-3	-0,9825	1,1·10-6	10,5	10
6	ГТ332А	ОК	331	1	-57	1,1·10-6	2	25
7	П416	ОБ	15,8	-30,62·10-3	-0,975	3,76·10-6	12	5
8	П416	ОК	632	1	-40	2,44·10-4	2	35
9	П14	ОБ	31	3,2·10-4	-0,96	0,8·10-6	12,5	5,5
10	П14	ОК	775	1	-25	20·10-6	1,5	20
11	ГТ332А	ОБ	5,79	0,202·10-3	-0,9825	1,1·10-6	15	8
12	ГТ332А	ОК	331	1	-57	1,1·10-6	1	30
13	П416	ОБ	15,8	-30,62·10-3	-0,975	3,67·10-6	15	6
14	П416	ОК	632	1	-40	2,44·10-4	2,5	20
15	П14	ОБ	31	3,2·10-4	-0,96	0,8·10-6	15	4
16	П14	ОК	775	1	-25	20·10-6	1,75	30
17	ГТ332А	ОБ	5,79	0,202·10-3	-0,9825	1,1·10-6	20	7,5
18	ГТ332А	ОК	331	1	-57	1,1·10-6	1,25	20
19	П416	ОБ	15,8	30,62·10-3	-0,975	3,67·10-6	20	10
Продолжение таблицы 14.1
1	2	3	4	5	6	7	8	9
20	П416	ОК	632	1	-40	2,44·10-4	3	30
21	П416	ОЭ	650	30·10-3	40	1,2·10-4	3,5	15
22	П14	ОЭ	775	3·10-4	24	20·10-6	2,5	20
23	ГТ332А	ОЭ	330	1,6·10-4	56	6,25·10-6	5,5	15
24	П416	ОЭ	650	32·10-3	44	1,5·10-4	10	8
25	П14	ОЭ	775	3·10-4	26	22·10-6	4,5	5

Ход решения задачи

Транзистор (полупроводниковый триод) является электронным прибором, основанным на свойствах двух, расположенных весьма близко друг от друга электронно-дырочных p-n-переходов. Наличие трех слоев с различной проводимостью обуславливает на границах их раздела два p-n-перехода, характеризующихся динамическим равновесием. Чтобы вывести p-n-переход из состояния равновесия, к нему подводится внешнее напряжение . При этом значение тока в цепи закрытого коллекторного перехода зависит от значения тока открытого эмиттерного перехода. Связь между токами коллекторной и эмиттерной цепей транзистора характеризуется коэффициентом передачи тока: Число рекомбинирующих в базе основных носителей заряда эмиттера определяет ток базы:

Основными характеристиками транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), являются статическая входная характеристика I_б(U_б) при (рис. 14.1) и статическая выходная характеристика I_к(U_к) при (рис. 14.2). В схеме транзистора с ОЭ к эмиттерному переходу транзистора приложено прямое напряжение U_пр, поэтому при напряжении на коллекторе входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода.

Рис. 14.1. Статическая входная характеристика транзистора	Рис. 14.2. Статическая выходная характеристика транзистора

Свойства транзисторов в рабочем (динамическом) режиме оцениваются по их характеристическим параметрам, представляющим собой величины, которые устанавливают связь между малыми изменениями токов и напряжений. Наиболее распространена система h-параметров, выражающая функциональную зависимость между входными напряжением и током и выходным напряжением. Основные h-параметры транзистора для схемы включения с общим эмиттером можно определить с помощью характеристических треугольников, построенных на семействе входных и выходных характеристик (рис. 14.1 и 14.2).

Параметры, найденные по характеристическому треугольнику, являются малосигнальными, так как они справедливы только для прямолинейных участков характеристик. Из характеристического треугольника определяют входное сопротивление транзистора при и коэффициент обратной связи при . Из семейства статических выходных характеристик определяют коэффициенты усиления по току при и выходную проводимость транзистора при . Параметры транзисторов зависят от схемы включения (табл. 14.2).

Таблица 14.2

Параметры усилителя при различных схемах включения транзисторов

Параметры усилителя	Схема включения транзистора
	с общей базой (ОБ)	с общим эмиттером (ОЭ)	с общим коллектором (ОК)
1	2	3	4
Коэффициенты усиления:
по току Кi	(10 - 200)	(10 - 200)	(10 - 100)
по напряжению Кu	(1000 - 10000)	(30 - 100)	1
по мощности Кp	(1000 - 10000)	(1000 - 20000)	(10 - 100)
Продолжение таблицы 14.2
1	2	3	4
Входное сопротивление,	10 – 100 Ом	100 – 1000 Ом	0,5 – 1 мОм
Выходное сопротивление,	0,1 – 1 мОм	10 – 100 кОм	10 – 100 Ом

Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером показана на рис. 14.3. Резисторы R₁, R₂, R_к, в схеме обеспечивают необходимые значения постоянных напряжений на коллекторном и эмиттерных переходах при питании всех цепей транзистора от одного общего источника питания Е_а. Резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию рабочей точки, что для транзисторных усилительных схем очень существенно. С ростом температуры постоянная составляющая тока эмиттера возрастает, вследствие чего увеличивается падение напряжения на резисторе R_э, при этом потенциал эмиттера относительно базы снижается, что уменьшает постоянную составляющую тока базы и ограничивает степень нарастания тока покоя в цепи коллектора. Для устранения этого воздействия при прохождении по цепям транзистора переменных составляющих резистор R_э шунтируется конденсатором С_э. Конденсаторы, С₁ и С_с предназначены для предотвращения попадания постоянной составляющей тока от источника питания и сигнала на выход и вход усилительного каскада.

Рис. 14.3. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

В малосигнальных усилителях низкой частоты при известных значениях сопротивления нагрузки Rн и генератора сигналов Rг и известных значениях h-параметров транзистора в избранной схеме включения в соответствующей рабочей точке основные параметры одиночного каскада могут быть рассчитаны по следующим формулам. Коэффициенты усиления: – по току – по напряжению

– по мощности .

Сопротивления: – входное

– выходное

В приведенные формулы входят значении h-параметров, соответствующие способу включения транзистора. Полное согласование нагрузки затруднительно, так как в усилительных каскадах при включении транзисторов по схемам с общей базой (рис.14.4) и общим эмиттером R_н<<R_нс (где R_нс - согласованная нагрузка), при этом R_н можно определить исходя из выражения , тогда для расчетов параметров усилительного каскада справедливы приближенные формулы: ; ; ;

Рис. 14.4. Схема усилительного каскада с общей базой	Рис. 14.5. Схема усилительного каскада с общим коллектором

В усилительных каскадах при включении транзистора по схеме с общим коллектором (рис. 14.5) обычно , при этом можно пользоваться следующими приближенными формулами: ; ; ; .

Процесс расчета многокаскадных усилителей осуществляется покаскадно от последнего каскада к первому. В связи с наличием в сопротивлениях резисторов связи потерь мощности, передаваемой от одного транзистора к другому, коэффициенты усиления каскадов по току и мощности оказываются меньше рассчитываемых по формулам для однокаскадного усилителя. Коэффициенты усиления по напряжению остаются практически неизменными при правильно выбранном сопротивлении R_н и сопротивлении генератора сигнала R_г для каждого каскада.