Розрахунок попереднього каскаду нч підсилювача

1 Мета роботи: навчитись розраховувати попередній НЧ каскад підсилення на біполярному транзисторі графоаналітичним методом, визначати його основні характеристики і параметри

2 Перелік питань для теоретичної підготовки:

1. Основні показники електронного підсилювача.

2. Вихідні та вхідні характеристики транзисторів.

3. Режим спокою. Напруга зміщення.

4. Навантажувальні прямі за постійним та змінним струмом.

5. Основні класи роботи підсилювачів та їх особливості.

6. Методи задання режиму спокою підсилюючого каскаду.

3 Завдання

За індивідуальним варіантом завдання таблиці 1.2:

1. Побудувати лінію максимально допустимої потужності розсіювання транзистора.

2. Побудувати навантажувальну пряму за постійним струмом.

3. Визначити положення робочої точки.

4. За вихідними характеристиками знайти:

1. постійну складову струму колектора І_К0; постійну складову напруги колектор-емітер U_КЕ0;

2. амплітуду змінної складової струму колектора І_Кm; амплітуду вихідної напруги U_КЕm;

3. коефіцієнт підсилення за струмом К_І;

4. вихідну потужність Р_ВИХ;

5. повну потужність, яка споживається в колекторному колі, Р₀;

6. ККД колекторного кола η;

7. потужність, що розсіюється на навантаженні постійною складовою струму колектора, Р_розс..

Перевірити, чи не перевищує потужність Р_розс, яка виділяється на колекторі в режимі спокою, максимально допустиму потужність Р_Kmax.

5. За вхідними характеристиками визначити:

1. напругу зміщення U_БЕ0;

2. амплітуду вхідного сигналу U_БЕm;

3. вхідну потужність Р_ВХ;

4. коефіцієнт підсилення за напругою К_U;

5. коефіцієнт підсилення за потужністю К_Р;

6. вхідний опір R_ВХ;

7. опір резистора R_Б;

8. ємність розділяючого конденсатора С_Р.

Діапазон підсилюваних коливань:

• для варіантів з парним номером 100 Гц – 7,5 кГц,

• для варіантів з непарним номером 70 Гц – 7 кГц.

При виконанні практичної роботи необхідно користуватись довідниковою літературою по напівпровідниковим приладам для визначення довідникових даних заданого за варіантом транзистора та його вихідних та вхідних характеристик. Вихідні та вхідні характеристики заданого транзистора перемалювати акуратно на міліметровий аркуш паперу для проведення необхідних графічних побудов.

4 Схема для розрахунку:

Рисунок 1.1 - Схема попереднього підсилюючого каскаду із спільним емітером

5 Методика виконання розрахунку:

Дано: Транзистор увімкнений в підсилювальний каскад за схемою з СЕ. Каскад живиться від одного джерела Е=10 В. Подача зміщення виконується фіксованим струмом. Опір навантаження R_Н =500 Ом. Постійна складова струму бази І_Б0 = 0,3мА; І_Бm = 0,2мА.

Розв’язок:

1. З довідника знаходимо для заданого транзистора Рк_max = 150мВт, вихідні та вхідні характеристики (див. рис. 1.2).

На сім'ї вихідних характеристик будуємо лінію максимально допустимої потужності за рівнянням:

.

Підставляємо послідовно значення колекторної напруги із діапазону напруг вихідної характеристики, отримаємо відповідні значення колекторного струму І_к, отримані дані заносимо в таблицю 1.1.

Таблиця 1.1

UКЕ, В	-7,5	-10	-15	-20
Ікmax, мА	20	15	10	7,5

2. Будуємо на вихідній характеристиці (рис. 1.2б) заданого транзистора навантажувальну пряму за постійним струмом, застосовуючи рівняння

.

Навантажувальну пряму будуємо за двома точками:

а) при І_К = 0 знаходимо за формулою, що U_КЕ = Е = -10 В.

Отже, перша точка лінії навантаження І_К = 0 ; U_КЕ = 10 В .

б) при U_КЕ =0 знаходимо, що Ік = Е/ R_Н = 10/500= 20 мА.

Отже, друга точка лінії навантаження І_К = 20мА ; U_КЕ = 0 В.

3. У точці перетину навантажувальної прямої з характеристикою, яка відповідає постійній складовій струму бази І_Б0=300мкА, визначаємо робочу точку (точка Т на рис.1.2б).

4. За вихідними характеристиками:

1. Знаходимо постійні складові струму колектору та напруги колектор-емітер (в робочій точці Т) І_К0=6мА; U_КЕ0= - 7В.

2. Знаходимо амплітуду змінної складової струму колектора за максимальним і мінімальним значенням струму бази

І_Бmах = 0,3мА+0,2мА=0,5мА,

І_Бmin = 0,3мА-0,2мА=0,1мА,

яким на вихідній характеристиці відповідають точки А та Б на рис.1.2б.

Для кожної з характеристик для І_Бmах та для І_Бmin визначаємо відповідні значення І_Кmax та І_Кmin .

За отриманими значеннями знаходимо амплітуду змінної складової струму колектору:

І_Кm = (І_Кmax - І_Кmin)/2 = (9·10^-3 - 2·10^-3)/2 = 3,5·10^-3А=3,5мА.

та амплітуду змінної складової напруги колектора

U_КЕm = І_Кm · R_Н = 3,5·10^-3 · 500 = 1,75 В.

3. Знаходимо коефіцієнт підсилення за струмом

К_І = І_Кm/ І_Бm = 3.5·10^-3/ (0,2·10^-3)=17,5.

Коефіцієнт підсилення за струмом в децибелах:

К_І (дБ)= 20lg К_І =20∙lg 17,5 = 25 дБ.

3. Знаходимо вихідну потужність:

Р_ВИХ=0,5 І_Кm· U_КЕm = 0,5·3,5·10^-3·1,75 = 3 мВт.

3. Знаходимо повну потужність споживання в колекторному колі

Р₀ = Е·І_К0 = 10·6·10^-3 = 60 мВт.

3. ККД колекторного кола

η= Р_ВИХ / Р₀ = 3·10^-3 /(60·10^-3) = 0,05 = 5%.

3. Потужність, яка розсіюється на навантаженні постійною складовою струму колектора, :

Р_розс. = І_К0·U_КЕ0 = 6·10^-3·7 = 42мВт < Рк_max =150 мВт

Потужність розсіювання в даному режимі не перевищує потужність розсіювання для даного транзистора.

5. За вхідними характеристиками (див. рис.1.2а):

1. Знаходимо напругу зміщення U_БЕ0=-250 мВ за точкою спокою І_Б0=0,3мА.

2. Знаходимо амплітуду вхідної напруги

U_{БЕ m} = (U_БЕmax - U_БЕmin)/2 = (274·10^-3 - 187·10^-3)/2 = 45мкВ.

3. Знаходимо вхідну потужність

Р_ВХ = 0,5 І_Бm ·U_{БЕ m} = 0,5· 0,2·10^-3· 45·10^-3 = 4,5 мкВт.

4. Модуль коефіцієнта підсилення за напругою

|К_U| = U_КЕm / U_{БЕ m} = 1,75/ (45·10^-3)=39.

Коефіцієнт підсилення в децибелах

К_U (дБ)= 20∙lg К_U=20lg 39 = 32 дБ.

5. Знаходимо коефіцієнт підсилення за потужністю

К_Р = |К_U К_І | = 39·17,5=690,

К_Р (дБ) = 10∙lg К_Р =10lg 690 = 28дБ.

6. Знаходимо вхідний опір даного підсилювача

R_ВХ = U_{БЕ m}/ І_Бm= 45·10^-3/(0,2·10^-3) = 225 Ом.

7. Знаходимо опір резистора бази

.

8. Ємність розділового конденсатора вибирається із умови, щоб його опір був меншим за вхідний опір не менше, ніж на порядок:

.

Р исунок 1.2 – Вхідні (а) та вихідні (б) характеристики транзистора.

Отже, даний каскад має коефіцієнт підсилення за потужністю Кр=690 при ККД = 5% з параметрами схемами , .