Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника электронных средств. Учебное пособие.pdf
=
3. По статическим входным и выходным характеристикам опре-
делить h-параметры транзистора:
h11 – входное сопротивление;
h12 – коэффициент обратной связи по напряжению;
h21 – коэффициент передачи тока базы;
h22 – выходная проводимость.
4. Рассчитать номинальные значения сопротивлений и ёмкостей
конденсаторов принципиальной электрической схемы усилительного
каскада.
5. Rвх – входное сопротивление усилителя.
6. R
– выходное сопротивление усилителя.
вых
7. KU – коэффициент передачи (усиления) по напряжению вход-
ного сигнала.
8. KI – коэффициент передачи по току входного сигнала.
9. KP –коэффициент усиления по мощности входного сигнала.
10. Определить частотные искажения усилителя.
11. Построить схемы замещения усилительного каскада.
12. Определить передаточные функции для схем замещения уси-
лителя.
13. На основе передаточных функций схем замещения построить
амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя.
6.2.2. Методика расчёта усилителя по постоянному току
Рассмотрим пример расчёта усилителя с ОЭ для следующих
исходных данных при расчёте усилительного каскада с ОЭ, схема которого приведена на рис. 6.1:
U
п
= 25 В;
t
min
= 120 Ом;
R
н
, °C = 0 °С; t
f = 10 Гц; нМ = 1,1; вМ = 1,3;
н
, °C = 100 °C;
max
= 1 кОм.
R
i
Выбираем транзистор VT исходя из выполнения следующих
условий.
Сопротивление коллектора
где
K = 5…10.
н
Выбираем
ния
K ); рассчитанное значение кR соответствует стандартному ряду
н
и принимаем
R = 10·120 Ом = 1200 Ом (для максимального значе-
к
R = 1200 Ом.
к
,
RKR
ннк
51
=
=⋅=
=
=
=
=
=
=
=
=
Напряжение
Принимаем В.25
U
КЭ
U
КЭ
допmax
Допустимая максимальная мощность
()
UU
п
где
I−=
пк.
Полагаем
R
к
к
U =
к
допmax
к
.
U
≥
Рабочая частота транзистора
выбирается исходя из условия
допmax
≥
.
UU
КЭ
п
допmax
≥ ,
U
IP
пк.
к
допmax
п
,
2
В25
−
=I ;
пк.
U
IP
пк.
КЭП
I
к
допmax
I
к
допmax
В25
2
Ом1200
≥ ,
В25
Ом1200
КЭП
=
U
п
R
к
=≥
кГц40p>f
А010,0
Вт125,0В5,12А010,0
.
А021,0
.
.
По рассчитанным значениям:
1)
2)
3)
4)
I
к
допmax
P
к
=I
пк.
мА;21
мВт;125
допmax
мА;10
кГц.40p=f
Из справочника по полупроводниковым приборам (транзисторам
малой мощности) выбираем транзистор n-p-n со следующими параметрами (прил. Л):
P
к
max
I
к
max
где
52
– граничная частота транзистора.
f
гp
мВт150
;
мА100
; мкА5,0
I
f
КБО
; В25
гp
МГц250
U ;
КЭ
; 30...120
h
э21
,
=
=⋅=
+
=
=
=
=
Рассчитываем значение резистора. Полагаем, что
тогда выбираем кОм 0,3 кОм2,125,0
R
э
.
)5,0...1,0(
RR
кэ
Для определения рабочей точки транзистора и уточнения значений тока и напряжения покоя на статических входных и выходных
характеристиках биполярного транзистора с ОЭ (рис. 6.2, 6.3) строим
нагрузочную прямую на выходных характеристиках I
= f (UКЭ).
к
Нагрузочная прямая на выходных характеристиках строится
в режимах холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). Для выходной цепи транзистора (коллектор-эмиттер) по второму закону
Кирхгофа
В режиме ХХ
В режиме КЗ
U
КЭ
U
0
, при этом В25
I
к
0
, при этом А021,0
RI
п
кк
U
U
п
I
к
R
.
U
КЭ
= U
КЭ
п
к
.
В25
===
Ом1200
.
,
Рис. 6.2. Статические входные характеристики
биполярного транзистора с ОЭ, Iб = f (UБЭ)
53
+
=
Рис. 6.3. Статические выходные характеристики
биполярного транзистора с ОЭ, Iк = f(UКЭ)
На выходных характеристиках откладываем точку E, соответствующую режиму ХХ, и точку D, соответствующую режиму КЗ. Через
точки D и Е проводим нагрузочную прямую, на которой отмечаем точ-
ку покоя А по координате тока коллектора покоя
Для определения
соответствует точка пересечения нагрузочной прямой DE и
I
к
max
откладываем
I
пк.
соответствующий .
I
к
min
.
I
пк.
I
б
min
штриховой линии ОС, отделяющей на выходных характеристиках режим насыщения (точка В).
определяется по формуле
I
пк.
I
=
I
пк.
Рабочей точке А соответствует напряжение В5,12
54
II
кк
= ;
пк.
+
2
maxmin
2
мА18мА2
мА10
=
.
U
КЭП
.
=⋅=
=
=
−=Δ
=
Δ
Мощность рассеяния на коллекторе
U
КЭП
I
пк.
P
к
P
к
мВт125А010,0В5,12
.
Согласно справочным данным для выбранного транзистора режим работы транзистора по мощности рассеяния должен быть допустим. Если этот режим не выполняется, то следует увеличить
уменьшить
U .
п
R
или
к
Выполняется расчёт h-параметров транзистора по характеристическим треугольникам в области рабочей точки А на выходных характеристиках и в области рабочей точки А′ на входных характеристиках.
На входные характеристики рабочую точку А переносим по значениям
тока базы мА4,0
=
I
б
и напряжению В5,12
U
КЭП
.
Для построения характеристического треугольника на равных
расстояниях от точки А на входных характеристиках откладываются
перпендикуляры на ось
Тогда входное сопротивление транзистора
h
э11
Δ
=
I и БЭU .
б
U
БЭ
Δ
I
б
U
=
=
const
к
В1,0
3
−
⋅
А102,0
кОм.5,0
=
Выходная проводимость рассчитывается по отношению приращений
и
Δ , которые определяются из построенного характе-
IΔ
U
к
КЭ
ристического треугольника в области рабочей точки на выходных характеристиках А4 А5 А6:
Δ
I
к
=
h
22
э
U
Δ
КЭ
I
=
б
Коэффициент обратной связи по напряжению
const
=
3
−
⋅
А105,0
В5
мкСм7,1
=
.
определяет-
h
э12
ся по входным характеристикам при постоянном токе базы для точек А′ и А7 :
U
КЭ
Δ
U
БЭ
=
h
э12
U
Δ
КЭ
В5,2В5,12В15
=
U
БЭ
const
=I
б
В05,0
;
;
В05,0
02,0
==
В5,2
.
55
≈
≈
(
+
Коэффициент передачи тока базы транзистора определяется
по выходным характеристикам для точек А и А8:
Δ
I
к
=
h
э21
Δ
I
б
мА3
30
==
const
=U
КЭ
мА1,0
.
По эквивалентной Т-образной схеме замещения транзистора с ОЭ
определяются физические параметры (рис. 6.4)
Коэффициент передачи тока базы
h
12
r
r
б
r
к
э
э
=
==
h
э
22
)
hhhh
1
h
21
э
=
h
э
22
30β
h
э21
024,0
4
−
мкСм107,1
⋅
ээээ 22211211
130
+
4
−
мкСм107,1
⋅
r , э r ,кr , β .
б
;
=
Ом6,117
()
=
кОм4,182
;
4
−
кОм1,3107,1/30102,0500/1
=⋅+−=+−=
;
.
В рассматриваемом усилительном каскаде с ОЭ для стабилизации
тока коллектора используется эмиттерная стабилизация. Увеличение
тока коллектора, например при воздействии температуры окружающей
среды, приводит к возрастанию тока эмиттера и падению напряжения
на резисторе
напряжения
тока коллектора.
R . Это напряжение (с минусом) подаётся через делитель
э
R и б2R на базу транзистора, препятствуя возрастанию
б1
Рис. 6.4. Т-образная схема замещения биполярного транзистора с ОЭ
56
Δ
Δ
Δ
γ
Δ=Δ
−
⋅
Δ
При изменении температуры окружающей среды приращение
тока коллектора
метров:
Δ
где S – коэффициент нестабильности тока коллектора
приращение напряжения на эмиттерном переходе;
коэффициента передачи по току;
базы;
Δ – приращение обратного тока коллектора.
I
ок.
R
где
γ+= – коэффициент токораспределения в цепи коллектора,
э
RR
бэ
R
Подставляя полученное значение
коэффициента нестабильности, получим
где Е– температурный коэффициент напряжения
вых транзисторов согласно справочным данным Е= 2 мВ/град.
=Δ
U
э
определяется приращением следующих пара-
I
к
)(
⎡
Δ
=
I
к
U
S
⎢
+
э
⎣
I
Δ
э
+
h
RR
б
h
Δ
ок.
+
э21
+
II
э21
h
ок.пб.
э21
h
– эквивалентное сопротивление
R
б
h
21
э
=
S
RR
б
ээ
75,00,1...5,0
,
γ1+
h
э
21
кОм3,0
75,0
кОм4,0
====
в формулу для определения
30
=S .
U
30
3043,01
⋅+
ТЕ
э
К),К,(мВ/град2
ТТ
minmax
16,2
==
9,13
,
U
БЭ
=
[]
⎤
,
⎥
⎦
;
I
к
– приращение
э21
.
, для кремние-
==+−+⋅=
Изменение коэффициента передачи тока при изменении температуры определяется по зависимостям из справочных данных.
Принимаем
= 29.
h
э21
–
U
э
В. 0,2мВ200К)0273(К)100273(мВ/град2
57
Δ
Δ
Δ
=
=
+
=
⋅
Приращение обратного тока коллектора при изменении температуры окружающей среды
где Т* – температура удвоения тока коллектора; Т
ратура, при которой определялся обратный ток I
ТТ
⎛
⎜
)(
ТII
0ок.ок.
⎜
⎜
⎝
0max
*
Т
−−
ТТ
0min
⎞
*
⎟
Т
−=Δ
22
,
⎟
⎟
⎠
– начальная темпе-
0
(0 °С).
к. о
Обратный ток коллектора для транзистора КТ315 А берётся из
справочника:
Приращение тока коллектора будет равно
I
Подставляем рассчитанные значения S ,
в формулу для определения приращения
16,2
I
к
⋅=Δ
[]
Рассчитываем сопротивления делителя напряжения:
где
+=
⎡
⎢
⎣
I
ок.
III
кбэ
= 1 мкА.
ок.
мкА1
,
R
б
273373
⎛
373
⎜
⎜
⎝
В2,0
+
+
Ом 400 Ом 300
R
,
II
пб.б
I
э
=
1
−
373
−=Δ
22
=−=
⋅
30
8
−
= ,
1
б
,
II
пк.к
3
⋅⋅
273273
−−
⎞
⎟
⎟
⎠
00,214
)2(2мкА 1
мкА.0,161)(1,16мкА 1
,
U
:
I
к
−
6
А1016,0
+
RE
бк
RI
ээ
мА10,4 мА10мА4,0
=
Ом400В25
=
,
R
I
б
э
−
30
,
Ом3205
.
Ом300А1010,4
По шкале номинальных значений сопротивлений принимаем
= 3,3 кОм.
R
1б
Шкала номинальных значений сопротивлений резисторов приведена в прил. М.
58
=−=
,
ок.
-63
⋅+⋅
==+⋅+⋅=
h
э21
⎤
)А101А104,0(29
=
⎥
⎦
мА. 1,45А 00145,0А 0,000387А1053,0А000286,016,2
=
=
Рассчитываем
=
R
2
б
Принимаем
1
11
−
RR
1
бб
по формуле
R
2б
=
1
кОм4,0
= 0,470 кОм.
R
2б
1
−
=
1
кОм3,3
1
кОм3,0кОм5,2
−
кОм45,0
=
6.2.3. Методика расчёта усилителя по переменному току
Расчёт по переменному току проводится на основе использования
эквивалентной схемы, приведённой на рис. 6.5, усилительного каскада (УК) с ОЭ переменного тока.
Входное сопротивление усилительного каскада для переменной
составляющей
где
– входное сопротивление транзистора,
R
твх.
||
RR
бб
=
RR
бб
21
21
+
RR
бб
,
||||
RRRR
твх.ббУКвх
21
;
R
21
h
твх.
э11
кОм47,0кОм3,3
=
⋅
кОм47,0кОм3,3
+
кОм4,0
=
.
.
Рис. 6.5. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ
при переменном токе
59
===
=
=⋅=
=
R
УКвх
=
Выходное сопротивление усилителя для переменной составляющей
где
R
УКвых
R
1
= .
h
э22
=
УКвых
1
R
к
h
22
1
+
R
к
h
=
h
э11
кОм5,0кОм4,0
⋅
+
=
кОм5,0кОм4,0
||
RRR
Ом1200
э
=
Ом1200
э22
35,5882Ом1200
⋅
35,5882Ом1200
+
⋅
+
⋅
кОм5,0||кОм4,0||кОм4,0
.кОм22,0
,
твых.кУКвых
1
−
4
мкСм107,1
1
4
−
35,7082
=
мкСм107,1
53,8230587
==
Коэффициент усиления по напряжению каскада при переменном
токе
R
к
R
н
R
к
||
RK
U
н
R
э
R
==
э
R
к
+
R
н
R
э
Коэффициент усиления каскада по току
h
э
21
=
K
I
УК
1
+
h
=
R
к
э
22
Коэффициент усиления каскада по мощности
Ом120
=
Ом120
−
KKK
УКУКУК
UIР
Ёмкость разделительного конденсатора
Ом1200
Ом300
+
Ом1200
Ом300
30
4
⋅⋅+
определяется по сле-
C
1p
Ом480
Ом124
=
Ом 1200мкСм107,11
6,1169,39,29
.
дующей зависимости:
=
C
p
1
τ
+
RR
i УКвх
,
.Ом997
.9,3
==
9,29
.
где
τ
1
=
ω
М
н
.
2
1
−
н
60