6 Контрольне завдання

Задача 1. Розрахувати каскад підсилення на біполярному транзисторі за заданими параметрами згідно з таблицею 6.1. Діапазон частот підсилювальних коливань 20Гц…12кГц, опір навантаження Rн =5кОм.

Таблиця 6.1 - Варіанти завдання до задачі 1

	Параметри
Номер варіанта	Напруга дже-рела живлення Ек, В	Опір резистора навантаження Rк, кОм	Амплітуда змін-ного струму бази Іmб, мА	Допустима потужність розсіювання на колекторі Рк.макс, мВт
1.	10,0	0,51	0,3	150
2.	12,6	0,82	0,4	200
3.	15,0	1,0	0,45	120
4.	24,0	1,6	0,5	250
5.	30,0	2,0	0,61	300
6.	11,0	0,62	0,2	120
7.	14,0	0,91	0,25	140
8.	16,0	0,82	0,32	180
9.	20,0	1,0	0,41	220
10.	22,0	1,1	0,5	240
11.	26,0	1,2	0,58	260
12.	12,0	0,75	0,34	160
13.	18,0	1,3	0,4	180
14.	25,0	2,4	0,6	200
15.	10,0	0,62	0,38	140
16.	12,0	0,68	0,35	150
17.	15,0	1,3	0,48	180

Методичні вказівки

Аналіз схеми. Каскад підсилення, що наведено на рис.6.1, є підсилювачем напруги. Вихідна напруга з'являється внаслідок протікання колекторного струму і_к по резистору навантаження Rн (перетворення струму у напругу). Вхідна змінна напруга Uвх подається через розділювальний конденсатор Ср1 на перехід база - емітер, вона змінює струм бази і_б, який викликає набагато більший струм і_к, котрий викликає падіння напруги і_к Rн .

Біполярний транзистор увімкнути за схемою зі спільним емітувальним електродом: джерело сигналу, емітер та навантаження каскаду мають спільну точку. Схема містить кола живлення з фіксованою напругою Uбе й емітерну стабілізацію робочої точки, яка ґрунтується на послідовному негативному зворотному зв’язку НЗЗ через резистор Rе. Напруга U_R2 U_Rе на 0,1...0,5В, і транзистор відкритий, тобто перехід база-емітер, при відсутності вхідного сигналу, зміщено у прямому напрямку. Конденсатором Се заблоковано резистор Rе за змінним струмом. Місцевий НЗЗ, потрібний для стабілізації показників підсилювача та зниження спотворень, здійснюється за допомогою резистора Rе. На вхід каскаду подається напруга сигналу, пропорційна вихідному струму.

Рисунок 6.1 – Схема каскаду підсилення, що розраховується

Нагадаємо, що невеликий опір Rе не потребує підключення конденсатора Се великої ємності. Такі каскади без Се найпоширеніші у складі інтегральних схем.

Графоаналітичний розрахунок робочого режиму

1. Схема використовується для підсилення малих сигналів без спотворень. Напруга змінного сигналу може мати як позитивне, так і негативне значення. Тому й при рівному нулю вхідному сигналі (режим спокою) у транзисторі повинні існувати струми бази та колектора, а для розрахунку робочого режиму транзистора потребуються сімейства вхідних і вихідних характеристик. В довідниках наведені лише одна вхідна характеристика, оскільки для різних значень Uке вони розташовані близько одна від одної.

На рисунку 6.2 наведена типова вхідна характеристика, яку можливо прийняти за робочу. Вона відповідає активному режиму для Uке=5В. На рисунку 6.3 наведено вихідні статичні характеристики в інтервалі таких значень напруги і струмів, котрі характерні для каскадів підсилення побудованих за схемою увімкнення транзистора із СЕ.

2. На сімействі вихідних ВАХ наводимо криву максимально допустимої потужності. Для цього надаємо різні значення Uке в межах значень наведеної характеристики, обчислюємо струм колектора за формулою Iк = Р_к.макс / Uке та з’єднуємо отримані точки.

Рисунок 6.2 - Вхідні статичні характеристики транзистора

3. Хід навантажувальної прямої за постійним струмом і положення робочої точки визначається точкою Ек-U_Rе на осі абсцис, а її нахил – опором навантаження, який для цієї схеми дорівнює сумі Rо= Rк + Rе, при цьому пряма перетинає вісь ординат в точці Іо= (Ек-U_Rе)/Rо. Через ці позначені точки необхідно провести пряму навантаження. Опір Rе можна визначити, виходячи з таких міркувань. Для підвищення коефіцієнта стабілізації збільшують Rе наскільки дозволяє джерело та зменшують Rб=R1//R2. Але при малому Rб зростає струм споживання транзистора та погіршуються його енергетичні показники. Як правило, Е_Rе = (0,15…0,2)Ек. Орієнтуючись на типовий режим транзистора Uке =5В, Ік_о = Іе =1…5мА та на задане значення Ек, можливо задати U_Rе і визначити Rе =U_Rе/Іе.

4. Обираємо на навантажувальній прямій положення робочої точки спокою А так, щоб забезпечити задану зміну змінної складової струму бази Іmб в позитивному та негативному напрямках. Робоча точка визначить постійну складову струму бази Іб_о (струм бази в режимі спокою), постійну складову струму колектора Ік_о (струм колектора в режимі спокою), постійну складову напруги на колекторі Uке_о (наруга спокою на колекторі).

Рисунок 6.3 - Вихідні статичні характеристики транзистора

5. Амплітуда змінної складової струму колектора

Іmк = (Ік макс – Ік мін ) / 2 .

6. Амплітуда змінної напруги на навантаженні

Um _н = Іmк Rк .

7. Коефіцієнт підсилення за струмом

К_І = Іmк / Іmб .

8. Вихідна потужність

Рвих = 0,5Іmк Um _н .

9. Потужність, що споживається в колекторному колі Рспож = Ек Іко.

10. ККД колекторного кола

 =Рвих / Рспож.

11. Потужність, що розсіюється на колекторі постійної складової струму (в режимі спокою) Рк_о = Ек Ік_о .

12. На вхідній ВАХ позначаємо точку, котра відповідає Іmб, і за графіком знаходимо Uбе_о, а для значень Іб макс і Іб мін - відповідно Uбе макс і Uбе мін.

13. Амплітуда вхідної напруги

Umб = (Uб макс – Uб мін) / 2.

14. Коефіцієнт підсилення за напругою

К_U = Um _н / Umб.

15. Коефіцієнт підсилення за потужністю

К_Р = К_І К_U.

16. Вхідна потужність

Рвх = 0,5 Іmб Umб.

17. Вхідни опір

Rвх =Umб / Іmб.

Розрахунок параметрів транзистора

1. Для отриманих значень Uке_о і Ік_о визначимо h- параметри транзистора: а) h_21е - коефіцієнт передачі струму в режимі "короткого замикання" на виході для змінного струму за точками Г і Д:

h_21е=  = Ік/ Іб при Uке = соnst ; h_21е = 1,6.10^-3 / 0,1.10^-3 =16;

б)h_22е - вихідну провідність транзистора в режимі "відсутності навантаження" на вході для змінного струму за точками Е і Ж:

h_22е=Ік/Uке при Іб=соnst; h_22е=0,15.10^-3/5=30мСм;

в) h_11е - вхідний опір транзистора в режимі "короткого замикання" на виході для змінного струму за точками М і Н :

h_11е = Uбе /Іб при Uке=соnst; h_11е= 18.10^-3 / 0,1.10^-3 = 180 Ом;

г) S - крутизну характеристики транзистора: S = h_21е / h_11е;

д) Rвих - вихідний опір: Rвих =1 / h_22е.

2. Визначимо параметри каскаду за приблизними формулами (порівняти з результатами графоаналітичного розрахунку):

К_І = h_21е Rвих / (Rн + Rвих);

Rвх = h_11е;

К_U = - h_21е Rн / Rвх;

Кр = К_І К_U.

Розрахунок кіл зміщення каскаду

1. Струм подільника R1, R2 Іпод = Ек / (R1+R2) 10 Іб_о.

2. Опір R2 = (U_Rе +Uбе_о) / Іпод.

3. Опір резистора R1= Ек / Іпод – R2.

4. Ємність, що шунтує резистор Rе, Се 1 / 2_н R1//R2//h_21е r_е, де вхідний опір з боку бази r_е=25/Ік [мА].

5. Коефіцієнт підсилення напруги сигналу К_U збільшується шунтуванням резистора Rе колом послідовно з’єднаних Rш, Сш

К¹_U =Rк/(Rш+r_е).

6. Результуючий коефіцієнт підсилення К¹_U охоплює смугу пропускання 1/2 (Rш+r_е)Сш. Визначаємо мінімальне значення Сш.

7. Вхідна та вихідна ємність зв’язку розраховується за нижньою граничною частотою

С_р1 = 1/ 2_н R1//R2//[h_21е(r_е +Rш)].

С_р2 = 1/ 2_н R_н , якщо R_н R_к.

Задача 2. Розрахувати підсилювач потужності середнього класу якості. Вихідні дані: потужність на виходін, опір навантаження R_Н, напруга сигналу на вході U_ВХ, нижня гранична частота f_Н =20Гц, гранична частота транзисторів f_ 3 МГц, режим АВ, напруга живлення - симетрична. Варіанти завдання наведені у таблиці 6.2.

Таблиця 6.2 - Варіанти завдань до задачі 2

Параметри	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Номінальна вихідна потужність Рн, Вт	1	2	50	3	20	10	40	5	4	15	12	16	30	25	18
Опір навантаження Rн, Ом	4	4	8	4	8	8	8	4	4	8	8	8	8	8	4
Напруга вхідного сигналу Uвх,В	1	1	1,8	1	2	1,2	1,6	1	1	0,5	0,7	0,3	1,7	0,8	1,1

Вибір схеми підсилювача. Згідно з вимогами, які ставляться до підсилювачів середнього класу якості, складемо таку схему (рис.6.4): вхідний каскад - диференційний на транзисторах VT1 і VT2 (відмінна стабільність за постійним струмом, між каскадами не потрібні розділювальні конденсатори, два входи), проміжний каскад - підсилювач із СЕ на транзисторі VT3, вихідний каскад - двотактний емітерний повторювач на транзисторах VT4 і VT5, між базами яких включені діоди VD1…VD3 для зміщення каскаду в стан провідності (для поліпшення температурної компенсації діоди повинні маті теплової контакт з вихідними транзисторами), режим роботи АВ, вихідна напруга надходить у коло зворотного зв’язку R4,R5,C2 (наявність С2 означає, що коефіцієнт зворотного зв’язку за постійним струмом дорівнює одиниці, це мінімізує дрейф і гарантує зневажено мале значення постійної напруги на виході підсилювача – тому не потрібні конденсатори на виході). За допомогою резисторів R7, R8 виконується невеликий зворотний зв’язок за струмом, що поліпшує стабільність за постійним струмом.

Рисунок 6.4 - Схема підсилювача потужності з НЗЗ

Розрахунок схеми:

1. Визначаємо за невеликим запасом потужність, яку повинні віддавати транзистори обох плечей каскаду Р 1,1Рн

2. Потрібна амплітуда напруги на навантаженні

3. Максимальний вихідний струм (струм колектора)

4. Потрібна напруга живлення

де - напруга на колекторі, що відповідає початку лінійної частки характеристик колекторного струму. Приймаємо= 1,0 В.

5. Вибираємо потужні транзистори протилежного типу провідності (так звану комплементарну пару) VT4 і VT5 за потужністю Р і. За довідковими даними позначаємо середнє значення_о.

6. Підсилювач класу АВ повинен мати достатньо великий струм спокою у момент переходу сигналу через нуль, тобто тоді протягом деякого інтервалу часу обидва транзистори знаходитимуться у стані провідності, що забезпечується за допомогою діодів VD1…VD3, зміщених у прямому напрямку. Вони повинні забезпечити потрібну напругу зміщення U, яка створюється сумою напруг база-емітер U_бе обох транзисторів VT4 і VТ5 і Іо(R7+R8), тобтоU=2U_бе+Іо(R7+R8). Звичайно приймають для потужних транзисторів U_бе=0,6В (кожному транзистору потрібні 0,6 В на переході база-емітер для того, щоб через нього протікав помітний струм ).

Струм спокою Іо слід вибрати з мінімуму перехідних нелінійних спотворень. Якщо потужність на гучномовці обмежена 1 Вт, то Іо=5…10 мА. Для потужності 10…30 Вт струм спокою Іо= 40…60 мА. Опір резисторів R7,R8 вибирають не більш як декілька омів (іноді менше), а падіння напруги на них дорівнює не більш декількох частин вольта. Разом з тим вони увімкнуті послідовно з Rн і тому знижують потужність, яка віддається в навантаження. Виходячи з цього, доцільніше прийняти Іо(R7+R8)=U_бе=0,6В і визначити R7=R8, тобто тоді будуть потрібні три діоди, кожен з котрих дає Uд=0,6 В.

7. Вибираємо діоди. Находимо з ВАХ струм Ід, який потрібен для отримання Uд.

8. Вхідний сигнал до двотактного каскаду знімається з колектора проміжного каскаду на VT3, в якому R6 є колекторним резистором і формує струм Ід для зміщення діодів, тому струм спокою VT3 І₀₃= Ід, а на резисторі R6 падає приблизно Еж. Визначаємо опір резистора R6 = Еж / Іоз.

9. За номінальним вихідним струмом і середнім коефіцієнтом підсилення за струмом ₀вибраних транзисторів VT4, VT5 струм колектора VT3

10. Потужність, яка розсіюється транзистором VT3 у режимі спокою,

Вибираємо транзистор VT3 за критерієм надійності.

11. База транзистора VT3 приєднана до колектора VT1, тому резистор R2 треба вибрати таким, щоб струм спокою VT1 створював падіння напруги U_R2=U_Д, тоді струми І_К1і І_К2диференційної пари будуть рівні між собою. Виходячи з цього, U_R2 = U_д = 0,6 В. Вибираємо значення струмів І_К1 = І_К2 (диференціальний каскад працює з малими струмами, наприклад 1 мА), тоді визначаємо R2 = U_R2 / І_К1.

12. Потенціал емітерів VT1,VT2 в режимі спокою можна прийняти рівним нулю, тоді струм Іе = Іе₁ + Іе₂ =Еж / R3. Звичайно Іе І_К1 + І_К2 Визначаємо R3.

13. Для забезпечення міцності на пробій VT1 і VT2 слід вибрати транзисторі, які мають U_ке 2Еж, малий тепловий струм і досить високий коефіцієнт₁.

14. Коефіцієнт підсилення підсилювача з напруги

15. Для сигналу коефіцієнт зворотного зв’язку _зз= R5/(R4+R5). Треба вибрати опір R4. Звичайно для симетричної роботи диференціального підсилювача опори баз VT1 і VT2 повинні бути рівними, тобто R4=R1. Паралельне з’єднання R1 та опір з боку бази VT1 визначає вхідний опір підсилювача. З цих умов вибираємо R4=R1=50…100 кОм. Тоді R5=R4/(К_u-1).

16. Ємність конденсатора кола зворотного зв’язку С2 розраховується, виходячи з нижніх граничних частот f_Н

17. Ємність розділювального конденсатора визначається з умови 1/C1=Rвх/10.

Аналіз схеми.Коло ЗЗ розімкнуто у точці В, а правий вивід R4 заземлений. Вхідний опір підсилювача визначається паралельним з’єднанням опору R1 і вхідному опору транзистора VT1, який складається зі збільшеного в h_21е разів власного емітерного опору r_еплюс опір з боку емітера VT2 з урахуванням кола ЗЗ (R5):

,

де r_е = 25/Ік [мА].

Вихідний опір підсилювача R_вих = (Rе/h_21е+R7). Опір Rе=R6, тому що на вихідні транзистори практично працює джерело з опором R6 (опір колектора VT3 значний).

Опір навантаження диференційного каскаду визначається паралельним з’єднанням R2 і вхідним опором з боку Rбе транзистора VT3. Тоді коефіцієнт підсилення диференціальної пари

,

де r_е3 = 25 / Іо₃ [мА], а вхідний опір з боку бази VT3 Rвх =h_21е r_е3.

Коефіцієнт підсилення проміжного каскаду Кз=R6/r_е3.

У точці спокою повний коефіцієнт підсилення становить Кп=КдКз. Зауважимо, що К₃ залежить від струму Ік₃, тому він змінюється при зміні сигналу.

Коло ЗЗ замкнено. Коло ЗЗ являє собою подільник напруги з відношенням плечей _ЗЗ. Тоді коефіцієнт підсилення у петлі ЗЗ К=Кп_ЗЗ. Вхідний імпеданс збільшується у (1+К) разів і визначається паралельним з’єднанням опору (1+К)Rвхта R1:

Rвх₃₃=(1+К)RвхR1/((1+К)Rвх+ R1).

Можна вважати, що вхідний опір визначається резистором зміщення R1.

Вихідний опір, навпаки, зменшується у (1+К) разів. Тоді Rвих_ЗЗ=Rвих/(1+К). Коефіцієнт підсилення Кп_зз= Кп/(1+К).

Висновки. Розрахункові дані свідчать, що негативний зворотний зв’язок істотно поліпшує характеристики підсилювача, в першу чергу зростає стабільність підсилювання.