курсовая работа / УНЧ

 

 

Министерство образования Российской Федерации

Саратовский Государственный Технический Университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ УНЧ

 

Методические указания

к курсу « Электроника»

 

 

 

 

 

 

 

Одобрено

редакционно-издательским советом Саратовского Государственного Технического Университета

 

 

 

САРАТОВ 2001 г.

 

Данные методические указания «Расчет УНЧ» предназначены для студентов специальности УИТ дневной и вечерней формы обучения, изучающих курс «Электроника», а также студентов родственных специальностей дневной, вечерней и заочной форм обучения, изучающих курсы аналогичного содержания.

 

Цель работы.

Знакомство с работой усилителя низкой частоты (УНЧ) на основе биполярного транзистора, его графоаналитический расчет на основе параметров и характеристик транзистора и исходных данных усилителя, представляемых преподавателем.

 

Основные понятия.

1.Биполярный транзистор можно описать линейным четырехполюсником в предположении что на входе и выходе присутствуют достаточно малые сигналы, много меньшие напряжения источника питания. Для больших сигналов проявляются нелинейные свойства транзистора. Для описания транзистора используются системы Z- параметров, Y- параметров и H- параметров.

 

А. Система Z- параметров.

 

Рис.1

 

Все параметры определяются в условиях холостого хода (ХХ). Независимые переменные: I₁ и I₂ .

Четырехполюсник описывается системой уравнений:

 

U₁=I₁ Z₁₁+I₂ Z ₁₂

U₂=I₁ Z₁₂+I₂ Z ₂₂

 

где все величины, входящие в систему уравнений представлены в комплексной форме. Для низких частот систему можно переписать, используя действительные составляющие комплексных величин в виде:

 

U₁=I₁ r₁₁+I₂ r ₁₂

U₂=I₁ r₁₂+I₂ r ₂₂

Реализуя режим ХХ по входу, мы принимаем I₁=0, откуда следует, что

,а .

 

Реализуя режим ХХ по выходу, мы принимаем I₂=0, откуда следует, что

,а .

Определим смысл r₁₁, r_12, r_21, r₂₂:

 

- входное сопротивление,

- сопротивление обратной связи,

- сопротивление прямой передачи,

- выходное сопротивление.

 

Б. Система Y параметров:

Четырехполюсник описывается системой уравнений:

 

I₁=U₁ Y₁₁+U₂ Y ₁₂

I₂=U₁ Y₁₂+U₂ Y ₂₂

 

Для низких частот система уравнений перепишется в виде:

 

I₁=U₁ y₁₁+U₂ y₁₂

I₂=U₁ y₁₂+U₂ y₂₂

 

параметры четырехполюсника можно определить реализуя режим короткого замыкания( КЗ).

Осуществим режим КЗ по входу, тогда U₁=0 и

, а .

Осуществим режим КЗ по выходу, тогда U₂=0 и

, а .

Определим смысл y₁₁, y_12, y_21, y₂₂:

- входная проводимость,

- проводимость обратной связи,

- проводимость прямой передачи,

- выходная проводимость.

 

 

В. Система H параметров:

Четырехполюсник описывается системой уравнений:

 

U₁=I₁ H₁₁+U₂ H ₁₂

I₂=I₁ H₁₂+U₂ H ₂₂

 

Для низких частот система уравнений перепишется в виде:

 

U₁=I₁ h₁₁+U₂ h₁₂

I₂=I₁ h₁₂+U₂ h₂₂

 

Система h-параметров – смешанная система, где определение параметров необходимо проводить, осуществляя режимы ХХ на входе и КЗ на выходе.

Реализуем режим ХХ на входе, тогда I₁=0 и

, а .

Осуществим режим КЗ по выходу, тогда U₂=0 и

, а .

Определим смысл h₁₁, h_12, h_21, h₂₂:

- входное сопротивление,

- коэффициент обратной связи

- коэффициент усиления по току

- выходная проводимость.

Система h - параметров является наиболее употребляемой, так как дает основную информацию о параметрах транзистора.

 

2.Параметры и характеристики транзистора.

К основным параметрам транзистора относятся h₁₁, h_12, h_21, h₂₂ – параметры.

Следует отметить, что их значения зависят от способа включения транзистора. Различают три способа включения транзистора в электрическую цепь:

А. По схеме с общей базой (ОБ), рис.2.

Б. По схеме с общим эмиттером (ОЭ), рис.3.

В. По схеме с общим коллектором (ОК), рис.4.

 

 

Рис 2.

 

 

 

 

Рис 3.

 

 

Рис 4.

 

 

В таблице 1 приведены средние значения основных параметров усилителя на основе транзистора:

 

Таблица № 1

 

Схема включения	KI	Ku	Kp	Rвх	Rвых	f, МГц
ОБ	0,99	150	140	60	600 К	100
ОЭ	100	260	2400	600	70 К	10
ОК	14	~ 1	14	150 К	150	-

 

К характеристикам транзистора относятся:

Входные характеристики,

Характеристики обратной связи,

Характеристики прямой передачи,

Выходные характеристики.

а. Входные характеристики:

На основе данных характеристик можно определить

При расчете УНЧ h₁₁ определяется в области расположения точки С на семействе входных характеристик .

б. Выходные характеристики:

На основе данных характеристик можно определить:

h₂₂ определяется в районе расположения точки С.

в. Характеристики прямой передачи:

На основе данных характеристик определяется:

3. Исходные данные.

Упомянутые выше характеристики строятся на основе данных, полученных при выполнении 2-ой лабораторной работы, представляющей собой исследовательскую лабораторную работу (ИЛР). Пример результатов представлен ниже в виде таблиц. На основе этих таблиц строятся семейства характеристик транзистора и определяются значения h₁₁ и h₂₁ необходимые для проведения расчетов УНЧ.

 

Таблица № 2

- входные характеристики

Uк=0		Uк=1,5 В		Uк=3 В		Uк=4 В		Uк=7 В
Uбэ	Iб, мкА	Uбэ	Iб, мкА	Uбэ	Iб, мкА	Uбэ	Iб, мкА	Uбэ	Iб, мкА
0,105	0	0,105	0	0,105	0	0,106	0	0,108	0
0,11	6	0,11	5	0,11	4	0,11	3	0,11	2
0,12	19	0,12	10	0,12	7	0,12	5	0,12	3
0,13	25	0,13	15	0,13	10	0,13	7	0,13	4
0,14	37	0,14	23	0,14	17	0,14	10	0,14	5
0,15	47	0,15	29	0,15	23	0,15	14	0,15	8
0,16	68	0,16	39	0,16	29	0,16	20	0,16	14
0,17	80	0,17	51	0,17	38	0,17	28	0,17	16
0,18	98	0,18	66	0,18	43	0,18	34	0,18	24
0,19	110	0,19	83	0,19	59	0,19	43	0,19	26

 

 

Таблица № 3

- выходные характеристики

Iб=0		Iб=15мкА		Iб=25мкА		Iб=50мкА		Iб=100мкА
Uк, В	I, мА	Uк, В	I, мА	Uк, В	I, мА	Uк, В	I, мА	Uк, В	I, мА
0,5	2	0,5	27	0,5	42	0,5	69	0,5	88
1	2	1	35	1	51	1	79	1	93
1,5	2,5	1,5	38	1,5	55	1,5	73	1,5	95,5
2	3	2	41	2	58	2	75	2	97
2,5	3	2,5	42	2,5	60	2,5	76	2,5	98
3	3	3	44	3	61	3	77	3	98,5
3,5	3	3,5	44,5	3,5	62	3,5	77,5	3,5	98,5
4	3	4	45	4	64	4	77,5	4	99
4,5	3	4,5	45	4,5	64,5	4,5	77,5	4,5	99
5	3	5	45	5	65	5	77,5	5	99,5

 

Таблица № 4

- характеристики прямой передачи

Uк=8 В		Uк=3 В		Uк=1,5 В		Uк=0 В
Iб, мкА	Iк, мА	Iб, мкА	Iк, мА	Iб, мкА	Iк, мА	Iб, мкА	Iк, мА
10	0,6	10	0,8	10	1	10	1,3
20	1,1	20	1,1	20	1,9	20	2,4
30	1,7	30	1,7	30	2,9	30	3,5
40	2,4	40	2,5	40	4	40	4,6
50	3,1	50	4,2	50	5,1	50	5,6
60	3,8	60	5	60	6,1	60	6,7
70	4,4	70	5,6	70	7,1	70	7,9
80	4,9	80	6,2	80	8	80	9,1
90	5,5	90	6,8	90	9	90	10,2
100	6,2	100	7,6	100	97	100	-

 

Заочники могут использовать вышеприведенные таблицы для построения входных характеристик и выходных характеристик транзистора, а также для определения h_11, h₂₁ необходимых для проведения расчетов УНЧ.

 

4. Графо-аналитический расчет усилителя низкой частоты на основе биполярного транзистора.

Рассматривается усилитель низкой частоты на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Используется транзистор p-n-p – типа. Схема представлена на рисунке 5.

Рис 5.

Расчет схемы заключается в том, чтобы на основе семейства характеристик и параметров конкретного биполярного транзистора при заданном коэффициенте усиления по напряжению и напряжении источника питания определить значения R₁, R₂, R_H.

Дано: К_U, U_{ист. пит}, семейство входных характеристик и семейство выходных характеристик , h₁₁, h₂₁

1.Расчет начинается с определения R_H.

Запишем передаточную функцию, связывающую входное и выходное напряжение. Будем полагать, что усилитель работает в линейном режиме, т. е. U_вых=КU_вх. Выясним смысл коэффициента К. Определим его.

К= U_вых / U_вх

Из выражения следует, что К есть коэффициент усиления по напряжению.

Определим значение U_ВЫХ сигнала.

U_вых=ΔJ_K* R_H,

Где ΔJ_K - приращение тока коллектора.

Запишем выражение для входного напряжения

U_вх=ΔJ_Б*h₁₁,

где h₁₁- входное сопротивления транзистора, ΔJ_Б - приращение тока базы, связанное с входным сигналом.

Подставим значение выходного и входного напряжений в формулу К= U_вых/U_вх, получим

K_U= ΔJ_K* R_H/ ΔJ_Б*h₁₁,

где ΔJ_K/ ΔJ_Б=h₂₁.

Окончательно запишем K_U= h₂₁ R_H/ h₁₁.

Полагая известным h₂₁ и h₁₁ можно по заданному К_U определить R_H:

R_H = h₁₁* K_U / h₂₁

2. Построение нагрузочной линии.

Для построения нагрузочной линии нам нужно иметь семейство выходных характеристик. Семейство выходных характеристик представляет собой набор кривых описываемых функцией:

J_K=f(U_K) при J_б=const

То есть каждая кривая соответствует конкретному значению тока базы J_б=0.

Выделим на семействе выходных характеристик область насыщения и область отсечки.

1. Область насыщения включает в себя те же участки выходных характеристик, которые характеризуются максимальной нелинейностью. Область насыщения отсекается линией, параллельной оси тока коллектора.

2. Область отсечки ограничена с одной стороны кривой, соответствующей току базы, равному нулю, с другой стороны осью напряжений коллектора.

Т.к. усилитель должен работать в линейном режиме, то очевидно значения токов и напряжений в цепи коллектора не должны заходить в область насыщения и область отсечки.

Построим линию, соответствующую максимальному току коллектора. Построим линию, соответствующую максимальному напряжению на коллекторе.

Построим линию, соответствующую максимальному значению рассеиваемой мощности на коллекторе P_K=J_KU_K. Всё это проводится на семействе выходных характеристик (Рис 6.).

Рис 6.

Область, ограниченная границей области насыщения, максимальным значением тока коллектора, максимальным значением рассеиваемой мощности на коллекторе, максимальным значением напряжения не коллекторе и выходной характеристикой, соответствующей току базы J_б=0 есть рабочая область, в рамках которой проводится расчет.

Р ассмотрим выходную цепь усилителя.

Для неё можно записать:

Данное уравнение есть, уравнение первого порядка и описывается прямой линией, для построения которой необходимо знать координаты двух точек

1 точка: пусть I_k=0, тогда U_k=U_И.П.

2 точка: пусть U_k=0, тогда I_k=U_ип /R_н. В данном случае I_k есть максимальный ток коллектора, ограниченный сопротивлением нагрузки.

Построим точки на семействе характеристик. Линия проведенная через эти две точки и есть нагрузочная характеристика (линия нагрузки) (Рис7.).