5. Расчетно-графическая работа «Расчет усилительных каскадов»

Произвести расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе в соответствии с вариантом задания:

– определить рабочую область транзистора;

– определить h-параметры транзистора по его вольт-амперным характеристикам;

– для заданной схемы усилительного каскада, коэффициента усиления по напряжению _U, R_н= расcчитать элементы усилительного каскада, задающие положение рабочей точки: Е_к; R_к; R_э; С_э; R_б (R₁, R₂); С₁; С₂; _I; _U (для каскада с ОК); определить его параметры – U_к0; I_к0; U_б0; I_б0; R_вх; R_вых;

– привести принципиальную электрическую схему усилительного каскада.

Вольт-амперные характеристики транзисторов приведены в приложении 3.

Оформить работу в соответствии с требованиями приложения 1.

Таблица 5

Варианты заданий РГР

«Расчет усилительных каскадов»

№ ва-рианта	Тип транзистора	Вид схемы	U	Предельные параметры транзистора
				Рк max, мВт	Uк max, В	Iк max, мА
1	2	3	4	5	6	7
1	ГТ109Б	ОЭ с термостаб-цией	100	30	6	20
2	ГТ308А	ОЭ	300	150	12	50
3	КТ120А	ОЭ с термостаб-цией	200	10	10	10
4	ГТ320А	ОК	–	200	12	150
5	КТ301В	ОЭ с термостаб-цией	250	150	30	10
6	ГТ322Б	ОЭ	300	50	25	10
7	КТ342Б	ОК	–	250	25	50
8	ГТ322А	ОЭ с термостаб-цией	250	50	25	10
9	КТ312В	ОК	–	225	20	30
10	КТ315А	ОЭ с термостаб-цией	250	150	25	100
11	КТ373Г	ОЭ	500	150	60	50
12	КТ301Ж	ОЭ с термостаб-цией	200	150	20	10
13	ГТ109А	ОЭ	200	30	6	20
14	ГТ122В	ОК	–	150	20	20

Продолжение табл. 5

1	2	3	4	5	6	7
15	ГТ320Б	ОЭ	300	200	11	150
16	КТ312А	ОЭ с термостаб-цией	100	225	20	30
17	КТ352Б	ОК	–	300	15	50
18	КТ342А	ОЭ с термостаб-цией	200	250	30	50
19	КТ301А	ОК	–	150	20	10
20	ГТ308В	ОЭ	300	150	12	50
21	ГТ109Д	ОЭ с термостаб-цией	100	30	6	20
22	КТ373Б	ОЭ	400	150	25	50
23	КТ3102Б	ОК	–	250	50	100
24	КТ345В	ОЭ	350	300	20	200
25	ГТ122А	ОЭ	300	150	35	20
26	ГТ308Б	ОК	–	150	12	50
27	КТ342В	ОЭ	500	250	10	50
28	КТ203Б	ОЭ с термостаб-цией	300	150	30	10
29	КТ312Б	ОЭ	300	225	35	30
30	ГТ109В	ОК	–	30	6	20
31	КТ352А	ОЭ	350	300	15	50
32	КТ345Б	ОК	–	300	20	200
33	КТ373А	ОЭ с термостаб-цией	300	150	30	50
34	КТ301Б	ОК	–	150	30	10
35	КТ324А	ОЭ	300	15	10	20
36	КТ3102Г	ОЭ	400	250	20	100
37	КТ315Б	ОЭ с термостаб-цией	400	150	20	100
38	ГТ320А	ОЭ	300	200	12	150
39	КТ301	ОК	–	150	20	10
40	КТ352Б	ОЭ с термостаб-цией	300	300	15	50
41	КТ203В	ОЭ	200	150	15	10
42	ГТ109Б	ОК	–	30	6	20
43	КТ342Б	ОЭ с термостаб-цией	250	250	25	50
44	КТ3102А	ОК	–	250	50	100
45	КТ312В	ОЭ	200	225	20	30
46	КТ345В	ОК	–	300	20	200
47	ГТ122Г	ОЭ с термостаб-цией	100	150	20	20
48	КТ315В	ОЭ	200	150	40	100
49	КТ301Г	ОЭ с термостаб-цией	200	150	20	10
50	КТ312Б	ОК	–	225	35	30
51	ГТ320В	ОЭ	200	200	9	150
52	ГТ109А	ОЭ с термостаб-цией	100	30	6	20
53	КТ373Г	ОК	–	150	60	50

Продолжение табл. 5

1	2	3	4	5	6	7
54	КТ324Б	ОЭ с термостаб-цией	150	15	10	10
55	КТ3102А	ОЭ	350	250	50	100
56	ГТ109В	ОЭ с термостаб-цией	200	30	6	20
57	КТ373А	ОЭ	400	150	30	50
58	КТ342В	ОК	–	250	10	50
59	ГТ322Б	ОЭ с термостаб-цией	200	50	25	10
60	КТ301А	ОЭ с термостаб-цией	300	150	20	10
61	КТ345А	ОЭ с термостаб-цией	200	300	20	200
62	КТ3102Г	ОК	–	250	20	100
63	ГТ320А	ОЭ	200	200	12	150
64	КТ312Б	ОЭ с термостаб-цией	250	225	35	30
65	КТ315А	ОК	–	150	25	100
66	ГТ308В	ОЭ с термостаб-цией	150	150	12	50
67	ГТ322А	ОК	–	50	25	10
68	ГТ109Д	ОЭ	200	30	6	20
69	ГТ122А	ОЭ с термостаб-цией	300	150	35	20
70	КТ301Ж	ОК	–	150	20	10
71	КТ315Б	ОЭ	300	150	20	100
72	КТ373Б	ОК	–	150	25	50
73	КТ3102В	ОЭ с термостаб-цией	300	250	30	100
74	ГТ308А	ОК	–	150	12	50
75	КТ345Б	ОЭ	300	300	20	200
76	ГТ320В	ОК	–	200	9	150
77	КТ373В	ОЭ	500	150	10	50
78	ГТ109А	ОК	–	30	6	20
79	ГТ122Б	ОК	–	150	20	20
80	КТ203Б	ОК	–	150	30	10
81	КТ301В	ОЭ	300	150	30	10
82	КТ315Г	ОЭ с термостаб-цией	250	150	35	100
83	КТ342Б	ОЭ	400	250	25	50
84	КТ312А	ОК	–	225	20	30
85	КТ352А	ОЭ с термостаб-цией	200	300	15	50
86	КТ373А	ОК	–	150	30	50
87	КТ324А	ОК	–	15	10	20
88	ГТ320Б	ОЭ с термостаб-цией	250	200	11	150
89	КТ315В	ОК	–	150	40	100
90	ГТ109В	ОЭ	150	30	6	20
91	ГТ308В	ОК	–	150	12	50
92	КТ301Б	ОЭ	300	150	30	10
93	КТ342А	ОК	–	250	30	50

Окончание табл. 5

1	2	3	4	5	6	7
94	КТ315Г	ОЭ	400	150	35	100
95	КТ345А	ОК	–	300	20	200
96	КТ352Б	ОЭ	350	300	15	50
97	КТ373В	ОЭ с термостаб-цией	300	150	10	50
98	КТ3102Д	ОЭ	500	250	30	100
99	КТ312Б	ОК	–	225	35	30
100	ГТ308Б	ОЭ с термостаб-цией	100	150	12	50

Методические указания по выполнению РГР

«Расчет усилительных каскадов»

Для обеспечения продолжительной и надежной работы биполярного транзистора в электронных устройствах необходимо, чтобы его режимы работы не выходили за пределы рабочей области характеристик.

Границы рабочей области транзистора определяются согласно следующим условиям:

а) ;

б) ;

в) ,

где Р_кmax, U_кmax, I_кmax – предельные допустимые параметры транзистора: Р_кmax – максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора, Вт; U_кmax – максимально допустимое напряжение на коллекторе транзистора, В; I_кmax – максимально допустимый ток коллектора, А.

Отображение границ рабочей области производится соответствующим образом на выходных вольт-амперных характеристиках транзистора. Например, для транзистора КТ312Б предельно допустимые параметры равны: Р_кmax = 225 мВт, U_кmax = 35 В, I_кmax = 30 мА, а его рабочая область будет иметь вид, показанный на рис. 3, б. Эта область ограничена линиями Р_кmax, I_кmax и непоказанной линией U_кmax = 35 В, проходящей правее поля графика выходных характеристик транзистора.

По вольт-амперным характеристикам в пределах центральной части рабочей области транзистора определяют его h-параметры примерно в окрестности точки А (рис. 3, б). Методика расчета h-параметров транзистора подробно описана в методических указаниях к РГР № 3 данного учебно-методического пособия (с. 16).

Заданием расчетно-графической работы предусмотрен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по одной из схем: с общим эмиттером (ОЭ), с общим эмиттером с температурной стабилизацией и с общим коллектором (ОК), работающим в режиме усиления гармонического (апериодического) сигнала.

Усилительный каскад с ОЭ является одним из наиболее распространенных усилительных каскадов, в котором эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

На рис. 4 приведена схема усилительного каскада с ОЭ на биполярном транзисторе структуры n-p-n. На резисторе R_к, включенном в коллекторную цепь транзистора VT, создается выходное напряжение U_вых. Резистор R_б, включенный в цепь базы, задает положение рабочей точки биполярного транзистора, обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т. е. в отсутствие входного сигнала.

Согласно II закону Кирхгофа уравнение электрического состояния для выходной (коллекторной) цепи усилительного каскада имеет вид:

, (1)

т. е. напряжение источника питания Е_к распределяется на падение напряжения на резисторе R_к и напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_кэ.

Если из уравнения (1) выразить ток I_к, то полученное соотношение есть так называемое уравнение нагрузочной прямой:

. (2)

Построение нагрузочной прямой производится по двум точкам: U_кэ = Е_к при I_к = 0 и при U_кэ = 0, и она должна проходить в пределах рабочей области транзистора (рис. 3, б). Точки пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками транзистора дают графическое решение уравнения (2) для данного сопротивления R_к и различных значений тока базы I_б.

Значение сопротивления R_к определяется из достижения требуемого коэффициент усиления по напряжению _U для рассчитываемого каскада. Для случая, когда R_н=,

.

При отсутствии входного сигнала работа транзистора характеризуется так называемым режимом покоя, который определяется положением исходной рабочей точки на нагрузочной прямой усилительного каскада, характеризующейся параметрами: U_к0; I_к0; U_б0; I_б0.

При усилении гармонического (или же апериодического) сигнала положение рабочей точки задается на середине нагрузочной прямой (точка А на рис. 3, б).

Конденсатор С₁ служит для подключения к входу усилительного каскада источника переменного напряжения U_вх и предохраняет его от постоянной составляющей тока базы.

Конденсатор С₂ на выходе усилителя обеспечивает выделение из напряжения на коллекторе транзистора VT переменной составляющей выходного напряжения U_вых, которое может являться входным сигналом следующего усилительного каскада или же поступать на некоторое нагрузочное устройство сопротивлением R_н.

Усилительный каскад с ОЭ с температурной стабилизацией

Существенным недостатком транзисторов является их зависимость от температуры. С ростом температуры из-за возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике увеличивается коллекторный ток транзистора. Это приводит к изменению выходных характеристик транзистора и уменьшению напряжения на его коллекторе. Что вызывает смещение рабочей точки транзистора, которая может выйти за пределы линейного участка характеристик транзистора, нарушая нормальную работу усилителя.

Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с ОЭ в эмиттерную цепь транзистора включают резистор R_э, шунтированный конденсатором C_э (рис. 5). В цепи базы для создания начального напряжения смещения U_бэ между базой и эмиттером применяют делитель напряжения R₁, R₂.

На рис. 5 приведена схема усилительного каскада с ОЭ с температурной стабилизацией на биполярном транзисторе структуры p-n-p.

Увеличение коллекторного тока транзистора, согласно соотношению , вызывает повышение тока эмиттера I_э, что приводит в свою очередь к увеличению падения напряжения на резисторе R_э. Такое повышение напряжения на R_э вызывает в свою очередь снижение напряжения между базой и эмиттером транзистора U_бэ, в соответствии с выражением

,

где напряжение – величина постоянная.

Снижение потенциала базы U_бэ по отношению к потенциалу эмиттера вызывает уменьшение тока базы транзистора, снижение коллекторного и эмиттерного токов. В результате рабочая точка транзистора практически возвращается в первоначальное положение.

Резистор R_э не полностью компенсирует рост тока I_к с повышением температуры, но позволяет во много раз снизить это влияние.

Усилительный каскад с ОК (эмиттерный повторитель) – его схема на биполярном транзисторе структуры n-p-n приведена на рис. 6.

В этом каскаде выходное напряжение U_вых снимается с резистора R_э, включенного в эмиттерную цепь транзистора VT. Коллектор транзистора по переменной составляющей тока и напряжения оказывается непосредственно соединенным с общей точкой усилителя через внутреннее сопротивление источника Е_к. Так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении Е_к от переменной составляющей тока незначительно, можно считать, что входное напряжение U_вх подается между базой и коллектором через конденсатор С₁, а выходное напряжения U_вых, равное падению напряжения на резисторе R_э от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор С₂.

Усилительный каскад с ОК имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньше единицы, его входное и выходное напряжения совпадают по фазе, поэтому его часто называют эмиттерный повторитель. От усилительного каскада с ОЭ его отличает высокое входное и низкое выходное сопротивление.

А) Порядок расчета усилительного каскада с ОЭ.

1. По справочно-нормативной литературе определить структуру заданного транзистора и в соответствии с ней и заданием привести принципиальную электрическую схему усилительного каскада.

2. Определить рабочую область транзистора и указать ее границы на его вольт-амперных характеристиках (ВАХ транзисторов приведены в приложении 3) согласно следующим условиям:

а) ;

б) ;

в) .

3. По вольт-амперным характеристикам в пределах центральной части рабочей области транзистора определить его h-параметры.

4. Задать напряжение источника питания Е_к из условия . Отметить данное значение на выходных характеристиках транзистора.

5. Рассчитать R_к для заданного значения коэффициента усиления _U из соотношения

.

Задать номинальное значение R_к в соответствии с нормированными значениями этих величин.

6. Построить нагрузочную прямую. Соединить прямой линией точки Е_к и I_к на выходных характеристиках транзистора:

.

7. На нагрузочной прямой задать положение рабочей точки усилительного каскада, определить ее режимы (координаты): I_ко, U_кэо, I_бо, U_бэо.

Для режимов рабочей точки рассчитать значение ЭДС источника питания Е_к, которое должно незначительно отличаться от заданного значения Е_к в п. 4:

.

8. Рассчитать R_б из уравнения электрического состояния входной цепи по постоянному току:

.

Задать номинальное значение R_б в соответствии с нормированными значениями этих величин.

9. Произвести расчет и выбор номинальной мощности сопротивлений R_к, R_б согласно формулам

;

.

Выбрать номинальное значение мощности резисторов R_к, R_б в соответствии с нормированными значениями этих величин.

10. Рассчитать входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых усилительного каскада:

, .

11. Рассчитать величину емкости конденсаторов и для данной цепи, задавая нижний предел частоты f_н = 20 Гц:

, .

Задать номинальные значения и в соответствии с нормированными значениями этих величин.

Б) Порядок расчета усилительного каскада с ОЭ с температурной стабилизацией.

Выполнить первые пять пунктов расчета усилительного каскада с ОЭ.

6. Построить нагрузочную прямую. Соединить прямой линией точки Е_к и I_к на выходных характеристиках транзистора:

.

Сопротивление резистора R_э определяется из соотношения или принимается равным в пределах 200–400 Ом.

7. На нагрузочной прямой задать положение рабочей точки усилительного каскада, определить ее режимы (координаты): I_ко, U_кэо, I_бо, U_бэо.

Для режимов рабочей точки рассчитать значение ЭДС источника питания Е_к, которое должно незначительно отличаться от заданного значения Е_к в п. 4:

, (1)

но так как , а как правило , то можно считать , следовательно, уравнение электрического состояния выходной цепи усилительного каскада по постоянному току (1) примет вид

.

8. Рассчитать R₁ и R₂ из уравнения электрического состояния входной цепи по постоянному току:

, (2)

где I_д – ток делителя, величину которого для маломощных транзисторов определяют согласно условию .

При этом ток делителя не должен превышать 10–15 % тока коллектора I_ко.

Рассчитать R₂ из соотношения

,

а затем из уравнения (2) рассчитать R₁.

Задать номинальное значение R₁ и R₂ в соответствии с нормированными значениями этих величин.

9. Произвести расчет и выбор номинальной мощности сопротивлений R_к, R_э, R₁ и R₂ согласно формулам

, ,

, .

Выбрать номинальное значение рассеиваемой мощности резисторов в соответствии с нормированными значениями этих величин.

10. Рассчитать входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых усилительного каскада:

, .

11. Рассчитать величину емкости конденсаторов , и для данной цепи, задавая нижний предел частоты f_н = 20 Гц:

, , .

Задать номинальные значения , и в соответствии с нормированными значениями этих величин.

В) Порядок расчета усилительного каскада с ОК.

Выполнить первые четыре пункта расчета усилительного каскада с ОЭ.

5. На выходных характеристиках транзистора через точку Е_к провести нагрузочную прямую в пределах рабочей области транзистора. Определить точку I_к (точка пересечения нагрузочной прямой с осью коллекторного тока выходных характеристик транзистора).

6. Рассчитать R_э из соотношения .

Задать номинальное значение R_э в соответствии с нормированными значениями этих величин.

7. На нагрузочной прямой задать положение рабочей точки усилительного каскада, определить ее режимы: I_ко, U_кэо, I_бо, U_бэо.

Принимая во внимание , для режимов рабочей точки рассчитать значение ЭДС источника питания Е_к, которое должно незначительно отличаться от заданного значения Е_к в п. 4:

.

8. Рассчитать R_б из уравнения электрического состояния входной цепи по постоянному току:

.

Задать номинальное значение R_б в соответствии с нормированными значениями этих величин.

9. Произвести расчет и выбор номинальной мощности сопротивлений R_б и R_э.

10. Для усилительного каскада с ОК рассчитать коэффициент усиления по напряжению _U из соотношения

.

11. Рассчитать входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых усилительного каскада:

, .

12. Определить коэффициент усиления по току _I:

.

13. Рассчитать величину емкости конденсаторов и и задать их номинальные значения аналогично п. 11 расчета усилительного каскада с ОЭ.