Курсовой расчет / Mashka / Курсовая работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: изучение и исследование основных параметров биполярного транзистора, определяющих работу линейного усилителя низкой частоты на основе математических моделей и экспериментальных измерений.

Объект исследования: биполярный транзистор П306А с p-n-p переходом и линейный усилитель низкой частоты на его основе.

Транзистор П306А - полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала.

р-п-р- транзистор и его диодная эквивалентная схема.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим п или р- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой В. Два других электрода называются эмиттером Е и коллектором С. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рисунке:

Полярность включения р-п-р- транзистора

Основная особенность транзистора состоит в том, что коллекторный ток Ic является кратным базовому току Iв. Их отношение B = Ic/ Iв называют коэффициентом усиления по току.

Исходные данные:

Ec=12B

A=15

Ic=10mA

Принципиальная схема усилителя:

R1, R2 – делитель напряжения, выбирается исходя из выбора рабочей точки, необходим для создания требуемого напряжения на базе;

RE – резистор, реализующий обратную связь с током;

RC – резистор, используемый для получения выходного напряжения;

RE, RC – связаны зависимостью A=RC/RE;

Се, Са, СЕ – разделительные емкости, ограничивают влияние обратной связи на переменном сигнале.

Линейный усилитель – устройство, в котором осуществляется увеличение амплитуды сигнала низкой частоты за счет энергии вспомогательного источника.

Принцип действия:

Пусть приложено такое входное напряжение Uе0,6В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.

Схема с общим эмиттером. Упрощенное изображение.

Коэффициент усиления по напряжению: A = Ua/Ue = -S(Rc  r_CE)

Входное сопротивление r_E = r_BE;

Выходное сопротивление r_a = Rc  r_CE.

Если входное напряжение повысить на небольшую величину Uе, то коллекторный ток увеличится. Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток Ic зависит только от U_ВЕ , но не зависит от U_CЕ . Тогда увеличение Ic составит:

ΔIc ≈ S·ΔUbe = S·ΔUe

Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление Rc, то падение напряжения на Rc тоже повышается и выходное напряжение Ua возрастает на величину:

ΔUa = - ΔIc·Rc ≈ -S·Rc ·ΔUe

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению:

A = ΔUa/ΔUe ≈ -S·Rc

Расчет рабочей точки:

Транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке Ica, Uca, в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом.

Источник имеет внутреннее сопротивление Rg = 100 Ом. Требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя с отрицательной обратной связью А=15, питающее напряжение Ес = 12 В. Для этих условий коэффициент усиления по току транзистора В =   25 и Ic = 10 мА.

Расчет сопротивлений, обеспечивающих положение рабочей точки:

Для обеспечения наибольшей амплитуды переменного сигнала в классе А оптимальным является выбор рабочей точки из условия, что Uc=Ec/2=6 В.

Тогда, зная Ic и падение напряжения на Rc, можем определить значения сопротивлений Rc и R_E

Rc=Uc/Ic=6В/10мА=600 Ом

R_E=Rc/A=600Ом/15=40 Ом

U_E = R_E Ic=40Ом×10ˉ³=0,4 В

Для используемых транзисторов типичное значение U_BE  0,7 В, отсюда определим

U_B = U_BE + U_{E =} 1,1 В

Ток делителя I_R1R2 вычисляется из условия I_R1R2 > 10I_B; I_B = Ic/_min , отсюда R₁+R₂ = Ec/I_R1R2 , тогда

R₂=(R₁+ R₂) U_B /Ec

R₁ = (R₁+ R₂)- R₂

I_B = Ic/_{min =} 10мА/25=0,0004А=0,4 мА

R₁+R₂ = Ec/I_R1R2 = 12В/4мА=3 кОм

R₂=(R₁+ R₂) U_B /Ec= 275 Ом

R₁ = (R₁+ R₂)- R₂ = 2725 Ом

Значения R по таблице номиналов: R1=2700 Ом и R2=270 Ом

Рассчитаем значения входного r_e и выходного r_a сопротивлений усилителя и разделительных емкостей Сe, C_E , Ca:

r_e = u_e/i_e = r_BE R₁R₂ = 52 Ом,

где г_{BE =}  U_T/Ic= 2526мВ/10мА = 65 Ом

r_a = u_a/i_a = r_CE R_{C =} 22000×600/(22000+600)  584 Ом,

где r_CE = (10-5)В/(5,78-5,55)×10ˉ³ А = 22 кОм

Поскольку схема содержит три фильтра верхних частот, то нужно выбрать частоты среза fg этих фильтров в пределах до f_мин = 20 Гц. Положим, что эти частоты равны; используя формулу для n фильтров с равными частотами среза, найдем

fg ≈ fмин/√n = 20Гц/√3 = 11,5 Гц

С_e = 1/[ 2f_g (R_g + r_e )] = 1/2×3,14×11,5(100+52) = 85 мкФ ≈ 80 мкФ

С_E = S/ 2f_g = I_C / 2f_g U_T = 10мА/2×3,14×11,5×26мВ = 5325 мкФ ≈ 5000 мкФ

С_a = 1/[ 2f_g (R_L + r_a )] = 1/2×3,14×11,5(10000+584) = 1,3 мкФ ≈ 1 мкФ

Искомые параметры:

Uc = 6 В Rc = 600 Ом

U_E = 0,4 В R_E = 40 Ом

U_B = 1,1 В R1=2700 Ом

R2=270 Ом

С_e = 80 мкФ

С_E = 5000 мкФ

С_a = 1 мкФ

Экспериментальная проверка работы усилителя:

Амплитудная характеристика в режиме без обратной связи по току имеет нелинейный характер и большую крутизну (крутизна определяет коэффициент усиления), чем в режиме с обратной связью. Характеристика усилителя с обратной связью практически линейна. Обе зависимости сняты при Uвых<5В, это условие определяет линейный режим. Выше 5В – нелинейный.

Причина нелинейности амплитудной зависимости заключается в нелинейности передаточной характеристики. Если амплитуда входного сигнала не достаточно велика, то из-за нелинейности передаточной характеристики возникают искажения.

Малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на передаточной характеристике, изображенной на рисунке, которая представляет собой зависимость Ic от U_ВЕ ; при этом U_CЕ варьируется как параметр. Известно, что передаточная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции:

Передаточная характеристика транзистора

Мерой искажений служит коэффициент нелинейных искажений

Он определяет отношение усредненной амплитуды высших гармоник к амплитуде первой гармоники на выходе, если на входе в окрестности рабочей точки приложено синусоидальное управляющее напряжение.

Таким образом, в режиме без обратной связи получили коэффициент нелинейных искажений больше, чем в режиме с обратной связью.

Обратная связь вносит отрицательный эффект в усиление сигнала, т.к. уменьшается коэффициент усиления, вследствие того, что часть выходного сигнала подается обратно на вход для противодействия входному сигналу. Но, с другой стороны, при использовании обратной связи по току уменьшаются нелинейные искажения. Режим без обратной связи, характеризуется большим коэффициентом усиления и достигается использованием разделительной емкости.

По АЧХ усилителя видно, что в режиме без обратной связи коэффициент усиления больше, чем в режиме без обратной связи.

Вывод: в работе был исследован биполярный транзистор П306А и линейный усилитель на его основе. Определены параметры рабочей точки, в которой транзистор можно рассматривать как линейный усилитель и осуществлять управление малым сигналом.

Расчет рабочей точки был проверен экспериментально. Выяснено, что при использовании вместо сопротивления R1=270 Ом по номиналу сопротивления 330 Ом, а вместо R2=2700 – 3000 Ом, напряжение коллектор-земля Uc=5.8 В, при этом расчетное Uc=6B, напряжение база-земля Ub=1B, расчетное – 1,1В, напряжение эмиттер-земля Ue=0,3, расчетное – 0,4В . Таким образом, можно сделать вывод, что расчет был совершен практически правильно.

Значение коэффициента усиления А=15 достигнуто в режиме с обратной связью на частотах порядка 1-20 кГц, а в режиме без обратной связи на частотах 200-300 Гц и 100 кГц, в промежутке между этими частотами коэффициент усиления значительно превышает заданный. В режиме с обратной связью амплитудная характеристика линейна.

При анализе статических характеристик транзистора была найдена допустимая амплитуда входного и выходного напряжений: Uвх = 0,16В и

Uвых = 5,5В, в пределах которой сигнал не искажается. Эти значения подтвердились при снятии амплитудной и амплитудно-частотной характеристик усилителя, выходное напряжение ограничено значением 5В, выше которого наступает сильное искажение сигнала. Это объясняется интенсивной рекомбинацией носителей заряда, которая обуславливает область насыщения на статических характеристиках транзистора.

6