Курсовой расчет / Den / KursovikTTEL-My
.docГосударственный комитет РФ по высшему образованию
Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический
Университет им. В.И. Ульянова (Ленина)
Курсовая работа по дисциплине Твердотельная Электроника на тему:
«ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В
СХЕМЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ»
Студент группы 2211
Захаров Д.В.
Санкт-Петербург
2005г.
Цель работы - изучение и исследование основных параметров биполярного транзистора, определяющих работу линейного усилителя низкой частоты на основе математических моделей и экспериментальных измерений.
Объект работы – биполярный транзистор П306А с p-n-p переходом и линейный усилитель низкой частоты на его основе. Транзистор П-306 А:полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала, состоящий из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n-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. Обычно переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор в обратном. Поэтому источники напряжения должны быть включены следующим образом:
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.
Выданные исходные значения параметров усилителя:
-
Ec,(mV)
8
A
15
Ica, мА
10
Принципиальная схема усилителя:
Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Исследуется схема с общим эмиттером.
назначение элементов схемы: R1, R2 – сопротивления делителя напряжения. Определяются исходя из выбора рабочей точки (создания требуемого напряжения на базе);
RE – резистор, реализующий обратную связь с током;
RC – резистор, используемый для получения выходного напряжения;
RE, RC –сопротивления, определяющие усиление (A=RC/RE);
Се, Са, СЕ – разделительные емкости, служащие для ограничения влияния обратной связи
на переменном сигнале.
Принцип работы:
Прикладывая входное напряжение Uе0,6В, получим коллекторный ток порядка миллиампер.
Полная схема. Упрощенное изображение.
Коэффициент усиления по напряжению: A = Ua/Ue = -S(Rc rCE)
Входное сопротивление rE = rBE ; Выходное сопротивление ra = Rc rCE .
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 UВЕ , но не зависит от UCЕ . Тогда увеличение Ic составит
Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление Rc, то падение напряжения на Rc тоже повышается и выходное напряжение Ua возрастает на величину
Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению-
Расчет положения рабочей точки:
-
Расчет сопротивлений, обеспечивающих положение рабочей точки
Для исследуемых транзисторов типичное значение , тогда:
Ток делителяIR1R2 вычисляется из условия: , где
Значения искомых сопротивлений являются решениями системы уравнений:
т.о. R1=2110 (Om) , R2=289 (Om) .
2). Выбор сопротивлений по таблице номиналов:
R1=2200 (Om)
R2=300 (Om)
2). Проверочный расчет рабочей точки по статическим характеристикам транзистора:
Выходные статические характеристики
|
Iб=0,5 мА |
Iб=0,25 мА |
Iб=0,33 мА |
Uкэ, В |
Iк, мА |
Iк, мА |
Iк, мА |
15 |
6,06 |
2,83 |
3,63 |
10 |
5,78 |
2,70 |
3,50 |
5 |
5,55 |
2,56 |
3,36 |
3 |
5,38 |
2,49 |
3,29 |
1 |
5,16 |
2,39 |
3,19 |
0,5 |
5,02 |
2,35 |
3,15 |
0,25 |
4,39 |
2,26 |
3,06 |
0,15 |
2,32 |
1,48 |
2,28 |
0,08 |
|
0,46 |
1,26 |
т.о.: значение рабочей точки: Uраб=529 (мВ)
Iраб=0,112 (мА)
3).Расчет значений входного-re и выходного-ra сопротивлений усилителя и разделительных емкостей Сe, CE , Ca:
Расчет входного сопротивления по переменному току-:
,где
re=60.032(om)
Расчет выходного сопротивления по переменному току-:
,где дифференциальное выходное сопротивление- при:
rce=70(kOm ) ,тогда:
ra=590,392(Om)
Расчет разделительных емкостей:
частота среза фильтров:
-
Экспериментальная проверка работы усилителя:
Параметры рабочей точки, полученные при эксперименте:
напряжение коллектор-земля
напряжение база-земля
напряжение эммитор-земля
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<3В, это условие определяет линейный режим. Выше 3В – 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.
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. Таким образом, в режиме без обратной связи получили коэффициент нелинейных искажений больше, чем в режиме с обратной связью.
C другой стороны, при использовании обратной связи по току уменьшаются нелинейные искажения. Режим без обратной связи, характеризуется большим коэффициентом усиления и достигается использованием разделительной емкости.
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 сопротивлений номиналам первого класса точности напряжение коллектор-земля, база-земля, эмиттер-земля отличается от рассчитанного значения (соответственно 4,3В; 1,3В; 0,6В), не более чем на 25%. Таким образом, можно сделать вывод, что расчет рабочей точки с определенной долей погрешности рассчитан правильно.
Значение коэффициента усиления А=10 достигнуто в режиме с обратной связью на частотах порядка 0,7-8 кГц, а в режиме без обратной связи на частотах 150-2000 Гц. В режиме с обратной связью амплитудная характеристика линейна.
При анализе статических характеристик транзистора была найдена допустимая амплитуда входного и выходного напряжений: Uвх = 0,25В и Uвых = 2,5В, в пределах которой сигнал не искажается. Эти значения подтвердились при снятии амплитудной и амплитудно-частотной характеристик усилителя. При снятии характеристик на более высоких напряжениях наблюдалось сильное искажение сигнала, что связано с интенсивной рекомбинацией носителей заряда, которая обуславливает область насыщения на статических характеристиках транзистора.
Таким образом, поставленная задача решена – получен и исследован усилитель низкой частоты на основе биполярного транзистора, а также определены его основные параметры.