Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КП по курсу "Электротехника и электроника", вариант 22, группа 232, Шлыкова М.В.
В настоящее время в современной радиоэлектронной аппаратуре очень широко применяются усилители. Усилитель - это устройство, которое осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Усилительным транзисторным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя.
В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора [1]:
По способности усиливать постоянные и переменные сигналы:
По виду сигналов, для которых предназначен усилитель:
По диапазону частот, на которые рассчитан усилитель:
По усиливаемому электрическому показателю:
По соответствию вида амплитудно-частотной характеристики полосе частот рабочего сигнала:
По форме амплитудно-частотной характеристики:
Существует понятие коэффициента передачи усилителя - это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. Различают [2]:
Параметры усилителя
- напряжение питание ;
- коэффициент усиления по напряжению каскада ;
- нижняя граничная частота АЧХ ;
- верхняя граничная частота
- входное сопротивление ;
- сопротивление нагрузки
- емкость нагрузки
Необходимо произвести расчет усилителя и сравнить полученные параметры с исходными.
В своей книге [3], Королев подробно рассмотрел расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе со схожими параметрами. Следовательно, можно сказать, что данный усилитель на биполярном транзисторе с указанными параметрами можно разработать.
2. Расчет принципиальной схемы
2.1. Выбор транзистора и элементной базы
Чтоб техника работала максимально долго, максимальное напряжение коллектор-эмиттер должно быть взято с запасом из условия , чтобы не допускать работы транзистора в предельном режиме. По заданию , поэтому должно быть не менее 18 В.
По заданию верхняя граничная частота не должна быть меньше 180 кГц. Чтоб считать транзистор частотно-независимым, нужно чтоб его граничная частота превышала данное значение. Это позволит нам упростить расчет АЧХ.
Транзистор КТ201А имеет следующие параметры [4]:
Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (ОЭ): ;
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ: не менее 10 МГц;
Максимальный постоянный ток коллектора: ;
Максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер: ;
Максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора:
Диапазон допустимой температуры окружающей среды: Т= –60÷125 ˚С.
Для реализации КР был выбран транзистор КТ201А.Он максимально соответствует данным параметрам. КТ201А - отечественный биполярный транзистор малой мощности с n-p-n структурой. Выпускают его обычно в пластмассовом корпусе с гибкими выводами и предназначен он для применения в усилителях низкой частоты.
2.2. Расчет статического режима работы биполярного транзистора по постоянному току (расчет рабочей точки)
Лучшими характеристиками обладает схема формирования рабочей точки транзистора с помощью Н смещения. В основе расчета этой схемы лежит условие, что ток через делитель напряжения и должен быть значительно больше, чем ток базы, ответвляющийся в базовую цепь. Рабочая точка задается током коллектора транзистора или сопротивлением в цепи коллектора .
Зададим , при условии, что рабочая точка расположена в середине нагрузочной прямой. Выражаем из формулы ,
Рисунок 1 - Схема формирования РТ
получаем: . Округляем резистор до значения соответствующего ряду Е96. Выбираем .
Найдем ,исходя из формулы для коэффициента усиления каскада: .
Получаем . Округлим до значения соответствующего ряду Е96. Выбираем Ом
Рассчитаем ток базы:
,
где - коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ.
Для задания рабочей точки транзистора необходимо зафиксировать напряжение на базе с помощью делителя напряжения. Исходя из условия, что
ток через делитель напряжения должен быть значительно больше, чем ток базы, возьмем ток делителя в 10 раз больше тока базы, т. е.
.
Рассчитаем напряжение на базе транзистора по формуле:
.
В.
Найдем сопротивление резисторов и делителя напряжения.
Теперь заменим делитель напряжения и внутренним сопротивлением и источником напряжения .
Рисунок 2 - Схема после замены
Рассчитаем по формуле
.
Затем рассчитаем коэффициент нестабильности схемы с Н смещением:
2.3 Расчет транзисторного каскада на переменном сигнале.
Рассчитаем входное сопротивление по формуле :
Обычно сопротивление резисторов и таковы, что токами и можно пренебречь, тогда . Входное напряжение складывается из падений напряжений на сопротивлениях и и определяется выражением , т.к. через сопротивление протекает ток , а через – сумма токов ,и не шунтирован конденсатором большой емкости , то получается и тогда формула для входного сопротивления примет вид:
Возьмем , для расчета необходимо найти
А.
Следовательно,
найдем, исходя из формулы,
Рассчитаем верхнюю граничную частоту.
Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 3.8 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора. Коллектор обладает очень большим сопротивлением по сравнению с эмиттером, поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которого составляет 3.8 кОм.
Для нормальной работы усилительного каскада на переменном сигнале используем разделительные конденсаторы, они осуществляют развязку каскада по постоянному току генератора входящего сигнала и нагрузки , т.к. не пропускают постоянную составляющую любого сигнала и образуют тем самым фильтры верхних частот.
Входной фильтр образуется разделительным конденсатором и выходным сопротивлением каскада.
.
Выходной фильтр образуется разделительным конденсатором и входным сопротивлением нагрузки.
.
Они имеют свои граничные частоты
(1)
(2)
Емкости С1 и С2 выбирают такими, что на частоте переменной составляющей их сопротивлением можно было пренебречь. Поскольку фильтры фактически подключены последовательно, то общую частоту среза можно найти по формуле
и , то =
Получается, что
Рассчитаем ёмкости разделительных конденсаторов.
Входное сопротивление транзистора на переменном сигнале:
Коэффициент усиления по напряжению
, знак «-» означает, что фаза входного сигнала на выходе усилителя изменяется на противоположную (180°)
Все рассчитанные параметры удовлетворяют параметрам, заданным в техническом задании. Следовательно, правильная работа усилительного каскада обеспечена.
3. Теоретически рассчитанная АЧХ:
2.4. Анализ каскада в схемотехнической САПР.
Рисунок 3 – Схема усилительного каскада, построенная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
Рисунок 4 - Эпюра напряжения на входе усилительного каскада, полученная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
На рисунке 4 изображен сформированный на входе усилителя входной сигнал амплитудой 283 мВ.
Рисунок 5 - Эпюра напряжения на коллекторе транзистора усилительного каскада, полученная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
На рисунке 5 изображен сформированный усилителем синусоидальный сигнал с постоянной составляющей 7 В. Это соответствует, примерно, половине нагрузочной прямой для напряжения питания .
Рисунок 6 - Эпюра напряжения на выходе усилительного каскада, полученная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
На рисунке 6 изображен выходной синусоидальный сигнал с амплитудой 6 В, но без постоянной составляющей, так как она убирается разделительным конденсатором С2.
По соотношению амплитуд выходного и входного сигнала можно определить коэффициент усиления каскада
Рисунок 7 - АЧХ усилительного каскада, полученная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
Из графика видно что нижняя граничная частота , а верхняя граничная частота .
Рисунок 8 – Фаза выходного напряжения усилительного каскада, полученная в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
Рисунок 9 – График зависимости сопротивления от частоты, полученный в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation.
Полученные характеристики показывают, что усилительный каскад выполняет свои функции и имеет типичную АЧХ
Таким образом, полученные в схемотехнической САПР MicroCAP10 Evaluation характеристики показывают работоспособность усилительного каскада на биполярном транзисторе КТ201А.
4. Заключение
|
Заданные параметры |
Теоретически рассчитанные параметры |
Параметры полученные в MicroCAP |
|
|
, дБ |
26 |
22.4 |
22.2 |
|
, Ом |
1500 |
1464 |
1682 |
|
, кГц |
280 |
998 |
932 |
|
, Гц |
70 |
70 |
61 |
Полученные параметры практически совпадают с заданными параметрами. Анализ усилительного каскада на биполярном n-p-n транзисторе в схемотехнической САПР показывает его работоспособность. Следовательно все параметры рассчитаны верно. И можно сделать вывод, что разработанный усилитель с допустимой погрешностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.
5. Список используемой литературы:
6. Содержание
транзистора по постоянному току (расчет рабочей точки)