Московський державний технічний університет ім. Н.Е. Баумана Калузький філія Кафедра «Комп'ютерні системи та мережі» (ЕІУ2-КФ) Пояснювальна записка до курсової роботи за курсом «Електроніка» «Розрахунок підсилювального резистивного каскаду на біполярних транзисторах» Калуга, 2008 Введення Найбільш важливе призначення електронних приладів - посилення електричних сигналів. Пристрої, призначені для виконання цього завдання, називаються електронними підсилювачами. Підсилювач (рис. 1) - це електронний пристрій, що управляє енергією, що надходить від джерела живлення до навантаження. Причому потужність, яка потрібна для управління, як правило, набагато менше потужності, що віддається в навантаження, а форми вхідного (підсилюється) і вихідного (на навантаженні) сигналів збігаються. 5C9C6A1 Рис. 1. Схематичне подання роботи підсилювача Підсилювальні пристрої широко використовуються в автоматики і телемеханіки, в стежать, керуючих і регулюючих системах, лічильно-обчислювальних та обчислювальних машинах, контрольно-вимірювальних приладах, побутової радіоапаратурі і т.д. Найважливішими технічними показниками є: коефіцієнт посилення (по напрузі, струму і потужності), вхідний і вихідний опору, вихідна потужність, діапазон підсилюються частот, частотні, фазові та нелінійні спотворення. Більшість джерел підсилюється сигналу розвивають дуже низька напруга. Подавати його безпосередньо на каскад посилення потужності не має сенсу, тому що при слабкому керуючому напрузі неможливо отримати скільки-небудь значні зміни вихідного струму, а, отже, і вихідний потужності. Тому до складу структурної схеми підсилювача, крім вихідного каскаду, що віддає необхідну потужність корисного сигналу в навантаження, входять попередні каскади посилення. Ці каскади прийнято класифікувати за характером опору навантаження у вихідному ланцюзі транзистора. Найбільше застосування отримали резистивні підсилювальні каскади, опором навантаження яких служить резистор. У каскадах попереднього підсилення на біполярних транзисторах частіше інших використовується схема з загальним емітером (ОЕ), яка володіє високим коефіцієнтом підсилення по напрузі і потужності, порівняно великим вхідним опором і допускає використання одного загального джерела живлення для ланцюгів бази і колектора. Резистивний каскад на біполярному транзисторі Найпростіша схема резистивного підсилювального каскаду з загальним емітером і живленням від одного джерела показана на рис. 2. Вхідний сигнал надходить на базу і змінює її потенціал щодо заземленого емітера. Це призводить до зміни струму бази, а, отже, до зміни струму колектора і напруги на навантажувальному опорі R K. Розділовий конденсатор З p 1 служить для запобігання протікання постійної складової струму бази через джерело вхідного сигналу. З допомогою конденсатора З p 2 на вихід каскаду подається змінна складова напруги U ке змінюється за законом вхідного сигналу, але значно перевищує його за величиною. Важливу роль відіграє резистор R Б в ланцюзі бази, що забезпечує вибір вихідної робочої точки на характеристиках транзистора і визначальний режим роботи каскаду по постійному струму. / Рис. 2. Найпростіша схема резистивного підсилювального каскаду з загальним емітером Для з'ясування ролі резистора R Б звернемося до рис. 3, що ілюструє процес посилення сигналу схемою з загальним емітером. У принципі процес підсилення можна відобразити наступною взаємозв'язком електричних величин. U m ВХ I Б m I К m I К m R К (U m КЕ = E К - I К m R К) = U m ВИХІД Дійсно, розглядаючи спочатку рис. 3, а, а потім рис. 3, б, можна переконатися в тому, що напруга вхідного сигналу з амплітудою (U m ВХ = U БЕ m) синфазно змінює величину струму бази. Ці зміни базового струму викликають в колекторному ланцюзі пропорційні зміни струму колектора і напруги на колекторі, причому амплітуда колекторного напруги (з урахуванням масштабу по осі абсцис) виявляється значно більше амплітуди напруги на базі. Слід звернути увагу на те, що напруги сигналу на вході і на виході каскаду зрушені між собою по фазі на 180 °, тобто знаходяться в протифазі. Це означає, що даний каскад, не порушуючи закон зміни сигналу (у нашому окремому випадку сигнал змінюється за синусоїдальним законом), в той же час повертає його фазу на 180 °. / Рис. 3. Графічне пояснення процесу посилення сигналу схемою з загальним емітером Для отримання найменших спотворень підсилюється сигналу робочу точку (точку спокою) П слід розташовувати в середині відрізка АВ навантажувальної прямої, побудованої в сімействі вихідних характеристик транзистора (режим посилення класу А). З рис. 3, б видно, що положення робочої точки П відповідає току зміщення в ланцюзі бази I БП. Для отримання обраного режиму необхідно в підсилювачі забезпечити необхідну величину струму зміщення в ланцюзі бази. Для цього і служить резистор R Б у схемі рис. 2. Схема, наведена на рис. 2, отримала назву схеми з фіксованим базовим струмом. Зсув фіксованим струмом бази відрізняється мінімальним числом деталей і малим споживанням струму від джерела живлення. Крім того, порівняно великий опір резистора R Б (десятки кОм) практично не впливає на величину вхідного опору каскаду. Однак цей спосіб усунення придатний лише тоді, коли каскад працює при малих коливаннях температури транзистора. Крім того, великий розкид і нестабільність параметра ? навіть у однотипних транзисторів роблять режим роботи каскаду дуже нестійким при зміні транзистора, а також з плином часу. Більш ефективною є схема з фіксованою напругою зсуву на базі (рис. 4). У цій схемі резистори R 'Б і R "Б, підключені паралельно джерелу живлення Е К , Складають дільник напруги. При цьому підвищується стабільність режиму роботи схеми, тому що зміни струму в ланцюгах емітера і колектора транзистора незначно впливають на величину напруги зсуву. / Рис. 4. Схема резистивного каскаду з фіксованою напругою зміщення Опір R "Б дільника включено паралельно вхідному опору транзистора. Крім того, нехтуючи малим внутрішнім опором джерела живлення, можна вважати, що R 'Б і R" Б включені паралельно один одному. Тому дільник, утворений резисторами R 'Б і R "Б повинен мати досить великим опором (порядку декількох кОм). В іншому випадку вхідний опір каскаду виявиться неприпустимо малим. При побудові схем транзисторних підсилювачів доводиться вживати заходів для стабілізації положення робочої точки на характеристиках. Основний дестабілізуючий фактор, який порушує стійку роботу транзисторної схеми, - вплив температури. Існують різні способи термостабілізації режиму роботи транзисторних каскадів. Найбільшого поширення отримала схема термостабілізації режиму, наведена на рис. 5. У цій схемі назустріч фіксованому прямому напрузі зсуву, снимаемому з резистора R "Б, включено напругу, що виникає на резисторі R Е при проходженні через нього струму емітера. Нехай з якої-небудь причини, наприклад при збільшенні температури, постійна складова колекторного струму зростає. Так як I Е = I К + I Б, то збільшення струму I К призведе до збільшення струму емітера I Е і падіння напруги на резисторі R Е. В результаті напруга між емітером і базою U БЕ зменшиться, що призведе до зменшення струму бази I Б, а отже, і струму I К. Навпаки, якщо з якої-небудь причини колекторний струм зменшиться, то зменшиться і напруга на резисторі R Е, а пряме напруга U БЕ зросте. При цьому збільшиться струм бази і струм колектора. / Рис. 5. Схема резистивного каскаду з фіксованою напругою зміщення У більшості випадків резистор R Е шунтується конденсатором C Е досить великої ємності (порядку десятків мікрофарад). Це робиться для відводу змінної складової струму емітера від резистора R Е. Вихідні дані для проектування підсилювача Смуга робочих частот /f = f У - F Н, де f В - верхня частота (кГц) f Н - нижня частота (Гц). Коефіцієнт частотних спотворень на нижній і верхній частотах смуги пропускання, М Н і М В, відповідно (дБ). Максимальне діюче значення напруги вихідного сигналу на навантаженні, U ВИХІД (В). Опір навантаження R Н (Ом). Вихідна (внутрішні) опір генератора (джерела e Г) підсилюються сигналів, R Г (ОМ). Робочий температурний діапазон, t 0 C. Коефіцієнт згладжування фільтру, q. Тип провідності біполярного транзистора (p - n - p або n - p - n). Вимоги Вибрати транзистор і обгрунтувати вибір. Визначити значення напруги і полярність джерела харчування E К. Розрахувати: - Опору та потужності резисторів R К, R Е, R 1, R 2, R Ф; - Ємності конденсаторів C 1, C 2, C Е, C Ф. 4. Визначити параметри підсилювача: - Коефіцієнт підсилення по струму До I ; - Коефіцієнт посилення по напрузі До U; - Коефіцієнт підсилення по потужності До P ; - Вхідний опір каскаду R ВХ; - Вихідний опір каскаду R ВИХІД. 5. Визначити коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача (розрахувати К Г). 6. Оформити принципову електричну схему підсилювача (ЕЗ) і перелік елементів до неї (ПЕЗ) у відповідність до ЄСКД. Порядок розрахунку / Рис. 6. Схема резистивного каскаду підсилювача Для виданого варіанта завдання розрахувати резистивний каскад підсилювача (рис. 6) на біполярному транзисторі із заданим типом провідності (p - n - p або n - p - n), включеним по схемі з загальним емітером, мають еміттерную стабілізацію точки спокою, що працює в режимі посилення класу А і має згладжує фільтр по ланцюгу живлення елементів зсуву (завдання) робочої точки. Вихідні дані наведені в таблиці 1. Тип транзистора pnp
Навантаження 25 0 [Ом] R н
Опір генератора 120 [Ом] R р
Нижня частота посилення 40 [Гц] f н
Верхня частота посилення 82 00 [Гц] f в
Мінімальна температура навколишнього середовища - 5 ? ?? С] t хв
Максимальна температура навколишнього середовища +5 0 ? ?? С] t макс
Вихідний сигнал 8 [В] U вих
Коефіцієнт згладжування фільтру 7
q
Коефіцієнт частотних спотворень 3 [ДБ] М н
Коефіцієнт частотних спотворень 4 [ДБ] М в
1.Расчет підсилювального каскаду 1. Амплітудне значення U ВИХІД m змінної складової напруги вихідного сигналу на навантаженні: U ВИХІД m = /* U ВИХІД = /; 2. Опір резистора R До вибирається попередньо зі співвідношення: R К = (3 /5) * R Н == 1100 (Ом); Приймаються стандартне значення R К = 1100 (Ом). 3. Визначається опір навантаження R Н /по перемінної складової підсилюється сигналу: R Н * = R До | | R Н = /= / 4. Амплітудне значення змінної складової струму I К m через транзистор: I К m = /= /; 5. Для забезпечення виконання вимог I .1 і I .4 при роботі підсилювача в класі А, необхідне виконання наступних умов: U До max Е /2,5 * U ВИХІД m = 2,5 * 11,314 = 28.284 (В) ; I К max Е /3 * I К m = 3 * 0,056 = 0,167 (А); P До max Е /6,25 * U ВИХІД m * I К m = 6,25 * 11,314 * 0,056 = 3,927 (Вт), де U До max Е = 28,284 (В), I К max Е = 0,167 (А), P До max Е = 3,927 (Вт) - максимальні значення напруги, струму та потужності, які повинен забезпечувати транзистор VT. 6. Вибір транзистора VT має здійснюватися з урахуванням коефіцієнта навантаження (70%) за названими вище параметрами, тому транзистор VT вибирається за такими критеріями: /= /; /= /; /= /. U До Е max = 40,406 (В) I К max = 0,238 (А) P До max = 7,855 (Вт) На підставі отриманих даних вибираємо транзистор для максимальної температури з зазначеного діапазону. Транзистор КТ820А найбільш підходить, за характеристиками отриманих даних. U До Е max = 50 (В), I К max = 0,5 (А), P До max = 10 (Вт), h 21Е (?) = 40. Проведемо перевірку виконання умови: M в = 10 0,05 * 4 = 1,585 /= /= 6669 (Гц), де /- Верхня гранична частота транзистора (мінімальне її значення). 7. На вихідних характеристиках I К = f (U До Е) транзистора будується лінія навантаження по двох точках: I К = 0; U КЕ = E К = U До max Е = 28,284 (В) (Режим холостого ходу); U К = 0; I К = I К max Е = 0,167 (А) (Режим короткого замикання); 8. Вибір точки П спокою (при роботі підсилювача в режимі класу А) здійснюватися в середині відрізка АВ. Перпендикуляри, опущені на осі U До Е і I К з точки П, дадуть значення I К П = 0,084 (А) і U До Е П = 14,142 (В) , Одночасно визначається і значення I Б П = 0,002 (А). 9. На вхідних ВАХ - I Б = f (U Б Е) при I Б = I БП = 0,002 (А) і U До Е /0, визначається U Б Е П = 0,64 (В) 10. Опору резисторів у ланцюгах колектора R К і емітера R Е обчислюються виходячи з того, що: /= /, при цьому слід врахувати рекомендацію: / R K = (5ч7) * R Е; R Е = 22 (Ом), R K = 150 (Ом) 11. З аналізу схеми підсилювача, можна отримати співвідношення для розрахунку опорів резисторів R 1, R 2 і R Ф; / / / де: U БП = U БЕП + U ЕП = U БЕП + I ЕП · R Е = 0,64 +0,084 * 22 = 2,477 (В); I ЕП = I КП = 0,084 (А); U Ф = (0,1 ч0, 2) E К = 0,15 * 28,284 = 4,243 (В); I Д - струм дільника: I Д = (5Ч10) I БП = 10 * 0,002 = 0,02 (А) r ВХ - вхідний опір транзистора по змінному струмі; r ВХ = /; ? U БЕ = 0,06 (В) і ? I Б = 0,0005 (А) - визначаються за вхідною характеристиці. При визначенні r ВХ за вхідними характеристиками транзистора збільшення ? U і ?I знаходять на ділянці ВАХ I Б = f (U БЕ) при U КЕ ? 0, прилеглим до точки спокою П (в околиці точки спокою П). Для перевірки правильності розрахунків обчислюють значення еквівалентного опору R ЕКВ в ланцюзі бази транзистора: /= /= 310 (Ом) Необхідно, щоб виконувалась умова: R ЕКВ = (2ч5) · r ВХ.; R ЕКВ = 2,58 * r ВХ = 2,58 * 120 = 310 (Ом) 12. Ємність конденсатора С Е розраховується виходячи з того, що для нижньої частоти f Н смуги пропускання X СЕ ? 0,1 R Е, звідки: /= /= 2000 мкФ 13. Вхідний опір підсилювального каскаду визначається: /= / 14. Ємності конденсаторів З 1 і С 2 визначаються: /= / /= / 15. Ємність конденсатора С Ф вибирають такий, щоб на частоті f = 50Гц промислової мережі виконувалася умова: X СФ <<R Ф. Можна прийняти, що X СФ = 0,1 R Ф, тоді /звідки //= / де f = 50Гц, але це без урахування коефіцієнта згладжування q. 16. Розрахунок З Ф з урахуванням коефіцієнта згладжування q: а). Визначаємо навантаження фільтра: /= / б). Визначаємо коефіцієнт K Ф: /= / в). Значення ємності С Ф з урахуванням коефіцієнта згладжування q буде: /= /, Де f = 50Гц. 17. Коефіцієнт посилення по напрузі буде: /= /, де R Н ~ = /= / ? t o C = 40 - вибирається при мінімальній температурі з зазначеного діапазону. 18. Коефіцієнт посилення по струму буде: /= / 19. Коефіцієнт підсилення по потужності: К Р = К I · K U = 15 * 33,33 = 500 20. Вихідний опір: R ВИХІД ? R К = 150 (Ом). 2. Визначення коефіцієнта нелінійних спотворень підсилювача (КНІ) 1. КНІ оцінюється за коефіцієнтом гармонік (К Г), розрахунок якого проводиться після розробки та визначення параметрів елементів схеми підсилювального каскаду. Якщо відомо внутрішній опір генератора (джерела) підсилюються сигналів (що є в нашому випадку заданим, опір R Г), можна розраховувати К Г методом п'яти ординат із наскрізний динамічної характеристиці, побудованій для відомого значення R Г. 2. Для побудови наскрізної динамічної характеристики використовують навантажувальну пряму змінного струму (на вихідних статичних характеристиках) і вхідну характеристику транзистора. На відрізку АВ навантажувальної прямої визначають граничні точки 1 і 5, які знаходяться на проекції амплітудних значень струму колектора I до m (+ I до m і - I до m) або амплітудних значень змінної складової напруги (+ U вих m і - U вих m ). Решта точки (2ч4) визначаються як результат перетину навантажувальної прямої зі статичними вихідними характеристиками (відповідних конкретних базовим струмів). Для кожної точки (1ч5) знаходять значення струму колектора (i К1 год i К5). Далі визначають амплітуди змінних складових струму і напруги вхідного сигналу. Для цього на вхідні статичну характеристику транзистора [i Б = f (U БЕ)], включеного за схемою з ОЕ, переносять точки перетину навантажувальної прямої зі статичними вихідними характеристиками транзистора (отримують точки 1'ч5 '). Опустивши перпендикуляри з точок 1'ч5 'на горизонтальну вісь (U БЕ) визначають амплітуди змінних складових напруги вхідного сигналу (U БЕ1 год U БЕ5). Потім, для кожної з цих точок обчислюють е.р.с. джерела (генератора) підсилюються сигналів за формулою: e Г = U БЕ + i Б · R Г; = (U ВХ) (i ВХ) і результати обчислень зводять у таблицю, щоб отримати координати точок (1 "Ч7") для побудови наскрізної динамічної характеристики. № точки i К (i ВИХІД), мА I Б (i ВХ), мА U БЕ (U ВХ), В e Г = U БЕ + i Б · R Г, В
1 " i До 1 = 140 i Б 1 (i Б max) = 3,5 U БЕ 1 (U ВХ max) = 0,73 e Г1 (max) = 1,15
2 " i К 2 = 120
i Б 2 = 3 U БЕ 2 = 0,7 e Г 2 = 1,06
3 "(П) i К 3 = 84 i Б 3 = 2,1 U БЕ 3 = 0,64 e Г 3 = 0,892
4 " i До 4 = 60 i Б 4 = 1,5 U БЕ 4 = 0,55 e Г 4 = 0,73
5 " i До 5 = 28 i Б5 = 0,7 U БЕ5 = 0,4 e Г5 = 0,484
e Г1 (max) = 1,2 +54 * 55 * 10 -3 = 1,15 (В) e Г2 = 1,1 +40 * 55 * 10 -3 = 1,06 (В) e Г3 = 1 +32 * 55 * 10 -3 = 0.892 (В) e Г4 = 0,85 +20 * 55 * 10 -3 = 0.73 (В) e Г5 (min) = 0.7 +10 * 55 * 10 -3 = 0.484 (В) 3. За даними таблиці будується наскрізна динамічна характеристика: i К = f (e Г). Як правило, отримана характеристика має злегка виражений S-подібний характер. 4. При розрахунку коефіцієнта гармонік (К Г) використовуємо найбільш поширений метод п'яти ординат (або метод Клину). 5. При реалізації цього методу за допомогою наскрізної динамічної характеристики визначають деякі значення струму колектора (I min, I 2, I 0, I 1, I max), які використовують при розрахунку коефіцієнта гармонік. (Повторюємо графік наскрізний динамічної характеристики) На наскрізний динамічної характеристиці відзначаємо дві точки, відповідні max і min (i К1 і i К5) вихідного струму (струму колектора - I max і I min) і проектуємо їх на горизонтальну вісь (відрізок a д). Потім цей відрізок ділимо на чотири рівні частини (аб = бв = вг = гд) і знаходимо за графіком значення струмів I 1 = 138 (мА), I 0 = 97 (мА), I 2 = 52 (мА). 6. За методом Клину коефіцієнт гармонік однотактного каскаду, що працює в режимі А, визначається за формулою: /= / де I 1 m, I 2 m, I 3 m, I 4 m - перша, друга, третя і четверта, відповідно, гармоніки вихідного сигналу. 7. Гармоніки вихідного сигналу, у свою чергу, розраховуються за такими формулами: /= / /= / /= / /= = / 8. Середнє значення струму може бути визначено: /= / 9. Правильність обчислень знайдених струмів можна перевірити за формулою: I 1m + I 2m + I 3m + I 4m + I ср = I max. I max = 140 (мА) I 1m + I 2m + I 3m + I 4m + I ср = 59 + (-3) + (-3,3) +2,3 +85 = 140 (мА) 10. Коефіцієнт гармонік К Г, отриманий за формулою у п.2.6 виражають у%. При цьому значення К Г, як правило, не повинні перевищувати (3ч5)%. К Г = 8,5% Приведём в соответствие позиционные обозначения элементов в расчетах ПЭЗ: Обозначение в ПЭЗ Обозначение в расчетах
