Расчет каскада предварительного усилителя

Содержание

Введение………………….................................................................  ......5

1 Назначение элементов и принцип работы усилительного

каскада по схеме с общим эмиттером………………………………   ..7

2. Расчет транзисторного усилителя по схеме с общим эмиттером...    ...14

2.1 Определение типа транзистора.....................................................      ....14

2.2 Определение параметров режима покоя транзистора и

напряжения питания..................................................................  .....      ...15

2.3 Определение режима работы транзистора...............................      .......16

2.4 Определение параметров элементов каскада.........................     ..........20

Заключение.....................................................................................................22

Список использованных источников...........................................................23

Приложение А................................................................................................24

Введение

Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Спектр ее применения простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Электроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информационно-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры.

Важнейшим элементом электроники является транзистор, обладающий свойством усиления электрического сигнала. На транзисторе, в основном, построены все существующие схемы усилителей.

Усилитель – это любое усилительное устройство, включенное между источником сигнала и нагрузкой и предназначенное для усиления мощности, напряжения или тока.

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ;

2) с общим коллектором ОК;

3) с общим эмиттером - ОЭ.

Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко из-за малого входного сопротивления. Эмиттерный повторитель, схема с ОК, обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями. Поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями и датчиками в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором на выходе усилителя. Наибольшее распространение в усилителях получила схема с ОЭ.

1 Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с общим эмиттером

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунке 1, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания , управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает протекание по входной цепи каскада от цепи источника входного сигнала постоянной составляющей тока, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рисунок 1 - Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента усиления по току  транзистора . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока . Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока , а, следовательно, и напряжения .

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор передается на выход каскада - в цепь нагрузки.

Рассмотрим основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические построения проводятся с помощью выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рисунок 2, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада и амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения и тока ), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рисунок 2, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току , представляющую собой геометрические места точек, координаты и которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка ) и режим покоя (точка ) выходной цепи каскада (рисунок 2, а). Для точки ”а” , и для точки ”” , , где выбирают  из условия работы транзистора в режиме отсечки напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки находим значение тока базы , соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки на входной характеристике (рисунок 2, б).

Рисунок 2 – Выходные и входные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ

При определении переменных  составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор шунтируется конденсатором , а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на рисунке 3, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах. Сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов и , включенных параллельно, т. е. ║. Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току больше, чем по переменному току ║.

Рисунок 3 – Схема замещения каскада с ОЭ

Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя (рис. 3, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: .

2 Расчет транзисторного усилителя по схеме с общим эмиттером

2.1 Определение типа транзистора

Выбор транзистора проводим по следующей последовательности:

а). Определяем значение сопротивления .

Задаемся начальным значением , которое обычно принимают для повышения коэффициента усиления большим, чем в раз.

=3*=3*250= 750 Ом

б). Определяем значение сопротивления .

Для обеспечения термостабилизации режима покоя транзистора значение сопротивления должно быть как можно больше. Но его увеличение приводит к уменьшению падения напряжения на сопротивлении , а следовательно к уменьшению коэффициента усиления транзисторного усилителя. Поэтому принято выбирать значение в пределах .

=0,15*= 0,15 * 750=112.5 Ом.

в). Определение предельных параметров транзистора.

Определяем предельно-допустимый ток.

=2*(5,7/250)=2*0,0228=0,0456 А

где – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки;

наибольший допустимый ток коллектора, приводится в справочниках,

- амплитуда выходного напряжения.

Определяем предельно-допустимое напряжение коллектор-эмиттер.

Выбор предельно-допустимого напряжения коллектор-эмиттер производится по напряжению питания усилителя.

.

где –  наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером приводится в справочниках.

Но поскольку напряжение питания нам предстоит еще определить, то воспользуемся приближенной формулой его расчета:

=1+5,7+1,2*0,0456*750=48 В,

=1,2*48=52,8 В.

г). Выбор транзистора.

По [1, 3] выбираем удовлетворяющим значениям Iк доп и тип транзистора. Данным условиям подходит транзистор КТ361К. Параметры данного транзистора приведены в приложении

2.2 Определение параметров режима покоя транзистора и напряжения питания

Приняв сопротивление конденсатора равным нулю, то можно использовать для расчета тока эквивалентную схему замещения рисунок 3.

Определяем амплитуду тока коллектора транзистора:

║,

где ║=750*250/(750+250)=187,5 Ом.

Iкm=5,7/187,5=0,0304 А

Выбираем , где должно превышать область нелинейных искажений в режиме отсечки (на рисунке 2,б - начальный нелинейный участок на входной характеристике).

Iкп=0,0304+0,5=0,0152 А

Напряжение покоя определяем неравенства

,

где напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора.

Uкэп=5,7+2=11,4 В