Физические основы электроники методические указания к выполнению домашнего задания на тему: «Расчет резисторных каскадов предварительного усиления на биполярных транзисторах с общим эмиттером» для студентов специальности 140604 – Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов (для всех форм обучения) (стр. 3 )

Если расчет каскада по переменному току производить в области средних частот, то зависимость параметров от частоты не учитывается, а сопротивление этих конденсаторов в схеме практически равно нулю, и на схеме (рис.3) они не показаны. В области высоких частот сопротивления конденсаторов тем более можно считать равным нулю. Сопротивление источника питания по переменному току равно нулю, поэтому верхний вывод резистора R1 связан на схеме замещения через сопротивление фильтра RФ (на схеме также не показано) с выводом эмиттера.

При расчетах входной сигнал принимается синусоидальным. Токи и напряжения в схеме характеризуются их действующими значениями, связанными с амплитудными значениями коэффициентом 1/Ö2.

Основными рассчитываемыми параметрами усилительного каскада с общим эмиттером являются:

RВХ – входное сопротивление каскада;

KI – коэффициент усиления по току;

КU – коэффициент усиления по напяржению;

КР – коэффициент усиления по мощности;

RВЫХ – выходное сопротивление каскада.

Если расчет каскада по переменному току производить в области низких частот, то величины сопротивлений емкостей приходится учитывать.

Ниже приводится методика расчета конденсаторов на низких частотах и параметров каскада на средних частотах частотного диапазона транзистора.

3.2.2.1 Вычисление h-параметров транзистора

В справочниках на конкретный тип транзистора чаще не приводятся все h-параметры за исключением коэффициента передачи тока h21Э. Однако приводятся входные и выходные характеристики транзистора. По ним могут быть вычислены все h-параметры транзистора так, как это показано в ниже следующем примере.

Если же в справочниках какая либо характеристика не приводится, то величины h-параметров можно приближенно выбрать из диапазона значений параметров отечественных биполярных транзисторов, приводимых в табл.6

Таблица 6

Параметры	Тип транзистора
Мало-мощный	Средней мощности	Большой мощности	Транзис- торные сборки
UКЭMAX, B	5-25	25-100	50-1000
PK MAX, Bт	0,01-0,3	0,3-3,0	3,0-100
IK MAX, A	0,01-0,1	0,05-0,5	0,5-10	10-500
FГР, МГц	1,0-8000	1,0-1000	0,5-300	0,1-3,0
СКБ, пФ	1-10	5-100	10-1000
h11Э, Ом			50-500	0,5-50
h 21Э.	20-200	20-200	20-200	20-2000
h 22Э, См
h 12Э.	Принимает значения от 0,002 до 0,0002

Вычислим h-параметры транзистора КТ312Б по его приводимым в справочнике входным и выходным ВАХ.

а) Входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении

UКЭ = UКП = 10В

находится по входной характеристике так, как это показано в пункте 3.2.1.11-а.

Входное сопротивление транзистора не соответствует числовому диапазону, указанному в табл.6, т. к. оно было вычислено на нелинейном участке ВАХ.

б) Коэффициент обратной связи транзистора по напряжению при неизменном входном токе

IБ = const

определяется по двум входным характеристикам (рис.4.). Примем

IБ = IБП = 0,22 мА

и характеристики:

первая: IБ = f (UБЭ) при UКЭ=10В,

вторая: IБ = f (UБЭ) при UКЭ=0В.

Получим:

Для выбранного типа транзистора параметр h12Э отличается от указанных в табл.6 значений в сторону увеличения. Этот факт указывает на погрешности графических построений. Его значения изменяются от 0,002 до 0,0002. Как показывает анализ устройств на транзисторах, в большинстве практических расчетов этим коэффициентом можно пренебречь или принять величиной из указанного диапазона.

в) Коэффициент передачи (усиления) тока транзистора при неизменном выходном напряжении UКЭ=const находится по двум выходным характеристикам (рис.6-а). Примем

UКЭ =UКП = 10В

и две характеристики:

первая: IК = f (UКЭ) при IБ = 0,3 мА;

вторая: IK = f (UКЭ) при IБ = 0,2 мА.

Тогда получим:

Полученный коэффициент действительно принадлежит указанному в справочнике интервалу изменения параметра h21Э = h21Б = 25….100.

г) Выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе IБ =const находится по одной выходной характеристике.

Примем

IБ » IБП = 0,2 мА

и выходную характеристику

IК = f (UКЭ) при IБ = 0,2 мА.

Тогда для двух произвольно выбранных точек на этой характеристике в рабочей области получим:

3.2.2.2 Емкость конденсатора СЭ применяют для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей. Емкость рассчитывается для низкой частоты fН полосы пропускания из условия:

Отсюда

Вычислим СЭ :

3.2.2.3 Входное сопротивление усилителя (каскада)

Его находят из параллельного соединения сопротивлений R2, R1+RФ и rВХ входной цепи транзистора:

RВХ = R2 || ( R1+RФ ) || rВХ = RЭКВ || h11Э ;

Вычислим входное сопротивление каскада.

3.2.2.4 Емкость конденсатора С1

Электрическая цепь, образованная конденсатором связи С1, последовательно включенного входу и RЭКВ||rВХ, представляет собой дифференцирующую цепь, обладающую свойствами фильтра верхних частот. Поэтому значение С1 определяется из допустимого спада АЧХ цепи на низкой fН частоте (рис.7), т. к. на высокой частоте частотные искажения для рассчитанного конденсатора С1 уменьшаются, т. к. его сопротивление становится малым. На рис.7 использованы следующие обозначения: КН, КС, КВ – модули коэффициентов усиления соответственно на низких, средних и высоких частотах, которые вычисляются по формулам:

 

где RВН – внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала,

где tН = С1RВХ – постоянная времени входной цепи,

wН, wВ – круговые нижняя и верхняя частоты;

К/КС – частотнозависимый относительный коэффициент усиления.

Величина обратная частотнозависимому относительному коэффициенту усиления называется коэффициентом частотных искажений (М). Различают:

М = КС/К – коэффициент частотных искажений на средних частотах,

МН = КС/КН – коэффициент частотных искажений на низких частотах,

МВ = КС/КВ – коэффициент частотных искажений на высоких частотах.

Для нижних частот

Здесь: 1) МН задается, а если не задается, то согласно понятию полосы пропускания коэффициент частотных искажений принимает значение:

2) нижнее значение рабочего частотного диапазона:

wH = 2pfH

должно быть задано;

3)  постоянная времени цепи обратной связи каскада на низкой частоте

tН = С1(RЭКВ || rВХ) = С1RВХ.

Из выражения (33) получим

Отсюда

Примем стандартное значение емкости

С1 = 36 мкФ.

3.2.2.5 Емкость конденсатора С2

Конденсатор связи С2 разряжается и заряжается переменной составляющей тока по цепи с сопротивлениями RК и RН, поэтому постоянная времени на нижних частотах

tН = С2(RK + RH).

Коэффициент частотных искажений на нижней частоте

Отсюда

Вычислим С2

3.2.2.6 Расчет фильтра

В случае применения в качестве источника питания выпрямителя применен Г-образный RC-фильтр с элементами RФ и СФ. Нагрузкой фильтра является делитель напряжения R1R2, у которого резистор R2 шунтируется входной цепью каскада. В качестве нагрузки следует рассматривать

Если рассматривать значение RФ из соотношения

где КФ =0,5 … 0,9, то падение напряжения по постоянной составляющей на резисторе RФ будет минимальным. Доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на резисторе RФ значительно уменьшается. Емкость СФ выбирают такой, чтобы выполнялось следующее условие на промышленной (f = 50Гц) частоте

.

Отсюда

Коэффициент сглаживания

С учетом коэффициента сглаживания

Рассчитаем емкость конденсатора СФ фильтра.

а) Нагрузка фильтра

б) Вспомогательный коэффициент соотношений сопротивлений

Полученное значение КФ принадлежит рекомендованному диапазону значений.

в) Емкость конденсатора СФ фильтра вычислим по формуле (35)

Примем стандартное значение емкости конденсатора

СФ = 15мкФ.

3.2.2.7 Параметры каскада.

Используя эквивалентную схему усилительного каскада с общим эмиттером (рис.3), вычислим следующие основные параметры усилительного каскада: RВХ, KI, KU, KP, RВЫХ.

Формулы, по которым производятся вычисления приводятся в ниже приводимых иллюстрирующих примерах.

а) Входное сопротивление каскада вычислено в пункте 3.2.2.3.

RВХ = 346 Ом.

б) Коэффициент усиления по току.

Обычно у резистивных каскадов с ОЭ выполняется условие

КI ≥ 0,8h21Э.

Это условие действительно выполняется при точном следующем расчете

в) Коэффициент усиления по напряжению.

Для биполярных транзисторов должно выполняться неравенство

h11>>RHhЭ,

где hЭ = h11Эh22Э – h21Эh12Э.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению

Знак минус указывает, что выходное напряжение относительно входного напряжения повернуто на 180 градусов. В расчетах знак минус не учитывается.

г) Коэффициент мощности.

Kp = KI KU = 30 × 58 = 1740

д) Выходное сопротивление каскада

4. Требования к оформлению

Материал выполненного задания располагается в следующем последовательности:

·  титульный лист

·  содержание задания с исходными данными

·  содержание, включающее основные и промежуточные результаты расчетов, разделенные на разделы и подразделы

·  графики и схемы в соответствии с последовательностью пунктов задания

·  выводы

Контрольные вопросы

1. Какие исходные данные могут быть использованы для расчета резистивных каскадов усилителей?

2. Условия, предъявляемые к параметрам режима покоя для резистивного усилительного каскада на биполярном транзисторе, работающего в линейном режиме.

3. Из каких соображений выбираются ток через коллектор транзистора и напряжение на нем, чтобы обеспечить максимально возможную мощность усиливаемого сигнала каскадом усилителя.

4. Привести численные значения обратных токов коллекторов для германиевых и кремниевых биполярных транзисторов.

5. Требование, предъявляемое напряжениям на коллекторе, соответствующим области нелинейных участков выходных ВАХ транзисторов.

6. Привести приближенные допустимые эксплуатационные данные, предъявляемые к транзистору, относительно амплитудных значений усиленного сигнала.

7. Расшифровать буквенно-цифровые коды биполярных транзисторов:

7.1. КТ104А….КТ104Г

7.2. ГТ109А….ГТ109И. Все ли буквы алфавита от А до И используются здесь в шестом элементе кода?

7.3. ГТ115А….ГТ115Д.

7.4. КТ117А….КТ117Г, 2Т117А….2Т117Г.

7.5. КТ118Б, 2Т118А….2Т118В.

7.6. КТ201А….КТ201Д.

7.7. КТ208А….КТ208М. Все ли буквы алфавита от А до М используются здесь в шестом элементе кода?

7.8. ГТ305А….ГТ305В.

7.9. КТ306А….КТ306Д. Все ли буквы алфавита от А до Д используются здесь в шестом элементе кода?

8. Объяснить необходимость делителя на входе усилителя.

9. Почему необходима стабилизация рабочей точки усилителя?

10. Чем вызваны нелинейные искажения выходного сигнала в усилителе?

11. Какую роль в усилительном каскаде играют разделительные емкости?

12. В чем смысл коллекторной и эмиттерной стабилизации?

13. Сформулировать постановку задания на расчет усилителя и привести исходные данные.

14. Какие параметры и величины усилительного каскада рассчитываются по постоянному току и переменному?

15. Как рассчитать резистор RК в цепи коллектора транзистора?

16. Как рассчитать сопротивление нагрузки RН ~ по переменному току?

17. Рассказать в какой последовательности делается выбор транзистора для каскада усиления.

18. Из каких соображений выбирается источник питания транзистора.

19. Как выделить рабочую точку на выходных характеристиках транзистора?

20. Рассказать алгоритм определения режима покоя транзистора.

21. Рассказать алгоритм построения линии нагрузки.

22. Показать алгоритм построения переходной характеристики транзистора.

23. Рассказать алгоритм построения и определения координат точки покоя усилительного каскада.

24. Как вычислить сопротивление резистора RЭ в цепи эмиттера?

25. Объяснить алгоритм расчета элементов фильтра.

26. Дать понятие относительной нестабильности потенциала базы.

27. Объяснить алгоритм расчета емкости конденсатора СЭ.

28. Объяснить алгоритм расчета входного сопротивления каскада усилителя.

29. Объяснить алгоритм расчета емкости конденсатора С1.

30. Объяснить алгоритм расчета емкости конденсатора С2.

31. Как рассчитать коэффициент усиления каскада по току?

32. Как рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению?

33. Как рассчитать коэффициент усиления каскада по мощности?

34. Как рассчитать входное сопротивление каскада?

Литература

1.  Ткаченко приборы и устройства [Text]: учебник/ .- Минск: Новое знание :М. : ИНФРА-М, 2011.-682 с.: ил..- (Высшее образование)- 10 экз.

2.  Игумнов полупроводниковой электроники [Text]: учебное пособие/ , .-2-е изд., доп. – М.: Горячая линия - Телеком, 2011.-394 с.: ил. -20 экз.

3.  , Баранова : учебное пособие.

М.: Академия, 20экз.

4. Нефедов радиоэлектроники. М.: Высшая школа. 2000г.

5. Опадчий, и цифровая электроника [Текст]: учеб ник для вузов / , , ; под ред. . - М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – 768 с.: ил.; 20 см. – Библиогр.: с. 7экз. – ISBN -7.

Приложение

Справочные данные кремниевых транзисторов.

Кремниевые эпитаксиально-планарные транзисторы p-n-p. Предназначены для использования в радиоэлектронной аппаратуре широкого применения.

Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.

Параметры	КТ104А	КТ104Б	КТ104В	КТ104Г
Термин	Буквен. обозн.
Коэффициент передачи тока	h21Э h 21Б	9…36 7….40	20…80 15…80	40….160 19..160	15...60 10…60
Входное сопротивление	h 11Б, Ом	120	120	120	120
Обратный ток коллектора	IКБО или IКО, мкА	£1	£1	£1	£1
Максимальное (допустимое) напряжение коллектор-эмиттер	UКЭ. MAX или UКЭ. ДОП, В	-30	-15	-15	-30
Максимальное (допустимое) напряжение база-эмиттер	UБЭ. МАХ или UБЭ. ДОП, В	10	10	10	10
Максимальный ток коллектора	IК. МАХ, мА	50	50	50	50
Максимальная рассеиваемая мощность коллектора	РК. МАХ, Вт	150	150	150	150

Примечание: режимы измерения следует смотреть [л.4., стр.83].

 

а) входные характеристики

б), в), г) выходные характеристики

КТ201А, КТ201Б, КТ201В, КТ201Г, КТ201Д.

Кремниевые эпитаксиально-планарные транзисторы n-p-n. Предназначены для работы в устройствах широкого применения. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.