Методические указания к выполнению курсовой работы: Расчет усилительного каскада, Архангельск 2010 (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический университет

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Методические указания

к выполнению курсовой работы

Архангельск 2010

Рассмотрены и рекомендованы к изданию

методической комиссией факультета промышленной энергетики

Архангельского государственного технического университета

27 мая 2009 г.

Составитель

, ст. преп.

Рецензент

, доц., канд. техн. наук

Расчет усилительного каскада: методические указания к выполнению курсовой работы / сост. . – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2008 – 38 с.

Подготовлены кафедрой электротехники и энергетических систем АГТУ.

Приведены общие сведения  о расчете параметров усилительного каскада переменного напряжения на биполярном транзисторе, построении его частотных характеристик.

Предназначены для студентов Института информационных технологий 230104 «Системы автоматизированного проектирования» дневной формы обучения, студентов механического факультета специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы» дневной формы обучения.

Ил. 12. Табл. 1. Библиогр. 8 назв.

© Архангельский государственный

технический университет, 2009

©

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Целью расчета является определение номиналов элементов схемы и характеристик усилителя на биполярном транзисторе (рис. 1).

Практически невозможно встретить случай, когда усилитель рассчитывается на потребляемые ток и мощность. Обычно при расчете задаются требованиями необходимого коэффициента усиления, выходной мощности, полосы пропускания и, исходя из этих значений, определяют номиналы элементов схемы, напряжения питания и потребляемого тока, после чего получают техническое задание на расчет блока питания. Расчет, приводимый ниже, имеет своей целью освоение навыков расчета усилительных схем и определения характерных соотношений между номиналами элементов и параметрами подобной схемы.

Рис. 1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Условно – графическое изображение транзистора на схеме усилительного каскада должно соответствовать типу выбранного транзистора (р–n–p или n–p–n).

Данный расчет может проводиться в несколько шагов: если рассчитанные параметры не будут соответствовать определенным требованиям (КПД, мощности, и др.), необходимо вернуться

к выбранным величинам, изменить их и повторить расчет, добиваясь при этом наиболее оптимальных результатов. 

Выбор реальных резисторов и конденсаторов производится из ряда сопротивлений и электроемкостей:

Ряд сопротивлений:

Rx= n * 10k, k = 1,2,…,8.

n = 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.

Электроемкости конденсаторов также соответствуют данному ряду.

Варианты задания представлены в табл. 1.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные для расчёта усилителя берутся из табл. 1  согласно заданному варианту:

ЕП. – постоянное напряжение источника питания усилителя, В;

ƒГ. – частота входного сигнала генератора, Гц;

I*К. max – максимальное допустимое значение коллекторного тока транзистора, А;

UГ. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала, В;

RГ. – внутреннее сопротивление генератора сигнала;

RН. – сопротивление нагрузочного устройства усилительного каскада, Ом.

Необходимо выбрать транзистор из справочной литературы по полупроводниковым транзисторам согласно исходным параметрам усилителя таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:

- максимальное значение коллекторного тока IК. max выбранного транзистора было больше заданного I*К. max на  (20 ч 30)%;

- максимальное значение напряжения Uк. э. выбранного транзистора было больше напряжения источника питания усилителя ЕП.

- частота входного сигнала генератора ƒГ.  была много меньше предельной частоты коэффициента передачи тока выбранного биполярного транзистора ƒТ.

На основе выбранного транзистора необходимо построить усилитель переменного напряжения.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Усилительный каскад с общим эмиттером

на биполярном транзисторе

Биполярные транзисторы являются активными полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление мощности электрических сигналов. По структуре – это прибор с тремя чередующимися слоями полупроводников с электропроводностями разных типов. В зависимости от характера электропроводности внешних слоев различают биполярные транзисторы типа р–n–p и n–p–n. Условно – графическое обозначение этих транзисторов имеет следующий вид (рис. 2). Изображение транзистора на схеме усилительного каскада должно соответствовать его типу. Тип транзистора указывается в справочной литературе.

Рис. 2. Условно – графическое обозначение

биполярных транзисторов типа р–n–p и n–p–n

Один из электродов транзистора является входным, другой – выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода схемы. В цепь входного электрода включают источник

входного сигнала, в цепь выходного – сопротивление нагрузки.

В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Транзисторы, включенные по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, изображены на рис. 3.

Рис. 3. Схемы включения транзистора: а) – с общей базой,

б) – с общим эмиттером, с) – с общим коллектором.

Каждая схема включения транзистора характеризуется двумя независимыми семействами статических характеристик, определяющих соотношения между токами, проходящими в цепях его электродов, и напряжениями, приложенными к этим электродам. Такими характеристиками являются входные IВХ. = f(UВХ.)| Uвых. = const

и выходные IВЫХ. = f(UВЫХ.)| Iвх. = const.

В практических устройствах промышленной электроники наиболее широкое распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая наибольшим усилением по мощности. Транзистор способен усиливать мощность сигнала, однако, характеристики и параметры транзисторного усилителя можно улучшить с помощью обратной связи – искусственной цепи, по которой часть энергии с выхода усилителя передается на его вход, изменяя режим входной цепи. При этом образуется замкнутый контур, состоящий из усилителя и звена обратной связи (рис. 4).

Рис. 4.  Структурная схема усилителя с обратной связью

Различают обратную связь по напряжению, если напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению на нагрузке усилителя и обратную связь по току,  если напряжение обратной связи пропорционально току в нагрузке. По способу передачи энергии через цепь обратной связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение обратной связи подключают последовательно с напряжением источника входного сигнала усилителя, а во втором – параллельно (рис. 5).

Рис. 5.  Структурная схема усилителя с параллельной

и последовательной обратной связью

Принципиальная схема усилительного каскада по схеме включения транзистора с общим эмиттером представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

На схеме обозначены направления переменных составляющих токов транзисторного усилителя: iК.– ток коллектора, iБ.  – ток базы,

iЭ.  –ток эмиттера, iН.  – ток нагрузки и направления постоянных составляющих токов усилительного каскада IК.– ток коллектора покоя, IБ.  – ток базы покоя, IЭ.  –ток эмиттера покоя, Iд. – ток делителя.

Назначение элементов схемы усилительного каскада

UГ. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала;

RГ. – внутреннее сопротивление, источника входного сигнала;

UВ. Х. – действующее входное синусоидальное напряжение (входной сигнал).

UВЫХ. – действующее выходное синусоидальное напряжение (выходной сигнал).

RН. – сопротивление нагрузочного устройства;

ЕП. – постоянное напряжение питания транзисторного усилителя. Полярность источника питания зависит от типа выбранного транзистора.

Резисторы RБ.1, RБ.2 составляют делитель напряжения цепи базы на входе усилителя и обеспечивают требуемую работу транзистора в режиме покоя, то есть в отсутствие входного сигнала, определяют оптимальные значения напряжения покоя UБ. Э. П и тока покоя базы

IБ. П. транзистора.

Резистор RК. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по току коллектора, вместе с RН. определяет величину выходного сигнала, задает линию нагрузки на семействе выходных характеристик транзистора, определяет выбор начальной рабочей точки в режиме покоя, напряжение покоя UК. Э. П. и ток покоя

IК. П.. транзистора.

Резистор RЭ. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по току эмиттера, предназначен для температурной стабилизации рабочей точки транзисторного усилителя. Однако введение этого элемента в схему вызывает уменьшение коэффициента усиления усилительного каскада. Последнее предотвращают путем включения параллельно резистору RЭ. конденсатора СЭ. такой емкости, чтобы на всех усиливаемых частотах выполнялось условие: ХС Э. << RЭ.. Таким образом, CЭ. будет шунтировать резистор RЭ. по переменному току.

Разделительный конденсатор CР. 1 передает на вход усилителя переменную составляющую сигнала от источника iвх., не пропуская постоянный ток от источника питания ЕП. во входную цепь усилителя. Разделительный конденсатор CР. 2  передает на выход усилителя переменную составляющую сигнала, не пропуская постоянный ток от источника питания ЕП. в выходную цепь усилителя, тем самым уменьшается потребление мощности усилителя от источника питания и исключаются искажения сигнала на выходе усилительного каскада.