МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИЗАЦИИ,
МАШИНОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ТРАНСПОРТА
Кафедра автоматизации
технологических процессов
и производств
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
«Расчет транзисторного усилителя с общим эмиттером»
Дисциплина «Сенсорные и электронные элементы мехатронных систем»
Для специальностей:
7.092501-«Автоматизированное управление технологическими процессами и производствами».
7.092502 - «Компьютерно-интегрированные технологические
комплексы и производства».
Севастополь
2002 г.
УДК
Методические указания для практических занятий по
дисциплине "Сенсорные и электронные элементы
мехатронных систем"
Расчет транзисторного усилителя с общим эмиттером.
Сост. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2002 – 11 с.
Целью методических указаний является оказание помощи студентам в изучении инженерных методов расчета транзисторных усилителей информационных сигналов, а также принципов их моделирования в среде «CIRCUITMAKER».
Методические указания предназначены для студентов специальностей 7.092501-«Автоматизированное управление технологическими процессами и производствами» и 7.092502 – «Автоматизированное управление компьютерно - интегрированными технологическими комплексами» дневной и заочной форм обучения.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» «__» ____ 2006 г., протокол № __
Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний
Рецензент:
, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой
«Автоматизированные приборные системы»
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для расчета транзисторных усилителей используются два способа: графоаналитический и аналитический. При графоаналитическом методе необходима информация о входных и выходных характеристиках транзистора (по справочнику). Аналитический метод расчета вытекает из теории полупроводниковых приборов и является приближенным. Однако на практике данный метод дает вполне удовлетворительные результаты.
Согласно ЕСКД по выполнению электрических схем в процессе проектирования необходимо составлять перечень элементов принципиально электронных схем (по аналогии со спецификацией механических устройств).
Для составления перечня элементов проектируемого усилителя, элементы его принципиальной схемы необходимо пронумеровать с использованием буквенно-цифровой системы обозначений, принятой в ГОСТ.
С-конденсаторы;
D-микросхемы;
DA-аналоговые микросхемы;
DD-цифровые микросхемы.
L-индуктивности;
R-резисторы;
VD-полупроводниковые диоды;
VT-транзисторы.
Нумерация элементов принципиальной схемы осуществляется в направлении «сверху вниз» и «слева направо».
Краткие теоретические сведения
Схемы транзисторных усилителей классифицируются по названию заземленного (общего) электрода транзистора-эмиттера, коллектора и базы. Существует три схемы включения биполярных транзисторов: схемы с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой.
Усилительные свойства транзистора характеризуются следующими статическими параметрами:
статический коэффициент передачи тока эмиттера 
транзистора;
статический коэффициент передачи тока базы 
транзистора.
Параметры α и β связаны соотношениями:
α=β/(1+β) ; β=α/(1-α).
Схема с ОЭ является усилителем мощности входного сигнала. В данной схеме входной и выходной сигналы находятся в противофазе (сдвиг по фазе на угол 
). Усилитель с ОЭ обладает сравнительно низким входным сопротивлением и достаточно высоким выходным сопротивлением (импедансом). Вместе с этим схема с ОЭ обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению.
Для обеспечения заданного коэффициента усиления по переменному току в схеме с ОЭ резистор Rэ в эмиттерной цепи транзистора шунтируется конденсатором Сэ. Поэтому импеданс эмиттерной цепи 
соответствует параллельному соединению резистора Rэ и емкостного сопротивления 
конденсатора Сэ.
Комплексный коэффициент усиления 
в схеме с ОЭ определяется выражением:
,
где Rk, Rэ – активное сопротивление в коллекторной и эмиттерной цепи транзистора соответственно; 
фазовый сдвиг в эмиттерной цепи транзистора; 
круговая частота входного сигнала.
ЗАДАНИЕ: Рассчитать транзисторный усилитель с общим эмиттером
(Рисунок 1)
Рисунок 1 – Электрическая схема усилителя с общим эмиттером
Варианты индивидуальных заданий
Таблица 1- Технические параметры усилителя *)
№ | Характеристические параметры | Вариант |
1 | Проводимость транзистора: | «pnp» – нечетный; «npn» – четный Номер варианта («чет.» -«нечет.») выбирается по последней цифре зачетной книжки |
2 | Напряжение питания (В)*10-1 | две последних (значащих) цифры зачетной книжки |
3 | Сопротивление нагрузки (кОм) | три последних цифры зачетной книжки |
4 | Коэффициент передачи тока базы транзистора | две последних цифры зачетной книжки (либо выбирается по справочнику) |
5 | Коэффициент усиления по напряжению Кu | две последних цифры зачетной книжки |
6 | Ток эмиттера транзистора в статическом режиме (мА*10-1) | две последних цифры зачетной книжки (либо выбирается по справочнику) |
7 | Частота входного сигнала (кГц) | три последних цифры зачетной книжки |
*) Примечание – Номер варианта выбирается по последней цифре «А» зачетной книжки. При наличии «нулевых» значений двух последних цифр кода индивидуального задания – обратиться к преподавателю.
Методика расчета усилителя с общим эмиттером
Расчет усилителей осуществляется в направлении с выхода к входу устройства (от нагрузки к источнику входного сигнала).
1. Выбор транзистора (по индивидуальному заданию)
Выбор транзистора осуществляется по типу проводимости и по
параметру β.(β≡h21э-статический коэффициент передачи тока базы для
различных транзисторов β лежит в диапазоне 10…150).
2. Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе
Разделительный конденсатор С3 не пропускает постоянный потенциал коллектора в нагрузку. Совместно с сопротивлением нагрузки Rн=R5, конденсатор С3 образует RС-цепь, которая подавляет низкие частоты и пропускает высокие частоты.
Величина конденсатора С3 определяются по формуле:
С3 расч.≥1/(2πfсигн Rн).
Рассчитанное значение емкости С3 будет соответствовать ослаблению входного сигнала в 
раз относительно сигнала на более высоких частотах. Для уменьшения ослабления входного сигнала и расширения за счет этого полосы пропускания усилителя расчетное значение емкости С3расч увеличиваются на 1-2 порядка (в 10-100 раз).
3. Расчет тока коллектора
При заданном значении тока эмиттера Iэ ток коллектора Iк определяется по формуле
Iк=α*Iэ.
4. Расчет сопротивления в коллекторной цепи транзистора
Для обеспечения усиления сигнала с минимальными искажениями потенциал коллектора относительно земли в статическом режиме Uк0 (при отсутствии входного сигнала), выбирается из условия:
Uк0=0,5Епит.
Сопротивление Rк в цепи коллектора определяется по закону Ома
Rк=R3= Uк0/ Iк =0,5Епит/Iк.
Определяется мощность Р3, рассеиваемая на сопротивлении R3 в коллекторной цепи транзистора
Р3 = (Ik)2*R3.
5. Расчет эквивалентного сопротивления нагрузки переменному току
При достаточно большой емкости разделительного конденсатора С3 эквивалентное сопротивление нагрузки на переменном токе Rн. экв. оэ определяется параллельным соединением коллекторного резистора Rк=R3 и сопротивления нагрузки Rн=R5
Rн. экв. оэ =[Rк*Rн/(Rк+Rн)].
6. Расчет сопротивления в цепи эмиттера
Сопротивление Rэ=R4 обеспечивает температурную стабилизацию режима транзистора по постоянному току. Для уменьшения влияния температуры на параметры усилителя в целом потенциал эмиттера Uэ относительно земли выбирается в диапазоне 1…2 В. Обычно Uэ=1В.
Сопротивление Rэ определяется по закону Ома:
Rэ= Uэ/ Iэ.
Ток эмиттера Iэ выбирается в диапазоне (0,5…1,0)мА, либо задается
индивидуально.
Определяется мощность Р4, рассеиваемая на сопротивлении Rэ=R4 в эмиттерной цепи транзистора
Р4 = (Iэ)2*R4.
7. Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы
Входное сопротивление транзистора со стороны базы h11 определяется по формуле
h11=Rэ*(β+1).
8. Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора на постоянном токе.
Для температурной стабилизации режима транзистора по постоянному току (при отсутствии входного сигнала) необходимо следить за разностью потенциалов между эмиттером и базой при изменении температуры. Для обеспечения следящей обратной связи по температуре в цепь эмиттера вводится резистор Rэ=R4, а в цепь базы - резистивный делитель R1, R2, с помощью которого стабилизируется потенциал базы транзистора относительно земли. Если в режиме максимального сигнала ток делителя Iд превышает ток базы Iб, то потенциал базы Uб будет определяться только напряжением питания Епит и соотношением резисторов R1, R2. Поэтому обеспечения температурной стабилизации режима обеспечивается условие:
Iд= Еп/(R1+R2)= Iэ.
По второму закону Кирхгофа определяется потенциал базы Uб:
Uб= φd+Uэ,
где φ d - статический потенциал рn-перехода (для германиевых транзисторов φ d =0,3…0,4 В; для кремневых транзисторов φ d =0,6…0,8В).
По закону Ома определяются резисторы R1, R2:
R2=Uб/Iд= (φ d+Uэ) /Iэ;
R1= (Eпит-Uб)/Iд=(Eпит-Uб)/Iэ.
Определяются мощности Р1, Р2 рассеиваемые на сопротивлениях делителя R1, R2:
Р1 = (Iд)2*R1;
Р2 = (Iд)2*R2.
9. Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора на
переменном токе.
При усилении сигналов переменного тока шина питания Епит заземлена через конденсатор фильтра СФ (имеет нулевой потенциал). Поскольку при достаточно большой емкости СФ емкостное сопротивление фильтра ХС. Ф достаточно мало (XС. Ф=1/ωСФ→0), резисторы R1, R2 по переменному току соединены параллельно.
Эквивалентное сопротивление делителя R1, R2 переменному току Rд. экв определяется выражением
Rд. экв= R1* R2/(R1+ R2).
10. Расчет входного сопротивления усилителя с ОЭ
На низких частотах, несоизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, входное сопротивление усилителя Rвх является чисто активным и соответствует параллельному соединению сопротивлений h11 и Rд. экв,
Rвх.= h11* Rд. экв / (h11+ Rд. экв).
Примечание. На высоких частотах, соизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, сказываются межэлектродные емкости между выводами эмиттер – база, база – коллектор и эмиттер – коллектор. Поэтому в области высоких частот входное сопротивление (импеданс) является комплексной величиной.
11. Расчет входного конденсатора в цепи базы транзистора
Разделительный конденсатор С1 предназначен для отделения постоянной составляющей входного сигнала. Совместно с эквивалентным входным сопротивлением ЭП Rвх. экв конденсатор С1 образует RС-цепь, которая не пропускает постоянный потенциал базы Uб в источник входного сигнала, подавляет низкие частоты и пропускает высокие частоты.
Величина емкости конденсатора С1 определяется по формуле
С1 расч.≥1/(2πfсигнRвх).
Рассчитанное значение емкости С1 будет соответствовать ослаблению входного сигнала в 
раз относительно сигнала на более высоких частотах. Поэтому для уменьшения ослабления входного сигнала расчетные значение емкости С1 увеличивается на 1-2 порядка (в 10-100 раз).
12. Расчет коэффициента усиления
12.1. Предварительный расчет емкости Сэ в цепи эмиттера по заданному значению статического коэффициента усиления Кu
.
12.2. Расчет фазового сдвига 
в эмиттерной цепи
.
12.3. Проверочный расчет модуля коэффициента усиления 
.
Условие выполнения задания: расчетное значение коэффициента усиления Кu должно быть не меньше заданного.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/Под ред. .-М.: Энергия, 1972.- 568 с. Справочник: Резисторы/Под ред. и - М.: Радио и связь, 1987.- 352 с. Основы теории транзисторов и транзисторных схем/ - М.: Энергия, 1973.- 608 с. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник/, , . - М.: Издательство стандартов, 1989.- 325 с.