Расчет транзисторных усилителей

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Усилители низкой частоты основаны на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты может входить любой сигнал (датчик, предыдущий усилитель, микрофон и др.) Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. В состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Простейшая схема резистивного усилительного каскада

Данная схема имеет название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R_б практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров b даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема с делителем напряжения

В этой схеме резисторы и подключенные параллельно источнику питания Е_к, образуя тем самым делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, в противном случае входное сопротивление каскада окажется малым.

При построении схем транзисторных усилителей необходимо принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Причина, по которой приходится прибегнуть к данным мерам является влияние температуры. Есть несколько вариантов так называемой термостабилизации режимов работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из вариантов представлены на рисунках 3,4,5.

В схеме (см. рисунок 3) терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора.

Рисунок 3 - Схема с терморезистором

Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема термостабилизации с помощью полупроводникового диода

В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема с цепью эмиттерной стабилизации RэСэ

В этой схему навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора включено напряжение, возникающее на резисторе R_э при прохождении через него тока эмиттера. Пусть, например, при увеличении температуры постоянная составляющая коллекторного тока возрастет. Увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера и падению напряжения на резисторе R_э. В результате напряжение между эмиттером и базой уменьшиться, что приведет к уменьшению тока базы, а следовательно, тока коллектора. В большинстве случаев резистор R_э шунтируется конденсатором большой емкости. Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_э.

3 СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Для проектируемого усилителя целесообразно применить схему, включающую в себя делитель напряжения, разделительные емкостные элементы(конденсаторы).

Делитель напряжения предназначен для смещения напряжения на базе. Делитель состоит из сопротивлений R_б1 и R_б2. Сопротивление R_б1подключается к положительному контакту источника постоянного напряжения Ек параллельно коллекторному сопротивлению R_к, а R_б2между ветвью базы и отрицательным контактом источника постоянного напряжения Ек.

Разделительные конденсаторы служат для отсекания постоянной составляющей сигнала по току(т.е. функция этих элементов не пропускать постоянный ток). Располагаются они между каскадами усилителя, между источником сигнала и каскадами, а также между последним каскадом усилителя и нагрузкой(потребителем усиленного сигнала).

Помимо этого используются конденсаторы в цепи эмитерной стабилизации. Подключаются параллельно эмитерному сопротивлению Rэ.

Служат для отвода переменной составляющей сигнала от сопротивления эмиттера.

Принцип действия двухкаскадногоусилителя представлен на рисунке 6.

Рисунок 6- структурная схема двухкаскадного усилителя

От источника сигнала на первый каскад усилителя подается слабый сигнал, который усиливается на транзисторе за счет постоянного напряжения питания, получаемого от источника питания. Далее уже в несколько раз усиленный сигнал попадает на вход второго каскада, где

Также посредствам напряжения питания усиливается до нужного уровня сигнала, после чего передается к потребителю (в данном случае-нагрузке).

 

 

 

Задание:

Разработать схему предварительного усилителя напряжения низкой частоты средней мощности с заданными параметрами:

-амплитудное значение напряжения на выходе усилителя Uвых = 6 В;

- амплитудное значение сигнала источника Uвх = 0,15 В;

- напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектораЕк = 20 В;

- сопротивление в цепи нагрузки усилителя Rн = 3,3 кОм;

- диапазон усиливаемых частот F_н F_в =20 Гц -  20000 Гц;

- коэффициент частотных искажений М_в = 1,18;

- внутреннее сопротивления источника сигнала Rи = 130 Ом.

Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ, должно удовлетворять условию:

Uкэмах ≥ 1,2 × Ек.

Uкэмах ≥ 1,2 ×20=24 В.

По условиям подходит транзистор ГТ 404А (Приложение А)

h_21э = 30 ÷ 80

 

Рисунок 7 – Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером

4 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

4.1 Первый каскад.

4.1.1Расчет усилителя по постоянному току

При расчете усилителя используем графоаналитический метод расчета.

Первое: выбираем рабочую точку транзистора на входной вольт - амперной характеристике ВАХ (см. приложение А). Из точки на ветви Uбэп проведем перпендикуляр до пересечения с графиком входной кривой. Эта точка являться точкой покоя базы. Опуская из нее перпендикуляр к оси Iб, найдем постоянный ток базы Iбп, мА

На оси напряжения Uбэ определим минимальное Uбэ_мин и максимальное Uбэ_макс значения напряжения, отложив в обе стороны отрезки равные Umвх. От полученных значений проведем перпендикуляры до пересечения с кривой графика, а от точек пересечения с графиком-до оси тока базы Iб.

На графике семейства выходных характеристик определим положение рабочей точки, проведя из точки Iкп на оси Iк горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы (см. приложение Б). Это будет точкой покоя П коллекторной цепи. Опустим перпендикуляр на ось напряжений Uкэп, где получим точку покоя рабочего напряжения.

Построим статическую нагрузочную прямую по двум точкам, одна из которых является П, а вторая на оси Uкэ равная Ек. Построив нагрузочную прямую, при её пересечении с осью коллекторного тока, получаеся точка Iкз - это фиктивная точка, которая имеет смысл тока протекавшего бы при короткозамкнутом транзисторе (перемычке).

Расчет сопротивлений резисторов R_б1 и R_б2 (Ом) делителя напряжения

Ток делителя выберем в пределах (8 ÷ 10) :

Далее определяем сопротивление Rэ и Rк, Ом.

4.1.2 Динамический расчет каскада.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению по формуле:

Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и его внутреннее сопротивление «ко входу» первого каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину параллельного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R_б по формуле:

Параллельно сопротивлению Rб будет подключено входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора, которое определяется по входной ВАХ, как отношение приращений входного напряжения к току, т.е.:

Параллельное соединение сопротивлений Rвх и Rб будет равно:

Тогда эквивалентный переменный сигнал на входе транзистора будет равен:

Определим минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:

 

Динамические входные токи:

Далее рассчитаем сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения:

Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике (приложение А ).

Первая точка останется, как и для статического режима - точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и вычислим по формуле:

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из приложения А, будет находитьссля в пределах двух ветвей базового тока Iбд₁ и Iбд₂. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд₁ и Uкд₂. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:

7,5<40

Следут добавить второй каскад.

Для этого рассчитаем:

4.2. Второй каскад

4.2.1 Расчет усилителя по постоянному току

Для второго каскада выберем транзистор средней мощности. По всем параметрам подходит ГТ 404В h_21э = 30 ÷ 80.

Т.к. входная ВАХ одинаковая у ГТ 404А и ГТ 404В, то начальные будут одинаковые. Аналогично строим график и берем значения.

Также выберем рабочую точку (см. приложение Г).

Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-0.3)Rк.

Ток делителя для транзистора средней мощности следует выбрать (2 ÷ 3) Iбп

Рассчитаем сопротивления резисторов R_б3 и R_б4, Ом делителя напряжения

4.2.2Динамический расчет каскада.

Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R_б по формуле

Входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора равно:

Параллельное соединение сопротивлений Rвх и Rб будет равно:

Тогда эквивалентный переменный сигнал на входе транзистора будет равен:

Определим минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:

Динамические входные токи:

Рассчитаем сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения:

Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике (Приложение Г).

Первая точка останется, как и для статического режима - точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и вычислим по формуле:

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из рисунка 2.14, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд₁ и Iбд₂. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд₁ и Uкд₂. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:

 

Рассчитаем реальное усиление:

4.3 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора

1-ый каскад:

2-ой каскад:

Для второго каскада (по тем же формулам, что и для первого каскада):

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении данной курсовой работы был разработан усилитель на транзисторах ГТ404А и ГТ404В, (рассчитаны 2 каскада в схеме усилителя). Получена принципиальная электрическая схема усилителя . Коэффициент усиления напряжения равен 40, что удовлетворяет условию.

Литература

1 Бочаров Л.И., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. – М. : Энергия, 1978.

2 Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М. : Энергия, 1972.

3 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М. : Высшая школа, 1986.

4 Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. – М. : Энергия, 1967.

5 Цыкин Г.С. Усилительные устройства. – М. : Связь, 1971.

6 Малинин Р.М. Справочник по транзисторным схемам. – М. : Энергия,1974.

7 Назаров С.В. Транзисторные стабилизаторы напряжения. – М. : Энергия, 1980.

8 Цыкина Л.В. Электронные усилители. – М. : Радио и связь, 1982.

9 Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. – М. : Высшая школа, 1980.

10 Горюнов Н.Н. Полупроводниковые транзисторы. Справочник – М. : Энергоатомиздат, 1983

11Корнев В.А. Основы электроники: Методические указания к выполнению курсовой работе по дисциплине «Основы электроники» для студентов специальности 050716 – «Приборостроение»/ВКГТУ.- Усть-Каменогорск, 2008.- 31 с