Аналогові електронні пристрої

Зміст

1. Задача №1. Однокаскадний підсилювач

Графоаналітичний розрахунок робочого режиму

Розрахунок параметрів транзистора

Розрахунок кіл зміщення каскаду

2. Задача №2. Підсилювач потужності середнього класу якості

Вибір схеми підсилювача

Висновок

Література

Додатки

1. Задача № 1. Однокаскадний підсилювач

Завдання:

Розрахувати каскад підсилення на біполярному транзисторі за параметрами:

діапазон частот підсилювальних коливань 20Гц...12 кГц;

опір навантаження Rн = 5 кОм;

напруга джерела живлення Ек = 15,0 В;

опір резистора навантаження Rк = 1,0 кОм;

амплітуда змінного струму бази Іmб = 0,045 мА;

допустима потужність розсіювання на колекторі Рк. макс = 240 мВт.

Рисунок 1.1 - Схема каскаду підсилення, що розраховується.

Аналіз схеми. Каскад підсилення, що наведено на рис.1.1, є підсилювачем напруги. Вихідна напруга з'являється внаслідок протікання колекторного струму і_к по резистору навантаження Rн (перетворення струму у напругу). Вхідна змінна напруга Uвх подається через розділювальний конденсатор Ср1 на перехід база - емітер, вона змінює струм бази і_б, якій викликає набагато більший струм і_к, котрий викликає падіння напруги і_к Rн.

Транзистор ввімкнутий за схемою зі спільним емітером: джерело сигналу, емітер та навантаження каскаду мають спільну точку. Схема містить кола живлення з фіксованою напругою Uбе й емітерну стабілізацію робочої точки, яка ґрунтується на послідовному негативному зворотному зв’язку НЗЗ через резистор Rе. Напруга U_R2 >U_Rе на 0,1...0,5В, і транзистор відкритий, тобто перехід база-емітер зміщені у прямому напрямку при відсутності вхідного сигналу. Конденсатором Се заблоковано резистор Rе за змінним струмом. Місцевий НЗЗ, потрібний для стабілізації показників підсилювача та зниження спотворень.

Розрахунок схеми вибираємо графоаналітичний метод розрахунку робочого режиму транзистора.

 

Графоаналітичний розрахунок робочого режиму

За початковими даними вибираємо транзистор виходячи з того, що пряма навантаження на вихідних характеристиках повинна перетинати сімейство тих характеристик, що забезпечують потрібний розмах вхідного струму. Один з таких транзисторів - КТ 312А. Його параметри:

I_{k max} = 30 mA.

U_{кэ max} = 20 В.

U_{кб max} = 20 В.

P_{к max} = 225мВт.

h_21э = 10 - 100.

f_гр = 300 МГц.

1. Схема використовується для підсилення малих сигналів без спотворень. Напруга змінного сигналу може мати як позитивне, так і негативне значення. Тому й при рівному нулю вхідному сигналі (режим спокою) у транзисторі повинні існувати струми бази та колектора, а для розрахунку робочого режиму транзистора потребуються сімейства вхідних і вихідних характеристик. Які для даного транзистора приведені в додатку А.

2. На сімействі вихідних ВАХ наводимо криву максимально допустимої потужності. Для цього надаємо різні значення Uке в межах значень наведеної характеристики, обчислюємо струм колектора за формулою:

Iк = Р_{к. макс} / Uке. (1.1)

та з’єднуємо отримані точки.

3. Хід навантажувальної прямої за постійним струмом і положення робочої точки визначається точкою Ек на вісі абсцис, при цьому пряма перетинає вісь ординат в точці за формулою:

. (1.2)

Через ці позначені точки необхідно провести пряму навантаження.

Опір Rе потрібно визначити виходячи з таких міркувань. Для підвищення коефіцієнта стабілізації збільшують Rе наскільки дозволяє джерело та зменшують

Rб = R1/R2 (1.3)

Але при малому Rб зростає струм споживання транзистора та погіршуються його енергетичні показники. Як правило,

U_Rе = (0,15…0,2) ∙ Ек. (1.4)

U_Rе = 0,2 ∙ 15 = 3 В.

Орієнтуючись на типовий режим транзистора Uке = 5В,

Ік_о = Іе = 1…5 мА.

Приймаємо значення Ік_о = 5мА і визначаємо Rе за формулою:

Rе = U_Rе / Іе. (1.5)

Rе = 3/5 ∙10^-3 = 600 Ом.

Отже із ряду номіналів Е24 приймаємо резистор рівний 600 Ом.

Визначаємо його потужність

P_R = I² ∙ R (1.6)

P_Rе = (5 ∙10^-3)2 ∙ 600 = 0,015 Вт.

Приймаємо потужність резистора рівною 0,125 Вт.

За формулою 1.2 розраховуємо Iк

 = 9,4 мА.

та відмічаємо Ік на графіку 1 (додаток А), будуємо навантажувальну пряму.

4. Обираємо на навантажувальної прямої положення робочої точки спокою А так, щоб забезпечити задану зміну змінної складової струму бази Іmб в позитивному та негативному напрямках. Робоча точка визначить постійну складову струму бази Іб_о, яка дорівнює 150 мкА ₍струм бази в режимі спокою), постійну складову струму колектора Ік_{о (}струм колектора в режимі спокою), постійну складову напруги на колекторі Uке_о (наруга спокою на колекторі), яка дорівнює 12 В.

5. Амплітуда змінної складової струму колектора

Іmк = (Ік макс - Ік мін) / 2 (1.7)

Іmк = (7 - 3,5) / 2 = 1,75 мА.

6. Амплітуда змінної напруги на навантаженні

Um _н = Іmк ∙ Rк. (1.8)

Um _н = 1,75 ∙10^-3 ∙ 1 ∙ 10³ = 1,75 В.

7. Коефіцієнт підсилення за струмом

К_І = Іmк / Іmб. (1.9)

К_І = 1,75 ∙10^-3/45 ∙10^-6 = 39.

8. Вихідна потужність

Рвих = 0,5 ∙ Іmк ∙ Um _н. (1.10)

Рвих = 0,5 ∙ 1,75 ∙10^-3 ∙ 1,75 = 1,53 мВт.

9. Потужність, що споживається в колекторному колі

Рспож = Ек ∙ Іко. (1.11)

Рспож = 15 ∙ 5 ∙ 10^-3 = 0,075 Вт.

10. ККД колекторного кола

h = Рвих /Рспож ∙ 100%. (1.12)

h = (1,53 ∙10^-3/0,075) ∙ 100 = 2,04%

11. На вхідній ВАХ, графік 2 додаток А, позначаємо точку А, котра відповідає Іб_о, і за графіком знаходимо Uбе_о = 0,7 В, а для значень Ібмакс і Іб мін (точка Б і В на графіку) - відповідно Uбе макс = 0,77 В і Uбе мін = 0,71 В.

12. Амплітуда вхідної напруги

Umб = (Uб макс - Uб мін) /2. (1.13)

Umб = (0,77 - 0,71) / 2 = 30 мВ.

13. Коефіцієнт підсилення за напругою

К_U = Um _н / Umб. (1.14)

К_U = 1,75/0,03 = 58,3.

14. Коефіцієнт підсилення за потужністю

К_Р = К_І ∙ К_U. (1.15)

К_Р = 39 ∙ 58,3 = 2275.

15. Вхідна потужність

Рвх = 0,5 · Іmб · Umб. (1.16)

Рвх = 0,5 · 0,045 ∙10^-3 · 0,03 = 0,675 мкВт.

16. Вхідний опір

Rвх = Umб / Іmб. (1.17)

Rвх = 0,03/0,045 ∙10^-3 = 667 Ом.

Розрахунок параметрів транзистора

1. Для отриманих значень Uке_о і Ік_о визначимо h - параметри транзистора:

а) h_{21е -} коефіцієнт передачі струму в режимі к. з. на виході для змінного струму за точками Г і Д на графіку 1 додаток А:

h_21е= b = DІк/ DІб (1.18)

при Uке=соnst;

h_21е = 12∙10^-3/0,2∙10^-3 = 60;

б) h_{22е -} вихідну провідність транзистора в режимі х. х. на вході для змінного струму за точками Е і Ж на тому ж графіку:

h_22е = DІк / DUке (1.19)

при Іб = соnst;

h_22е = 2 ∙ 10^-3/5 = 0,4 мСм;

в) h_{11е -} вхідний опір транзистора в режимі к. з. на виході для змінного струму за точками М і Н на графіку 2 додаток А:

h_11е = DUбе / DІб (1.20)

при Uке = соnst;

h_11е= 40 ∙ 10^-3/50 ∙ 10^-3 = 800 Ом;

г) S - крутизну характеристики транзистора:

S = h_21е / h_11е; (1.21)

S = 60/800 = 0,075

д) Rвих - вихідний опір:

Rвих = 1/h_22е. (1.22)

Rвих = 1/0,4 ∙ 10^-3 = 2500 Ом.

2. Визначимо параметри каскаду за приблизними формулами та порівняємо з результатами графоаналітичного розрахунку:

К_І = h_21е ∙ Rвих / (Rн + Rвих); (1.23)

К_І = 60 ∙ 2500/ (5 ∙ 10³ + 2500) = 50;

за результатами графоаналітичного розрахунку К_І = 39;

Rвх = h_11е = 800 Ом;

за результатами графоаналітичного розрахунку Rвх = 667 Ом;

К_U = h_21е ∙ Rн / Rвх; (1.24)

К_U = 60 ∙ 1 ∙ 10^3/800 = 75

за результатами графоаналітичного розрахунку К_U = 147

Кр = К_І ∙ К_U (1.25)

Кр = 50∙ 75 = 3750.

 

Розрахунок кіл зміщення каскаду

1. Струм подільника R1 // R2

Іпод = Ек / (R1+R2) » 10 ∙ Іб_{о. (}1.26)

Іпод » 10 ∙ 0,8 ∙ 10^-3 = 0,8 мА

2. Опір резистора R2

R2 = (U_Rе + Uбе_о) / Іпод. (1.27)

R2 = (3 + 0,74) / 0,8 ∙ 10^-3 = 4,675 кОм.

Із ряду номіналів Е24 приймаємо резистор рівний 3,3 кОм.

Визначаємо його потужність за формулою 1.6

P_R2 = (0,8 ∙ 10^-3)2 ∙ 4,675 ∙ 10³ = 0,003 Вт.

Приймаємо потужність резистора рівною 0,125 Вт.

3. Опір резистора R1

R1= Ек / Іпод - R2. (1.28), R1= 15/0,8 ∙ 10^-3 - 4,675 ∙ 10³ = 14,075 кОм.

Із ряду номіналів Е24 приймаємо резистор рівний 14 кОм.

Визначаємо його потужність за формулою 1.6

P_R1 = (0,8 ∙ 10^-3)2 ∙ 14 ∙ 10³ = 0,009 Вт.

Приймаємо потужність резистора рівною 0,125 Вт.

4. Ємність, що шунтує резистор Rе

Се ³ 1/2 ∙ p ∙ ¦_н ∙ R1 // R2 // h21е ∙ rе,

де вхідний опір з боку бази r_е = 25/Ік = 5

Се >  (1.29)

Се >  = 29 × 10^-6 Ф

Із ряду номіналів Е24 в більшу сторону приймаємо ємність рівною 30 мкФ