Выбор рабочей точки транзистора

Выбор рабочей точки А в транзисторе в режиме покоя, когда входной сигнал отсутствует, сводится к выбору тока коллектора Iк_А1 и напряжения Uк_А1. Найдём значения Iк_А1, Uк_А1 и Pк_А1, считая, что сопротивление эмиттера Rэ1 = 0:

U_{H т}1 = = =0,57, В

Сопротивление нагрузки для входного каскада Rн1=Rвх2= 80, Ом

Iн_m1 = = =0,0072, А

Umin = 1 В; Кзап = 0,9

Uк_А1 = U_{H т} + Umin = 0,57 + 1 = 1,57 ,В

Из схемы выходного каскада следует, что потенциал Uк_А1 отрицательный, т.е. Uк_А1= -1,57 ,В.

Iк_А1= = = 0,0078 ,А

Pк_А1 = Iк_А1 * | Uк_А1 | = 0,0078 * 1,57 = 0,013 ,Вт

Таким образом, условия выбора транзистора выходного каскада следующие:

5. Тип проводимости: p-n-p

6. Iк_доп ≥ 2 * Iк_А1 = 16 ,мА

7. Uк_доп ≥ Е = 24 ,В

8. Pк_доп ≥ Pк_А1 = 13 ,мВт

Транзистором, удовлетворяющим всем требованиям, является КТ3107Д.

Основные характеристики транзистора представлены в следующей таблице:

Тип проводимости	Uкэ,В	Iк,мА	Pк,мВт	Iк0 (t0),мкА
p-n-p				0,1 при t0=250С

 

 

Построим линию статической нагрузки:

Iк1 = f(Uкэ1)

Uк1 = -Е + Iк1 * Rк1

Uэ1 = -Iэ1 * Rэ1 ≈ -Iк1 * Rэ1

Uкэ1 = Uк1 – Uэ1= -Е + Iк1 *(Rк1+Rэ1)

Iк1 = +

Найдем сопротивления коллектора и эмиттера. Из уравнения статистической нагрузки:

Rк1+Rэ1= = = 1446 ,Ом

Rэ1= (0,1…0,3) Rк1

Возьмем Rэ1= 0,1 Rк1, тогда:

Rк1= = = 1315 ,Ом

Rэ1= 0,1 Rк1= 0,1*1315=131 ,Ом

Построим статистическую линию нагрузки.
При Iк_А1=0 Uкэ1 = -Е = -24 ,В

При Uк_А1=0 Iк1= = = 0,0083 ,А

Построим динамическую линию нагрузки Uк’1 и рабочую точку.

Uк^’1 = - = - = -2,18, В

Отметим значения токов Iк_А1 + Iн_m1 и Iк_А1 - Iн_m1, спроецируем соответствующие им точки на линии динамической нагрузки на ось напряжений и найдем Uн_m1. Найденное значение

Uн_m1 = 0,6 В больше рассчитанного ранее Uн_m1 = 0,57 В.

β= = = 180

 

Расчёт элементов фиксации рабочей точки

 

Фиксация рабочей точки для каскада на биполярном транзисторе осуществляется резистивным делителем R₁1 и R₂1.

По входным характеристикам транзистора определим величины Iб_А1, Uбэ_А1

Iб_А1 = 0,14,м А

Uбэ_А1 = 0,4, В

Найдем температурные изменения токов:

= (0,001…0,01) Iн_m1= 0,005*0,007=35, мкА

Iк₀ (t⁰)= Iк₀ (t⁰_спр)* = = 2,6, мкА

Iк₀ (t⁰_лаб)= Iк₀ (t⁰_спр)* = = 0,1, мкА

= | Iк₀ (t⁰) - Iк₀ (t⁰_лаб ) | = |2,6*10^-6 -0,1*10^-6 | = 2,5, мкА

Тогда коэффициент нестабильности N1 определяется следующим образом:

N1= = = 14

N1 должен находиться в диапазоне (2…15). Это условие выполняется.

Найдем сопротивление R₂1:

=3692, Ом

Найдём ток делителя I_Д1:

I_ЭА1= Iб_А1+ Iк_А1= 0,14+7,8=7,9 ,мА

I_Д1= Iб_А1+ = 0,14*10^-3+ =2,5 ,мА

Ток делителя должен быть I_Д1 ≥ (3…10) Iб_А1:

Условие выполняется.

Найдём сопротивление R₁1:

R₁1= 26615,Ом

Расчёт коэффициента усиления входного каскада

По входным характеристикам биполярного транзистора найдем его входное сопротивление:

h₁₁э1= = 400

Rвх1= 356, Ом

Тогда коэффициент усиления выходного каскада определятся так:

К1= - - =-34,42

K1=-34,42

Расчёт ёмкостных элементов

Для каскадов на биполярном транзисторе значения емкостей конденсаторов C1 и Сэ1 рассчитываются следующим образом:

С1= 19,55*10^-6 = 19,55 ,мкФ

Сэ1= = = 0,0119=11,9 ,мФ

 

 

Расчёт реально достигнутого коэффициента усиления

Реально достигнутый в схеме коэффициент усиления разомкнутого усилителя в области средних частот определяется следующими формулами:

К1 = - - =-34,42

К2 = - - =-18,74

Креал = =K1*К2=645

Реально достигнутый коэффициент усиления должен быть больше рассчитанного в пункте 1 коэффициента усиления К.

 

Креал=645 ≥ К=57,2

Условие выполняется.

 

 

Расчёт элементов цепи ООС

Так как проектируемый усилитель содержит два каскада, используем последовательную обратную отрицательную связь по напряжению. Найдём сопротивление обратной связи:

= =-1,2*10^-3

=8323,Ом

Тогда коэффициент усиления усилителя с обратной связью можно найти так:

 

= =362

6. Построение характеристики Мос(ω)

Характеристика Мос(ω) для двухкаскадного усилителя строится по следующим формулам в масштабе десятичных логарифмов круговой частоты:

Мос_в(ω_в) = Мос_н(ω_н) =

Х= для Мос_в(ω_в)

Х= для Мос_н(ω_н)

2*3,1416 *20 = 126 рад/с

Моделирование

Моделирование выполняется с помощью пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 9. Целью моделирования является установление корректности расчета и степени соответствия расчетных параметров требованиям технического задания. В процессе моделирования при необходимости корректируются значения элементов схемы.

В результате моделирования получим переходные и частотные характеристики входного и выходного каскадов усилителя, усилителя без ООС и с ООС.

 

Выходной каскад

Схема выходного каскада:

 

 

Переходная характеристика выходного каскада:

 

Частотные характеристики выходного каскада:

 

Входной каскад

Схема входного каскада:

 

 

Переходная характеристика входного каскада:

 

Выходной сигнал искажен из-за слишком большой входной амплитуды. Поэтому в этой и последующей схемах амплитуда уменьшена с 340 мВ до 1 мВ.

Теперь переходная характеристика выглядит так:

 

Частотные характеристики входного каскада:

 

Усилитель без ООС

Схема усилителя:

 

Переходная характеристика усилителя

 

 

Частотные характеристики усилителя:

Усилитель с ООС

Схема усилителя:

 

Переходная характеристика усилителя:

 

Частотные характеристики усилителя:

Результаты моделирования

Схема	Расчетный коэффициент усиления	Смоделированный коэффициент усиления	Амплитуда входного сигнала	Амплитуда выходного сигнала
Выходной каскад	-18,74	-18,756	340 мВ	6353 мВ
Входной каскад	-34,42	-34,445	1 мВ	34,86 мВ
Усилитель без ООС		644,679	1 мВ	617,97 мВ
Усилитель с ООС		24,981	340 мВ	8627 мВ

 

 

Спецификация.

Выходной каскад

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT2,VT2ep	Транзистор КТ3107Д
V1	Генератор входного сигнала
V2	Генератор напряжения 24 В
Резисторы
R12	4785 Ом
R22	409 Ом
Rk2	266 Ом
Re2, Rep2	27 Ом
Rn	300 Ом
Rk1	1110 Ом
Конденсаторы
C2	2,94 мкФ
Ce2	48 мФ
C3	1,51 мкФ

 

Входной каскад

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1	Транзистор КТ3107Д
V1	Генератор входного сигнала
V2	Генератор напряжения 24 В
Резисторы
R11	26k Ом
R21	3692 Ом
Rk1	990 Ом
Re1	99 Ом
Rn	96 Ом
Rg	50 Ом
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ
Ce1	12 мФ

 

Усилитель без ООС

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1, VT2, VT2ep	Транзистор КТ3107Д
V1	Генератор входного сигнала
V2	Генератор напряжения 24 В
Резисторы
R11	26k Ом
R21	3692 Ом
Rk1	990 Ом
Re1	99 Ом
R12	4785 Ом
R22	409 Ом
Rk2	266 Ом
Re2, R2ep	27 Ом
Rn	300 Ом
Rg	50 Ом
R29	70 Ом
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ
Ce1	12 мФ
C2	2,94 мкФ
Ce2	48 мФ
C3	1,51 мкФ

 

 

Усилитель с ООС

Обозначения	Наименование	Количество	Примечание
VT1, VT2, VT2ep	Транзистор КТ3107Д
V1	Генератор входного сигнала
V2	Генератор напряжения 24 В
Резисторы
R11	26k Ом
R21	3692 Ом
Rk1	990 Ом
Re1	99 Ом
R12	4785 Ом
R22	409 Ом
Rk2	266 Ом
Re2, R2ep	27 Ом
Rn	300 Ом
Rg	50 Ом
R29	70 Ом
Roc	49940 Ом
Конденсаторы
C1	19,55 мкФ
Ce1	12 мФ
C2	2,94 мкФ
Ce2	48 мФ
C3	1,51 мкФ

 

 

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были приобретены навыки расчетов статических и динамических параметров электронных устройств, изучены методы проектирования и разработки электронных устройств, получены навыки практического применения ЭВМ для схемотехнического проектирования электронных устройств в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.

В результате выполнения курсовой работы спроектирован двухкаскадный усилитель с отрицательной обратной связью. Работа усилителя проверена в среде Micro-Cap 9.

 

 

Список литературы

1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань.: РГРТА, 1997. 36 с.

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с., ил.