Расчет элементов схемы однокаскадного усилителя, удовлетворяющего указанным техническим требованиям. Вариант 10

Московский энергетический институт (Технический университет)

Типовой расчет
по курсу «Электроника»
Линейный усилитель сигнала звуковой частоты

Вариант №10

Выполнил
 студент группы А-01-03

Попов Илья Олегович

Москва 2005 г.

Содержание работы:

Постановка задачи. 3

Спецификация элементов схемы усилителя. 4

Определение значения напряжения источника питания и рабочего режима транзистора. 5

Обоснование выбора типа усилительного элемента (транзистора). 5

Определение сопротивлений резисторов схемы. 5

Проверка рабочего режима каскада по постоянному току. 6

Расчет возможного ухода рабочего тока каскада. 7

Графический расчет рабочего режима. 8

Расчет малосигнальных параметров транзистора в выбранной точке покоя. 8

Расчет коэффициентов усиления, входного и выходного сопротивлений усилителя на средних частотах. 8

Расчет емкостей конденсаторов на низких частотах. 9

Определение верхней границы полосы пропускания. 10

Проверка результатов расчета на ЭВМ. 11

Постановка задачи.

Рассчитать элементы схемы однокаскадного усилителя, удовлетворяющего указанным техническим требованиям:

1.  Усилительный каскад выполнить по схеме ОЭ;

2.  Рекомендуемый тип транзистора – КТ350А;

3.  Амплитуда неискаженного выходного сигнала U_Н не менее 2 В;

4.  Коэффициент усиления напряжения K_U при сопротивлении нагрузки R_Н = 2 кОм и внутреннем сопротивлении источника сигнала R_Г = 100 Ом не менее 7;

5.  Усилитель должен обеспечить полосу пропускания при емкости нагрузки C_Н = 0.5 нФ не хуже: f_Н = 200 Гц, f_В = 10 кГц;

6.  Температурный диапазон: -40˚С…+60˚С.

Спецификация элементов схемы усилителя.

Схема усилительного каскада на базе биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с отрицательной обратной связью (ООС).

RЭ1

RН

VT КТ350А

CР1

RГ

R2

R1

EГ

RК

CР2

Назначение элементов:

·  Е_Г, R_Г – параметры источника входного сигнала;

·  R_H, C_H – параметры эквивалентной нагрузки;

·  С_Р1, С_Р2 – разделительные конденсаторы (разделяют цепь по постоянному току и связывают цепь усилителя с генератором и нагрузкой по переменному току);

·  R₁, R₂ – базовый делитель (задает рабочую точку транзистора, определяет входное сопротивление каскада);

·  R_Э1 – составная часть сопротивления в цепи эмиттера, задающее режим по постоянному току и создающее ООС по переменному и постоянному току, служит для повышения температурной стабильности каскада;

·  R_Э2 – составная часть сопротивления в цепи эмиттера, задающее режим по постоянному току, создающее ООС по постоянному току и служащее для повышения температурной стабильности каскада;

·  С_Э – блокирующий конденсатор (шунтирует R_Э2 по переменной составляющей, тем самым, увеличивая коэффициент усиления каскада);

·  R_К – сопротивление в цепи коллектора (задает режим работы по постоянному току, определяет выходное сопротивление каскада, является нагрузкой каскада по переменному току, тем самым, определяет коэффициент усиления каскада);

·  VT – нелинейный управляющий элемент;

·  E – напряжение питания схемы (задает режим работы по постоянному току, отдает промодулированную транзистором мощность в нагрузку).

Определение значения напряжения источника питания и рабочего режима транзистора.

Выберем напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ в рабочей точке следующим образом:

U_КЭА = -(U_Н + ΔU_Т + ΔU_НЕЛ), где U_Н =2 В - амплитуда неискаженного выходного сигнала,  ΔU_Т = 2 В – поправка на температурную нестабильность, ΔU_НЕЛ = 2 В – область нелинейности ВАХ.

 U_КЭА = -(2 + 2 + 2) = -6 В.

Определим напряжение источника питания Е как:

|Е_П| = |U_КЭА| + U_Н + ΔU_Е, где ΔU_Е = 2U_Н – амплитуда напряжения источника.

| Е_П | = 6 + 2 + 4 = 12В – совпадает со значением из номинального ряда.

Е_П = -12 В.

Определим ток коллектора I_К в рабочей точке:

I_КА = 1.45(I_~ + I_К0), где I_К0 = 2 мА – ток отсечки, I_~ - амплитуда тока через коллектор по переменному сигналу.

Т.о. рабочая точка найдена.

Обоснование выбора типа усилительного элемента (транзистора).

Основные справочные параметры транзистора КТ350А:

Тип прибора	Структура	РКmax, мВт	fГР, МГц	UКЭmax, В	IКmax, мА	β
КТ350А	p-n-p	200	>100	20	600	20...200

Т.к. полярность источника питания отрицательная, то структура транзистора должна быть p-n-p.

Проверка допусков:

Все требования к транзистору выполнены, следовательно данная модель может быть использована.

Определение сопротивлений резисторов схемы.

Сопротивления выходной цепи:

Округляя по номинальному ряду, получаем R_K = 510 Ом

Сопротивления входной цепи:

Округляя по номинальному ряду, получаем R₁ = 1200 Ом, R₂ = 270 Ом.

Проверка рабочего режима каскада по постоянному току.

Расчет возможного ухода рабочего тока каскада.

Учет колебания температур:

, где  - тепловой коэффициент;  - изменение температуры.

Учет разброса значений β:

 - коэффициент перераспределения тока базы

Таким образом, в наихудшем случае получим:

Графический расчет рабочего режима.

По пересечению нагрузочной прямой R₌ (U_БЭ = E_СМ + I_БR_СМ) с входной ВАХ транзистора определяем положение точки покоя: I_БА = 73 мкА. (См. графики).

По выходным характеристикам определим β:

По пересечению нагрузочной прямой R₌ (U_КЭ = E_П + I_К R₌) с дополнительной выходной ВАХ транзистора (I_Б = I_БА) определяем положение точки покоя: I_КА = 10.26 мА, U_КЭА = -5.1 В. (См. графики).

Расчет малосигнальных параметров транзистора в выбранной точке покоя.

Малосигнальная схема замещения транзистора в h параметрах имеет вид:

Расчет коэффициентов усиления, входного и выходного сопротивлений усилителя на средних частотах.

Малосигнальная схема замещения каскада в h параметрах на средних частотах имеет вид:

Положим K_U немного больше заданного:

Округляя по номинальному ряду, получаем R_Э1 = 33 Ом, R_Э2 = 130 Ом.

Расчет емкостей конденсаторов на низких частотах.

Округляя по номинальному ряду, получаем С_Р1 = 6.8 мкФ, С_Р2 = 1 мкФ, С_Э = 100 мкФ. Найдем нижнюю границу полосы пропускания:

Определение верхней границы полосы пропускания.

Проверка результатов расчета на ЭВМ.

Соберем схему в соответствии с заданием. Определим режим схемы по постоянному току и сравним с результатами расчета:

	Ручной расчет	Расчет на ЭВМ
IК, мА	8.55	8.59
UКЭ, В	-6.17	-6.21
IБ, мкА	77.7	60.81

Подадим на вход синусоидальный сигнал с частотой f = 1 кГц и амплитудой U_m = 300 мВ и проверим работоспособность усилителя. (См. графики).

	Ручной расчет	Расчет на ЭВМ
KU	-7.6	-7.4

Построим амплитудную характеристику:

UВХ, мВ	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
UВЫХ, В	-0.74	-1.467	-2.17	-2.815	-3.323	-3.587	-3.749	-3.891	-3.956	-4.015
UВХ, мВ	-100	-200	-300	-400	-500	-600	-700	-800	-900	-1000
UВЫХ, В	0.747	1.495	2.238	2.973	3.677	4.322	4.897	5.269	5.331	5.387

Снимем частотную характеристику усилителя и определим коэффициент усиления усилителя и граничные частоты усиления. (См. графики).

KUXX	fH, Гц	fВ, кГц
-9.5	101	608

Построим график зависимости входного сопротивления каскада от частоты и определим . (См. графики).

Построим график зависимости K_U(R_H) по экспериментальным точкам:

RH, кОм	0.1	1	10	100	1000
KU	1.5603	6.2897	9.0247	9.4349	9.4780

Определим выходное сопротивление: