Расчет каскада усилителя напряжения низкой частоты с реостатно-емкостной связью

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Используя  входные и  выходные характеристики транзистора графическим методом найти h - параметры, определить тип транзистора, режим работы транзистора. Найти сопротивление коллекторного и эмиттерного перехода, сопротивление делителя напряжения, емкости разделительных конденсаторов.

Исходные данные:

1) U_{вых m} = 4,0 В;

2) R_н = 550 Ом;

3) f_н = 190 Гц;

4) М_н = 1,2;

5) Е_пит  = 15 В;

Усилительный каскад с общим эмиттером:

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ                                                   2.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ                                                                                      4.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ТРАНЗИСТОРА                                          5.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА                      5.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЦЕПИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕПИ  ЭММИТЕРА                                                    5.  

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ COIIPOТИВЛЕПИЯ ДЕЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ  5.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТЕЙ  КОНДЕНСАТОРОВ                             6.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ КАСКАДА ПО НАПРЯЖЕНИЮ                                                                                                       6 .

7. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА                                          6.

8. физическая эквивалентная схема                                        7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                          10.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК                                                  11.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Нелинейные искажения выходного тока                  12. 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Выходные характеристики                                         13.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Германиевые сплавные транзисторы p-n-p типа предназначены для работы в усилителях напряжения низкой частоты с ненормированным коэффициентом шума. Выпускаются в металлокерамическом корпусе с гибкими выводами. Масса транзистора не более 2 грамм.

Электрические параметры:

Предельная частота передачи тока при Uкб=5В, Iэ=1мА не менее 1МГц

Коэффициент шума при Uкб=1.5В, Iэ=0.5мА, f=1кГц не более 12 дБ

Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала при  Uкб=5В, Iэ=1мА, f=1кГц , Т=293К равен 20-40

Обратный ток коллектора при Uкб=5В,  Т=293К равен 15мкА

Обратный ток  эмиттера при Uэб=5В,  Т=293К равен 30мкА

Сопротивление базы при Uкб=5В, Iэ=1мА, f=500кГц не более 220 Ом

Выходная полная проводимость в режиме малого сигнала при холостом ходе Uкб=5В, Iэ=1мА, f=1кГц не более 3.3 мкСм

Емкость коллекторного перехода при Uкб=5В,  f=1МГц не более 60 пФ

параметры	Режим  измерения	МП 40А
h21э	UКБ=-5В, IЭ=1мА,f=1кГц,θокр=20°С	20..40
IКБО,мкА	UКБ=-5В,  θокр=20°С	≤15
IЭБО, мкА	UЭБ=-5В, θокр=20°С	≤30
fh2, МГц	UКБ=-5В, IЭ=1мА	≥1
h22б, мкСм	UКБ=-5В, IЭ=1мА, f=1кГц	≤2.5
rб, Ом	UКБ=-5В, IЭ=1мА, f=500кГц	≤200
Ск, пФ	UКБ=-5В,  f=465кГц	≤50

Предельные эксплуатационные данные

Постоянное напряжение коллектор-база при Т=213-313 К равно 30В

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при R≤10кОм и Т=213-313 К равно 30В

Постоянное напряжение эмиттер-база равно 10В

Постоянный ток коллектора равен 30мА

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ТРАНЗИСТОРА

Выбираем тип транзистора. Выбор осуществляется по трем основным параметрам: Е_{кэ мах}, I_{к мах}, Р_{к мах}. Рассчитаем необходимые данные, руководствуясь следующим условиям:

1) U_{кэ мах} ≥ (1,1 ÷ 1,3)*Е_пит. Тогда, U_{кэ пред} = Е_{кэ мах} = 1,1*15 = 16.5 (B)

2) I_{к мах} >2*I_{н max}= 2*U_{вых мах}/R_н. Тогда, I_{к мах} = 2*4/550 = 15 (мА)

3) Р_мах = I_{к мах} * U_{кэ мах}. Тогда, Р_мах = 15*0.017 = 255 (мВт)

Выбираем малой мощности транзистор р-n-p типа - МП40А, для которого U_кэmax=30 (В), I_кmax=30 (мА), Р_мах=150 (мВт),  β_min=20, β_max=40, I_кmin=25 (мkА).

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Режим работы транзистора определяем по нагрузочной  прямой, построенной на семействе выходных статистических (коллекторных) характеристик для ОЭ (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А). Нагрузочная прямая строится по двум точкам: О - точка покоя (рабочая) и 1, определяемая значением напряжения источника питания Е_пит. Координатами О являются ток покоя I_к0 и напряжения покоя U_кэ0 (т.е. ток и напряжение, соответствующие U_вх =0). имеет координаты I_к0=(1.05÷1.2)∙I_вых=(1.05÷1.2)∙U_вых/R_н и U_кэ0=U_вых+ΔU_кэ= =U_kmax+ ΔU_кэ. СледовательноI_к0=(1.05÷1.2)∙4/550=6(мА),ΔU_кэ=(0.5÷1)(В),U_кэ0=U_вых+ΔU_кэ=4+1=5 (В), а считая I_к=0, что имеет место при холостом ходе со стороны выходных зажимов, находят на оси абсцисс точку U_кэ=E_пит=15(В).

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЦЕПИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕПИ  ЭММИТЕРА

Общее сопротивление R_к+R_э можно определить по формуле: R_общ=E_пит/I где I=I_кm=10 (мА)  определяется графически (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А) пересечение нагрузочной прямой с осью ординат.

R_э=(0.15÷0.25) R_к => R_к= R_общ/(1.15÷1.25), => R_э=R_общ-R_к

R_общ=15÷(10∙10^-3)=150 (Ом). Следовательно, R_к=150/1.25 =120 (Ом), => R_э= R_общ-R_к =150-120=30 (Ом).

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ COIIPOТИВЛЕНИЯ ДЕЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Наименьший коэффициент усиления по току (для схемы с ОЭ) для транзистора МП 40А β_min=20, тогда I_{вх min}=I _{б min}=I_{к min}.

I _{б m}=I_{к m}÷ β_min=3.6÷20=0.18(мА).( I_кm определяется графически по выходным характеристикам (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А) – т.к. ΔU_кэ=0.5В, то находим точку пересечения прямой U_кэ=0.5В с нагрузочной прямой, следовательно получим I_кmax. I_{к m}= I_кmax- I_к0).

Амплитуда входного тока I _{б m}=(I _{б mах} - I _{б min})/2=(0.4-0.004)/2= =0.18(мА).

По входной статической характеристике (для схемы с ОЭ):

U_{бэ min}=0.15 (B), U_{бэ max}=0.26 (B); 2U_вх=2U_бm =U_{бэ max}- U_{бэ min}=0.26-0.15=0.11(B).

Для определения сопротивления делителя необходимо найти входное сопротивление переменному току без учета делителя.

R_вх≈=2U_{вх m} ÷2I_{вх m} ≈2U_бm ÷2I_бm, где U_бm находится графически по входным характеристикам (см. ПРИЛОЖЕНИЕ А). => R_вх≈=0.11÷0.00036= =305(Ом)

Параллельное соединение сопротивлений делителей R₁₂≥(8÷12)∙R_вх≈

R₁₂=, =>  R₁₂≈ 8∙305 ≈ 2440(Ом)

R₁=  =>   R₁==203333.3(Ом)≈40 (кОм)

R₂==2469,6(Ом) ≈2,5 (кОм)

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТЕЙ

Определим, будет ли схема достаточно стабильна т.е. определим коэффициент нестабильности усилительного каскада S.

S= 

=> работа рассчитанного каскада недостаточно стабильна.

Определим  емкость С_p:

С_p==4.5∙10^-11(Ф)

Этот конденсатор служит для пропускания в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задерживает постоянную составляющую напряжения.

Определим   C_э :

C_э ≥=2.8∙ 10^-4(Ф)

Значит для полного устранения отрицательной обратной связи необходимо