Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе. Синтез и расчет усилителя малого сигнала в режиме класса «А»

Федеральное агентство по образованию РФ

Владимирский Государственный Университет

Кафедра КТРЭС

Лабораторная работа № 2

Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе

Выполнил: ст.гр. РЭ-103

Проверил:   

Владимир, 2005

Цель работы: синтез и расчет усилителя малого сигнала в режиме класса «А» (схема ОЭ).

Исходные данные.

Е_п = 20 B;

К_U более 30;

Сопротивление нагрузки не менее 10 кОм (R_н>10 кОм);

Схема с фиксированным напряжением базы;

Транзистор КТ315;

Задание.

1)  Рассчитать режим работы транзистора по постоянному току;

2)  Рассчитать коэффициент усиления каскада;

3)  Определить входное и выходное сопротивление каскада;

4)  Рассчитать входную, выходную и блокирующую емкости;

5)  Построить графики прохождения гармонического сигнала через усилитель, используя входные, проходные и выходные вольт-амперные характеристики заданного транзистора.

Ход работы.

Схема, для которой ведется расчет, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема, для которой ведется расчет

1. Расчет режима работы транзистора по постоянному току

Исходный транзистор n-p-n типа.

Для него величина I_кmaxдоп = 100 мА, коэффициент передачи базового тока β = 30…120 (возьмём среднее значение β = 75), U_{кэmaxдоп} = 50 В.

Для усилителя малого сигнала достаточно взять величину I_кmax, равную 10 % от I_кmaxдоп, т.е. I_кmax = 0.1* I_кmaxдоп = 0.1*100 мА = 10 мА.

Для того чтобы транзистор работал в режиме класса «А» надо, чтобы напряжение U_кэна было равно половине напряжения питания. Т.е. U_кэна = Е_п/2 = 20/2 В = 10 В.

Этому напряжению соответствует начальный ток коллектора

I_кна = I_кmax/2 = (10/2) мА = 5 мА.

Этому начальному току коллектора соответствует начальный ток базы

I_бна ≈ I_кна/β ≈ (5/75) мА ≈ 0.0667 мА ≈ 66.7 мкА.

Возьмем ток делителя равным

I_д = 3* I_бна = 3*67 мкА = 201 мкА.

Напряжение смещения U_бэна для кремниевого транзистора составляет [0.5…0.7] B. Примем U_бэна = 0.6 В.

На резисторе R₂ напряжение равно U_бэна, ток через него известен => можно найти номинал R₂:

R₂ = U_бэна/ I_д = (0.6/0.201) кОм = 3 кОм.

По 2 закону Кирхгофа:

U_R1 = E_п – U_бэна = (20 – 0.6) В = 19.4 В.

Ток через R₁ равен:

I_R1 = I_д + I_бна = (201 + 67) мкА = 268 мкА.

Номинал R₁ равен:

R₁ = U_R1/ I_R1 = (19.4/0.268) кОм ≈ 72.4 кОм.

Номинал R_к равен:

R_к = Е_п/ I_кmax = (20/10) кОм = 2 кОм.

2. Расчет коэффициента усиления по напряжению каскада

В активном режиме h_21Э ≈ β.

K_U = h_21Э*(R_н/R_вхоэ) = h_21Э*(R_н~/R_вхоэ)

R_н~ ≈ R_к||R_н ≈ R_к, т.к. R_к<<R_n

R_вхоэ = r_б + (1 + β)r_Э

Величина r_б лежит в диапазоне [400…1600] Ом, возьмем r_б = 1000 Ом.

Значение r_Э равно

r_Э ≈ φ_T/I_эна.

Начальный ток эмиттера примерно равен коллекторному, т.е.

I_эна ≈ I_кна = 5 мА.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

r_Э ≈ φ_T/I_эна ≈ 25 мВ/5 мА ≈ 5 Ом.

Наконец, входное сопротивление равно

R_вхоэ = r_б + (1 + β)r_Э = 1000 + 76*5 Ом = 1380 Ом.

Коэффициент усиления равен

K_U = h_21Э*(R_к/R_вхоэ) = 75*1000/1380 ≈ 54.

3. Определение входного и выходного сопротивлений каскада

Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение трех сопротивлений R_вхоэ, R₁ и R₂, т.е. R_вхкаск = R_вхоэ || R₁ || R₂.

Подставив численные значения можно получить:

.

Выходное сопротивление каскада равно R_{выхкаск} = R_к||R_н|| r_k^*. Т.к. r_k^* >> R_к||R_н =>

=> R_{выхкаск} ≈ R_к||R_н.

.

4. Расчет входной, выходной и блокирующей емкости

Сопротивления входной и выходной емкостей должны удовлетворять условиям:

X_Свх<<R_вхкаск, X_Свых<<R_выхаск.

Но на практике обычно берут сопротивление конденсаторов в три раза меньше входного и выходного сопротивления. Тогда :

X_Свх = R_вхкаск/3 = 1.07/3 кОм = 0.36 кОм;

X_Свых = R_{выхкаск}/3 = 0.6/3 кОм = 0.2 кОм.

Реактивное сопротивление конденсатора равно:

X_С = 1/(ωC),

откуда С = 1/(ωX_С) = 1/(2πfX_С), где f – рабочая частота. Примем f = 1000 Гц.

Тогда получим номиналы С_вх и С_вых:

С_вх = 1/(2πfX_Свх) = 1/(2*π*1000*436) Ф = 0.365 мкФ;

С_вых = 1/(2πfX_Свых) = 1/(2*π*1000*200) Ф = 0.796 мкФ.

5. Прохождение гармонического сигнала через усилитель

Рис. 2 Прохождение гармонического сигнала через усилитель

Вывод: В лабораторной работе были рассчитаны основные параметры усилительного каскада (ОЭ) на биполярном транзисторе КТ315. Рассчитываемый усилитель является усилителем с фиксированным напряжением базы, что достигается за счет делителя (R₁, R₂). Т.е. изменения тока базы не очень сильно влияют на ток через R₂, поэтому напряжение смещения U_бэ остается почти неизменным. Расчетный коэффициент усиления равен 54, это удовлетворяет начальному условию (K_U > 30). Видно, что он определяется не только самим БТ, но и внешним сопротивлением R_К. Выходное сопротивление каскада (937.5 Ом) почти совпадает с сопротивлением R_K, так что для расчетов можно считать выходное сопротивление примерно равным R_K, но при условии, что R_K << R_Н (практически всегда     r_k^* >> R_K и r_k^* >> R_Н, поэтому его можно не учитывать). Рассчитывая входную и выходную емкости, обычно требуют выполнения условий: X_Свх<<R_вхкаск, X_Свых<<R_выхаск. Но это приводит к необходимости использования конденсаторов большой емкости, что неудобно. Поэтому ограничиваются условиями: X_Свх<<R_вхкаск/3, X_Свых<<R_выхаск/3. Исследуемый усилитель работает в режиме класса «А», поэтому через него даже при отсутствии сигнала протекают значительные токи, что очень сильно снижает КПД , по теоретическим данным ≈ 40%.