Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером. Амплитуда тока нагрузки. Проверка для исключения дебютной ошибки

Исходные данные:

1.Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером.

Uнм = 5,6 В

Rн = 780 Ом

Rк = 580 Ом

Rг = 100 Ом

fн = 85 Гц

2.Параметрический стабилизатор напряжния.

3.Однополупериодный выпрямитель и фильтр.

Расчет усилителя:

1.Определить координаты точки покоя 0 [Uок; Iок], напряжение питания Ек. Построить статическую и динамическую линии нагрузки. Определить  требования к транзистору по предельным параметрам и ВАХ. Выбрать  транзистор.

Рассчитываем токи:

 - амплитуда тока нагрузки.         

 - амплитуда тока резистора Rk.    

- амплитуда тока коллектора.  

Проверка для исключения дебютной ошибки:

Определяем эквивалентное сопротивление в цепи коллектора для переменной составляющей I_к    R_кн=R_к êêR_н  = (R_кR_н)/(R_к+R_н) и амплитуду тока коллектора Iкм=Uкм/Rкн.

- сопротивление на переменном токе.    

- амплитуда тока коллектора.                  

Ток покоя выбирают из условия Iок>Iкм или Iок=Iкм+D_I, где D_I=1¸3 мA -минимальный ток коллектора.

Iok = Iкм +D_I = 17 +(1¸3) = (18¸20) мA.- ток покоя коллектора.

Выберем  ток покоя коллектора Iок = 20 мА.  

Напряжение покоя для исключения режима насыщения определяем из условия Uокэ>Uкm или Uокэ=Uкm+D_U, где D_U=2¸3 В -минимальное напряжение.

Uокэ=Uкm+DU= 5,6+(2¸3)= (7,6¸8,7 ) В.- Напряжение покоя коллектор-эмиттер.

Выберем  Напряжение покоя коллектор-эмиттер Uокм = 8 В.

Определим   резистор Rэ:

Rэ=(0.05¸0.15)Rк= (0.05¸0.15)580= 29¸87 Ом. Выбираем Rэ=82 Ом,

- Мощность, рассеиваемая резистором.

Определяем напряжение питания:

Ек = Uокэ + Iок Rк+ Iоэ Rэ»Uокэ + Iок (Rк+Rэ)=8+0.020· (580+82) 21 В.

Статическая линия нагрузки (СЛН):

Статическая линия нагрузки (СЛН) проходит через точки с координатами [Uкэ=Ек;Iк=0],  [Uокэ ; Iок]  и [Uкэ=0; Iк=Ек/(Rк+Rэ )=21/(580+82)=0,032=32 мА].

Напряжение UА=Uокэ+Iок·Rкн=8+0,020·333=14.653»15В.

Динамическая линия нагрузки (ДЛН):

Динамическая линия нагрузки (ДЛН) проходит через точки с координатами [Uкэ=UA;Iк=0],  [Uокэ ; Iок]  и [Uкэ=0; Iк=UA/Rкн=14.65/333= 0.044 А= 44 мА].

Построив линии нагрузки Рис.1,  определим предельные параметры транзистора:

Iк макс > UA/Rкн  или Iк макс > Iок +Iкm,Uкэмакс > Ек, кмакс > Iок×Uокэ.

I_{к max}>I_ок + I_км= 14 + 12 =26 мА

U_{кэ max}>Ек=13 В

P_{к max}> U_окэ × I_ок= 14 × 4 = 56 мВт

По рассчитанным предельным параметрам подбираем транзистор по справочнику[1].

Расчитанным данным удовлетворяет транзистор КТ3102Б (основные параметры  которого см. Приложение А).

2.Определить координаты точки покоя 0[U_обэ;I_об] на входных ВАХ,  рассчитать элементы, обеспечивающие режим покоя.

По графикам определяем:

Ток Iоб определяется по пересечению ДЛН с соответствующей кривой семейства выходных характеристик Рис.2. Максимальный и минимальный токи базы определяют по соответствующим им токам Iок + Iкм  и  Iок – Iкм следующим образом:

Iбмакс = 0.11 мА       Iоб = 0.06 мА        Iбмин = 0.01 мА

На входной характеристике отмечаем токи Iбмакс и Iбмин и находим соответствующие им значения напряжений (Рис.2):

Uобэ = 0.56 В     Uбэмакс = 0.60 В     Uбэмин = 0.50 В  

С помощью делителя R_б1 - R_б2 формируется потенциал U_об, а для уменьшения влияния тока базы ток делителя выбирается из условия I_дел = (5¸10)I_об. Сопротивления резисторов находят из уравнений входной цепи:

U_об =I_оэR_э+U_обэ= (I_ок+ I_оБ)·R_э+U_обэ= I_дел R_б2

Е_к = U_об + (I_дел + I_об)·R_б1;  

I_дел = (5¸10)I_об = (5¸10) 0.06 = 0.3 ¸0.6        возьмём I_дел = 0.6 мА

U_об =I_оэR_э+U_обэ= (I_ок+ I_оБ)·R_э+U_обэ= (0.020+0.06)82+0,56 =2.2049 В

Резисторы с такими номиналами промышленностью не выпускаются, поэтому выбираем резисторы из ряда сопротивлений по справочнику[2] наиболее близким является номинал в 30кОм и 3.6кОм.

3. Графоаналитическим методом рассчитать параметры усилителя: R_ВХ, КU, Ке, Кi, КР.

Для определения параметров усилителя на входной характеристике находят значения переменных входных сигналов (рис. 3).

Iбm = 0.5(Iбмакс - Iбмин);     Uбm = 0.5(Uбэмакс - Uбэмин)

и рассчитывают параметры:

Iбм= (Iбmax – Iбmin)/2 = (0.8 – 0.1)/2 = 0.35 мА

Uбм= (Uбэmax – Uбэmin)/2 = (0.768 –0.688)/2 = 0.04 В

Рассчитаем параметры усилителя:

– входное сопративление транзистора

R_вхт= U_бм / I_бм = 0.04 / 0.35× 10^-3 = 114 Ом,

–  входное сопративление усилителя

R_вх = R_вхт½½ R_б = 114 × 30000 /30114 = 113.55 Ом,

–  коэффициент усиления по напряжению

Ku = Ukm / Uбm = 3 / 0.04 = 75,

–  входной ток

I_вхм = I_бм + U_бм / R_б = 0.35 + 0.04 / 30 =0.352 мА,

–  необходимое напряжение генератора

Е_гм = U_бм + I_вхм × R_г = 0.08 + 0.352 × 10^-3× 110 = 0.119 В,  

–  сквозной коэффициент усиления по напряжению

Ke = Uкм / Eгм = 3/0.119 = 25.21 < Ku

–  коэффициент усиления транзистора по току

Kiт = Iкм / Iбм =  12 / 0.35 = 34.29,

–  коэффициент усиления усилителя по току

Ki = Iнм / Iбм = 7.1 / 0.35 = 20.29 = Kiт · Rк /(Rк+Rн) = 34.29 · 620 / (420+620) = 20.4 < Kiт

–  коэффициент усиления транзистора по мощности

Крт  = Кu × Кiт = 75 × 34.29 = 2571.75,

–  коэффициент усиления усилителя по мощности

Кр  =  Кu × Кi = 3.68,

–  мощность сигнала на выходе транзистора

Р_вых = U_кm · I_кm / 2 = 3 · 12 / 2 = 18 мВт,

–  мощность сигнала на нагрузке

Р_н = U_нm · I_нm / 2 = 3 · 7.1 / 2 = 10.65 мВт,

–  потребляемая мощность

Р_о  = Е_к · I_ок = 13 · 14 · 10^-3 = 182 мВт,

–  коэффициент полезного действия

h_ус = Рн / Ро = 10.65 / 182 = 0.0585 <0.06.

4  По статическим ВАХ транзистора определяем hэ-параметры. Рассчитаем физические параметры Т-образной схемы замещения в схемах ОЭ и ОБ. Изобразим схемы замещения.

h – параметры определим по статическим ВАХ транзистора. h – параметры одни из главных параметров в транзисторе. Они составляются по эквивалентной схеме транзистора – четырехполюснику. Основными параметрами четырехполоюсника являются: входное сопративление, коэффициент обратной связи по напряжению, коэффициент прямой передачи по току, выходная проводимость. Этими параметрами, также, определяются  h – параметры для транзистора.

Входное сопротивление транзистора

Коэффициент прямой передачи по току:

Входная проводимость:

Параметр  h_12э определить по графику невозможно, так как справочные входные ВАХ содержат только одну кривую семейства, поэтому для определения параметра h_12э можно применить физические параметры, порядок расчета следующий (j_Т=25мB):

r_Э  = j_Т/Iоэ = j_Т /(Iок + Iоб),   r_Б  = h_11Э - (1 + h_21Э)×r_Э>0,   h_12э = r_э×h_22э= r_э/r_к^*

И тогда коэффициент обратной передачи по напряжению:

h_12Э = r_Э×h_22Э = 1,73 × 2 × 10^-4 = 3,5 × 10^-4

Для объяснения процессов происходящих в транзисторе используется модель Эберса – Молла, которая их поясняет на примере токов.

4.1 Схема замещения биполярного транзистора в семе включения с ОЭ

b = h_21Э = 52

h_22Э =1 / r_к^* ;      r_к^* = 1 / h_22Э =1 / 2×10^-4 = 5000 Ом

r_к = r_к^* ×(1 + b) = 256 кОм

h_12Э = r_э / r_к^*;     r_э = h_12Э × r_к^* = 3,5×10^-4 × 5000 = 1,7 Ом

h_11Э = r_б + (1 + b) r_э ;   r_б = h_11Э – (1 + b) r_э = 100 – (1+52)×1,7 = 9.9 Ом

r_э = j _Т / I_ОЭ ;     I_ОЭ = j _Т / r_э = 0,025 / 1,7 = 14,7 мА

4.2 Схема замещения биполярного транзистора в схеме с ОБ

a = b / 1+b = 52 / 53 = 0,98

h_22Б =1/ r_к = 3,9×10^-6

h_12Б = r_Б / r_Б + r_к » 9.9 / 256000 = 3,87×10^-5

h_11Б = r_э + (1–a) r_Б = 1,7 + (1–0,98) ×9,9 = 1,9

h_21Б » –a

5  Определить параметры усилителя Rвх, К_U, Кi через hэ-параметры.

R_вх» h_11э,          К_u» -h_21э×(R_кн  êê1/h_22э)/h_11э,        Кiт=h_21э.

R_вх » h_11э = 100 Ом

Кiт = h_21э =52

Параметры, рассчитанные через h-параметры совпадают с параметрами, рассчитанными в п.3 с точностью 20-30%. Следовательно, они рассчитаны, верно.

6  Рассчитаем емкости разделительных конденсаторов.

Разделительные конденсаторы С₁ и С₂ предотвращают прохождение постоянных составляющих напряжений на вход и выход усилителя и пропускают только переменные.

Они рассчитываются из условия:  X_C1 < Rг + Rвх;