Расчет транзисторного усилителя

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ  И ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Федеральное государственное  общеобразовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Чувашский государственный  университет имени И.Н. Ульянова» 

 

 

Факультет дизайна и  компьютерных технологий

Кафедра компьютерных технологий

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине

«Электротехника и электроника»

Тема: Расчет транзисторного усилителя

Вариант №25

 

 

 

                 Выполнил: студент ДиКТ-21-09:

               Петров А.Н.

                Проверил: доц. Захаров В. Г.

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2010

 

Содержание

 

Введение                                         3

 Задание                                         8

1. Каскад с общим эмиттером                                                9

2. Расчет каскада по постоянному току                                                      10

3. Расчет каскада по переменному току   12

4. Список литературы 16

5. Приложение       17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Усилитель — это электронное устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности входного сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искажений.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспечения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как правило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой  электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи усилителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится. При последовательном соединении каскадов их коэффициенты усиления перемножаются. Связь между каскадами может быть гальванической, емкостной и трансформаторной.

По диапазону  усиливаемых частот усилители делятся  на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) и сверхвысокочастотные усилители (СВЧ). Амплитудно-частотная характеристика УНЧ имеет три участка: область низких частот от f=0 до нижней частоты  f_н; область средних частот от низкой f_н до высокой частоты f_в (полоса пропускания 2Δf) и область высоких частот от f_в и выше, при этом на высоких частот коэффициент усиления по напряжению K_U ограничивается частными свойствами транзистора, т.е. снижением коэффициента передачи В (рис. 1). На граничных частотах f_н  и f_в усиление по напряжению уменьшается в раз, соответствует снижению выходной мощности на этих частотах в два раза.

По режимам  работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элементы усилителя при воздействии малых переменных сигналов характеризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная  зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный режим работы. Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначению, по   полосе усиливаемых частот 2Δf, по характеру усиливаемого сигнала и т. д. К дополнительным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного действия,  потребляемую от  источника  питания   мощность,  нелинейные    искажения,     массу,  габариты и т. п.

Схемотехника  усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают: усилитель с общим эмиттером (0Э), усилитель с общей базой (ОБ) и усилитель с общим коллектором (ОК). По переменному напряжению в этих схемах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

Схема усилительного каскада  с общим эмиттером показана на рис. 2. Эмиттер транзистора VT (тип транзистора n-p-n) соединен с корпусом усилителя. Через катушку L с большой индуктивностью, называемую дросселем, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_см = 0,5...0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Резистор R_э служит для температурной стабилизации режима транзистора. Конденсатор С_э устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

В каскаде  различают постоянные и переменные токи, причем переменные токи протекают  на уровне постоянных.  Через конденсатор С_р1 переменный ток от источника напряжения U_вх поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллектора. Конденсатор С_р1 имеет большую емкость и для переменного напряжения не представляет значительного сопротивления, но не пропускает на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале, а также предотвращает замыкание напряжения смещения Е_см на корпус через внутреннее сопротивление источника переменного сигнала U_вх. Усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с "закрытым" входом. Дроссель L, имея большую индуктивность, для переменного тока имеет большое сопротивление и входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь замыкается через эмиттерный переход транзистора. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные сигналы. К недостаткам каскада можно отнести наличие дросселя и второго источника – напряжения смещения.

В цепи коллектора каскада включено сопротивление внутренней нагрузки R_к, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора протекает через выходной разделительный конденсатор С_р2 по внешней нагрузке усилителя R_н, подключенной к выходным зажимам каскада. На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сигнал. Мощность сигнала обеспечивает источник питания Е_пит. Коэффициент усиления каскада с ОЭ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

где B- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, R_ист.с – внутреннее сопротивление источника сигнала, R_вх – входное сопротивление транзистора, знак минус отражает изменение фазы выходного сигнала на 180^о по отношению к входному сигналу, т.е. выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Схема усилителя с общей  базой (ОБ) показана на рис. 3. Назначение разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления в этой схеме аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отличие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель L на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смещения. При такой полярности напряжения смещения транзистор открывается и через него начинает протекать постоянный ток эмиттера. На уровне этого постоянного тока развивается переменный входной ток, который проходит в коллектор. За счет сравнительно большей величины  сопротивления в коллекторной цепи по отношению к сопротивлению в эмиттерной цепи,  происходит усиление мощности сигнала: Z_к > Z_ген+ Z_вх , где Z_ген – внутреннее сопротивление генератора сигнала, Z_вх – входное сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления каскада с ОБ по переменному  напряжению рассчитывается по формуле:

,

На рис. 3 приведена схема усилителя с общим коллектором (ОК). В этой схеме важную роль играет блокировочный конденсатор  С_бл. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, блокировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать практически одинаковыми переменные потенциалы верхней и нижней шин питания и соединить через свое малое сопротивление коллектор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. Поэтому на коллекторе переменное напряжение практически равно нулю, т.е. коллектор соединятся с общей шиной по переменному току и каскад получает название ОК. По постоянному току, в отличие от приведенных выше схем с общим эмиттером и с общей базой, коллектор транзистора VT с корпусом не соединен, — напротив, на коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания. Отметим, что при отсутствии блокировочного конденсатора рассматриваемая схема будет близка к схеме ОК, так как коллектор транзистора будет соединен по переменному напряжению с корпусом через источник питания, внутреннее сопротивление которого равно нулю в идеальном случае. Внутренней нагрузкой в усилителе ОК является эмиттерное сопротивление R_э, подключенное к эмиттеру транзистора. Внешняя нагрузка R_н подключается к выходу усилителя через разделительный конденсатор С_р2. 

Коэффициент усиления каскада с ОК по переменному  напряжению незначительно меньше единицы  и рассчитывается по формуле:

.     

Выходное напряжение каскада с ОК повторяет входное  напряжение по амплитуде и по фазе, поэтому каскад называют эмиттерным повторителем. Достоинства каскада с ОК – большое входное и малое выходное сопротивления, что позволяет усиливать слабые токи входного сигнала.                     

Блокировочные конденсаторы часто включаются в  состав источников питания. В этом случае они могут отсутствовать в схемах усилителей. Блокировочные конденсаторы в больших количествах устанавливаются на материнских платах персональных компьютеров и в других узлах ЭВМ. Их задача - устранить влияние сигналов в одних частях схемы на сигналы в других частях устройства.

 Резистивный усилитель — это усилитель, у которого в качестве нагрузки используются резисторы. Так как в этом усилителе из-за отсутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элементов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов, то резистивный усилитель часто называют апериодическим усилителем. Резисторы в резистивном усилителе используются в качестве внутренней и внешней нагрузок.

 

Задание:

Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером с исходными данными:

Тип транзистора –  КТ3816. Предназначен для работы в бытовой

видеотехнике в составе  гибридных интегральных микросхем (ГС) и в другой аппаратуре широкого применения с общей герметизацией, структуры p-n-p, усилительный.

U_к.доп =15 В- допустимое напряжение коллектора.

I_к.доп =15 мА – допустимый ток коллектора.

В=20-70 - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Р_к.доп =0,03 Вт- допустимая мощность, рассеиваемая транзистором без радиатора.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n  перехода.

М_н =1.41 – коэффициент частотных искажений (для расчета конденсаторов).

Ряд номинальных значений Е12 для резисторов и конденсаторов  с допустимым отклонением  % (ГОСТ 2519-67):

1,0

1,2

1,5

1,8

2,2

2,7

3,3

3,9

4,7

5,6

6,8

8,2

Ряд номинальных значений Е12 для мощности (Вт), рассеиваемой резисторами, с допустимым отклонением  % (ГОСТ 2519-67):

0,125

0,2

0,5

1,0

2,0

 

 

1. Каскад с  общим эмиттером, назначение элементов

Электрическая принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером представлена на рис. 5.

Назначение элементов:

VT – транзистор типа n-p-n.

- делитель напряжения - задает  потенциал покоя базы относительно корпуса (земли, общей шины).

- режимный резистор, задает рабочую  точку транзистора по постоянному  току (ограничивает ток коллектора  на допустимом уровне).

- стабилизирует рабочую точку транзистора при изменении температуры окружающей среды за счет напряжения обратной связи, которое подзакрывает транзистор при повышении температуры.

- внешняя нагрузка (динамик, входное  сопротивление следующего каскада).

С₁, С₂ - разделительные конденсаторы (отделяют переменные составляющие сигнала от постоянных составляющих).