Расчет и моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе

Федеральное агентство  по образованию 

Томский Государственный Университет  Систем Управления и Радиоэлектроники

 

(ТУСУР)

 

Кафедра ЭСАУ

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине 
«Схемотехника электронных средств автоматизированных систем»

 

 

«РАСЧЕТ  И МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. 539

______Лазарев Д. В.

 «__»_________

Принял:                                                                                                            

______Сиверцев В.Ф.  

«__»_________ 2012г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

 

 

 

1 Введение 3

2 Исходные данные 4

3 Расчетная часть 7

3.1 Расчет параметров режима каскада 7

3.2 Расчет обобщенных параметров усилительного каскада 9

      3.2.1 Номинальный режим 9

      3.2.2 Режим без обратной связи  10

      3.2.3 Режим при максимальной  обратной связи  10

3.3 Расчет конденсаторов 12

 

4  Моделирование усилительного каскада с помощью пакета MicroCap 13

4.1 Проверка режима по постоянному  току 13

4.2 Проверка нестабильности рабочей точки транзистора в температурном диапазоне (20˚±40˚) 15

         4.2.1 Проверка нестабильности  15

     4.2.2 Проверка нестабильности рабочего тока Iok 16

4.3 Графики сигналов на входе и выходе каскада и спектральная диаграмма выходного сигнала 17

      4.3.1 Номинальный режим 17

      4.3.2 Rэ1=0 18

      4.3.3 Сэ=0 19

4.4 Амплитудно-частотные характеристики  усилителя 20

      4.4.1 Номинальный режим 20

      4.4.2 Rэ1=0 21

      4.4.3 Сэ=0 23

4.5. Определение сопротивлений и  влияние на них емкостей 25

      4.5.1 Номинальный режим 25

      4.5.2 Rэ1=0 27

      4.5.3 Сэ=0 28

5  Заключение 32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Цель работы:

Расчёт и компьютерное моделирование усилителя на примере усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме включения с общим эмиттером, получение навыков в выборе параметров, соответствующих максимальному использованию транзистора, а также приобретение навыков компьютерного моделирования электрических схем в пакете схемотехнического моделирования Micro-Cap.

 

 

2. Исходные данные

 

Начальные параметры режима работы транзистора  и каскада возьмём из сводной  таблицы параметров.

 

Таблица 2.1 Параметры  режима работы каскада

120	1600	150	2	9	0.8	20	750	2.4		100

 

 

Рисунок 2.1 – Электрическая схема усилительного каскада.

 

 

 

 

3. Расчетная часть

3.1. Расчёт параметров режима  каскада и элементов принципиальной  электрической схемы 

 

1.Расчет параметров каскада по постоянному току

Рассчитаем  параметры рабочей точки.

I_об= / βo=2*10^-3/120=16.67мкА - ток базы.

  βo=Iok/Iob=2*10^-3/16.67*10^-6=119.97  - коэффициент передачи по току.

  - ток эмиттера.

    -  падение напряжения на .

  - общее сопротивление эмиттера.

 - напряжение на эмиттере.

  - напряжение коллектор – эмиттер.

  - напряжение на коллекторе.

Падение напряжения на базе-эмиттере возьмем U_0бэ=0.65 В

  - напряжение на базе.

2.Расчет делителя

В соответствии с рекомендациями ток делителя выбирают из соотношения                . Выберем среднее значение, тогда

 

Рассчитаем  сопротивления делителя _и , используя схему каскада:

По ряду Е24 выберем это сопротивление  и получим  27kОм

По ряду Е24 выберем это сопротивление  и получим  =68 kОм

Значит  общее сопротивление делителя (по схеме):

.

3.Расчёт режима по переменному току

      Амплитудные значения токов и  напряжений:

  - ток коллектора

        - ток базы

  - ток эмиттера

Рассчитаем  эквивалентное сопротивление нагрузки, при расчете выберем,     , но на будущее учтем, что так бывает не всегда.

 

Рассчитаем  амплитудное напряжение в нагрузке:

 

Рассчитаем  амплитудное значение тока в нагрузке:

    

Рассчитаем  амплитудное напряжение на эмиттере:

     

      Рассчитаем входное сопротивление транзистора и крутизну входной  характеристики.

      Сопротивление  r_б = 0 Ом (указано в характеристиках транзистора).

         - крутизна

         - напряжение база-эмиттер

          - напряжение коллектор-эмиттер

           - напряжение на базе

            - ток делителя,

 

Рассчитав основные параметры режима каскада и его элементы, можем составить сводную таблицу параметров режима (Таблица 3.1).

 

      Таблица 3.1 – Параметры режима усилительного каскада

Постоянный ток		Переменный ток		Сопротивления
Параметр	Значение	Параметр	Значение	Параметр	Значение
	2 мА		1.6 мА		1600 Ом
	16.67 мkА		13.336 мkА		20 Ом
	2.016 мА		1.6128 мА		750 Ом
	4.8 В		1.6 мА		770 Ом
	2.64768 В		1.92 В		2400 Ом
	0,65 В		32.256 мВ		2400 Ом
	4.2 В		53.58 мВ		68 кОм
	2.20232 В		21.33 мВ		27 кОм
	1.55232 В		1.952 В		20 кОм
	83.85 мкА		2.772 мkА		165 Ом

 

 

3.2. Расчет обобщенных параметров  усилительного каскада

3.2.1. Номинальный режим.

В этом режиме включены все ёмкости и все  сопротивления, т.е. это режим, в котором  мы можем реально оценить, что  мы получим в результате задания  рассчитанных выше параметров.

Входное сопротивление усилителя:

Ом

Входное сопротивление каскада:

  кОм

Проверим  глубина обратной связи:

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент  гармоник):

Коэффициент усиления по напряжению:

Максимальное  усиление по напряжению:

Нестабильность  под действием температуры:

Температурная нестабильность:

%

Нестабильность  рабочего тока под действием температуры:

%

Нестабильность  коэффициента усиления (без учета сопротивления ):

%

Нестабильность  коэффициента усиления (с учетом сопротивления ):

%

 

КПД транзистора:

КПД каскада:

3.2.2 Режим без обратной  связи ( )

 

Входное сопротивление усилителя:

Входное сопротивление каскада:

Ом

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент  гармоник):

Коэффициент усиления по напряжению:

Нестабильность  коэффициента усиления (без учета сопротивления ):

%

Нестабильность  коэффициента усиления (с учетом сопротивления ):

 

%

3.2.3. Режим при максимальной  обратной связи ( ).

 

Входное сопротивление  усилителя:

Ом

Входное сопротивление  каскада:

Глубина обратной связи:

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент  гармоник):

Коэффициент усиления по напряжению:

Нестабильность  коэффициента усиления (без учета сопротивления ):

%

Нестабильность  коэффициента усиления (с учетом сопротивления ):

%

 

Рассчитав обобщенные параметры усилительного  каскада для трёх случаев глубины  обратной связи, можем составить  сводную таблицу по этим значениям (Таблица 3.2).

Таблица 3.2 – Обобщенные параметры усилительного  каскада

Параметр	Номинальный режим
	4020 Ом	1600 Ом	94770 Ом
	3327.78 Ом	1477.66 Ом	16052.49Ом
	2.5125	1	59.23
	7.96%	20 %	0,34%
	35.82	90	1.52
	-1.6%	-4.2%	0.051%
	5.9%	8.7%	0.55%

 

 

Стабилизацию  рабочих токов исполняет сопротивление отрицательной обратной связи по постоянному току Rэ. В нашем случае отрицательная обратная связь по переменному току уменьшает усиление,  что не соответствует нашей цели, поэтому мы должны её ограничить по переменному току. Для этого в нашей схеме Rэ разбита на два сопротивления и вторая ее часть Rэ2 закорочена большой емкостью Cэ. Для переменного тока обратная связь создается только лишь при помощи Rэ1. Оно забирает часть входного сигнала, уменьшая падение напряжения между базой и эмиттером. Взамен сопротивление Rэ1 уменьшает нелинейные искажения усиливаемого сигнала во столько же раз, во сколько уменьшается усиление. То есть при увеличении Rэ1 увеличивается обратная связь, уменьшается уровень искажений сигнала и нестабильность усиления, но при этом снижается само усиление. При уменьшении Rэ1 всё происходи наоборот.

В данной работе рассмотрены три случая: номинальный  режим, когда _и режим когда =0.

При номинальном  режиме когда включены все емкости и все сопротивления мы имеем достаточно хорошее усиление при не больших нелинейных искажениях, что весьма неплохо. В режиме, когда обратная связь отсутствует, входное сопротивление усилителя   и всего каскада  падает и усиление становиться максимальным, но при этом мы получаем большие нелинейные искажения. В режиме когда =0,  наблюдаем резкое увеличение входных сопротивлений и . Емкость в эмиттерной цепи отсутствует в результате мы получили очень маленький коэффициент нелинейных искажений, но при этом большая обратная связь снизила само усиление. В этом режиме коэффициент усиления довольно мал, что для усилительного каскада неприемлемо.