Расчёт усилителей на биполярных транзисторах

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи  и информатики (филиал)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Курсовая работа по дисциплине «Основы схемотехники»

Пояснительная записка

200900 000000 086 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель		В.А. Матвиенко
канд. техн. наук, доцент
Студент группы АЕ-92		Е.П. Быков

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2011

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………....3

1. Исходные данные……………………………………………….……………...4
2. Расчет усилительного каскада………………………………………………...6
1. Схема включения биполярного транзистора……………………………6
2. Построение нагрузочной прямой по постоянному току………………...6
3. Определение малосигнальных параметров транзистора в Р.Т………….8
4. Определение величин элементов эквивалентной схемы транзистора….9
5. Определение  граничной и предельных частот транзистора…………..10
6. Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному току…………………………………………………………………………11
7. Построение сквозной характеристики………………………………...…11
8. Определение динамических параметров усилительного каскада……...13
9. Коэффициент нелинейных искажений……….………………………….14

Заключение…………….………………………………………………………….16

Список литературы ……..……………………………………………………..…17

Схема устройства………..………………………………………………………..18

Перечень элементов……..………………………………………………………..19

 

Введение

Цель  курсовой работы состоит в закреплении  знаний, полученных при изучении дисциплины «Основы схемотехники», в получении  опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов, а так же в активизации самостоятельной  учебной работы студентов, в развитии умений выполнять информационный поиск, пользоваться справочной литературой, определять параметры и эквивалентные  схемы биполярных транзисторов, получить разностороннее представление о  конкретных электронных элементах.

В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданного  типа транзистора выписать паспортные параметры и статические характеристики, в соответствии со схемой включения  и величинами элементов схемы  усилительного каскада выбрать  положение режима покоя, для которого рассчитать величины элементов эквивалентных  схем транзистора и малосигнальные параметры транзистора, графо-аналитическим  методом определить параметры усилительного  каскада.

 

2. Исходные данные

1. Тип активного элемента	Биполярный транзистор
2. Схема включения активного элемента	С общим эмиттером
3. Используемый активный элемент	КТ301
4. Напряжение источника питания, Eп	9 В
5. Номинал резистора в цепи,  Rк	1,6 кОм
6. Номинал резистора в выходной  цепи, Rн	2,2 кОм

 

Проектируемое устройство основано на биполярном транзисторе КТ301. Транзистор КТ301 – кремниевый планарный n-p-n типа, предназначенный для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60МГц. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,5г. 

 

 

Максимально допустимые параметры

(гарантируются при температуре  окружающей среды Т_С=-55…+85^о С):

 

Постоянный ток коллектора: I_{К max}=10 мА

Импульсный ток эмиттера: I_{Э max}=10 мА

Постоянное напряжение эмиттер–база: U_{ЭБ max}=3 В

Постоянное напряжение коллектор  – база: U_{КБ max}=20 В

Постоянное напряжение коллектор  – эмиттер (при к.з. между эмиттером и базой): U_{КЭ R max}=20 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора (при Т_К=-55…+60^о С):

P_{К max}=150 мВт

Температура перехода: Т_{П max}=120^о С

Допустимая температура окружающей среды: -55≤Т_max ≤+85, ^оС

 

 

 

 

 

 

Классификационные параметры:

Наименование	Обозначение	Значения		Режимы измерения
		Min	Max	UК, В	UЭ, В	IК, мА	IБ, мА	IЭ, мА	f, МГц
Обратный ток коллектора, мкА	IКБО		10	20
Обратный ток эмиттера, мкА	IЭБО		10		3
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В	UКЭ нас		3			10	1		10-2
Напряжение насыщения база-эмиттер, В	UБЭ нас		2,5			10	1		10-2
Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте	|h21Э|		1	10				3	20
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ	h21Э	20	60	10				3
Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, нс	τК		2	10				2	2
Максимальная частота генерации, МГц	f max	30		10				3

 

 

 

 

3.Расчет усилительного каскада

 

1.  Схема включения биполярного транзистора

 

Рисунок 1. Схема включения биполярного  транзистора с общим эмиттером  и с эмиттерной стабилизацией

 

3.2 Построение нагрузочной прямой по постоянному току

Рисунок 2. Входные и выходные характеристики используемого транзистора

 

Нагрузочную прямую строим по двум точкам:

1. I_к=0 и U_кэ= E_п = 9 В
2. U_кэ=0 и

Параметры режима покоя

U_кэ0 = 15 В

I_к0 = 7 мА

I_б0 = 0,06 мА

U_бэ0 = 0,65 В

В схеме  с эмиттерной стабилизации рабочей  точки используется отрицательная  обратная связь по постоянному току. Величина резистора R_э, задающего обратную связь, определяется из условия R_э = 0,2 R_к. Затем выбирается ток делителя I_д протекающий через R₂, много большим, чем I_б0, и определяются R₁ и R₂ по следующим соотношениям:

 R_э=470 Ом

 

 

 

Из ряда Е24 выбираем подходящие значения сопротивлений:

R₂ = 6,8 кОм

R₁ = 47 кОм

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Определение малосигнальных параметров транзистора в Р.Т.

Входное сопротивление, измеряемое при  коротком замыкании на выходе транзистора:

 

 

 

Коэффициент передачи по току, измеряемый при коротком замыкании на выходе транзистора:

 

 

Выходная проводимость, измеряемая при холостом ходе на входе транзистора:

 

 

 

Коэффициент обратной связи, измеряемый при холостом ходе на входе транзистора:

 

 

(DI_к, DI_к ,DU_бэ, DU_кэ – приращения, взятые симметрично относительно рабочей точки О).

 

3.4 Определение величин элементов эквивалентной схемы транзистора

   Рисунок 3. Физическая малосигнальная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора

Барьерная ёмкость коллекторного  перехода:

 

                      

 

Выходное сопротивление транзистора:

 

                    

 

Сопротивление коллекторного перехода:

 

 

Сопротивление эмиттерного перехода для эмиттерного тока:

 

 

Сопротивление эмиттерного перехода для базового тока:

 

 

 

 

 

Распределение сопротивления базы:

 

 

Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода:

 

 

Собственная постоянная времени транзистора:

 

 

Крутизна транзистора:

 

3.5 Определение  граничной и предельных частот транзистора

Граничная частота  усиления транзистора в схеме  с ОЭ:

 

Предельная  частота в схеме с ОЭ:

 

 

Предельная частота транзистора  по крутизне:

Максимальная  частота генерации:

 

6.  Определение сопротивления нагрузки транзистора по переменному току

Нагрузочная прямая по переменному току проходит через точку режима покоя (U_кэ0 = 13 В, I_к0 = 7 мА) и точку с координатами (U_кэ = I_к0 * R_i + U_кэ0,

I_к = 0), таким образом втора точка имеет координаты U_кэ = 22,73, I_к = 0.

Рисунок 3. Нагрузочная  прямая по переменному току

 

7.  Построение сквозной характеристики

Для построения сквозной характеристики воспользуемся нагрузочной прямой по переменному току и выходными  характеристиками приведенными на рисунке  3. По точкам пересечения нагрузочной прямой по переменному току с выходными характеристиками строим сквозную характеристику I_к(U_бэ). Точки для построения проходной характеристики (зависимости I_к  от U_бэ) представлены в таблице 1, а график зависимости на рисунке 4.

 

 

 

 

Таблица 1.

I k, мА	0	1,5	3,5	5	6,4	8,2	10	11,5	13,5
I б, мА	0	0,015	0,030	0,045	0,06	0,075	0,09	0,105	0,12
U бэ, В	0	0,62	0,64	0,645	0,65	0,66	0,67	0,68	0,69

 

 

 

Рисунок 4. Сквозная характеристика транзистора

 

Графоаналитическим методом определим  максимальную амплитуду входного сигнала U_вхн, при условии получения минимальных нелинейных искажений и максимального значения U_вхн. Отсюда U_вхн =0,02 В.

 

3.8 Определение динамических параметров усилительного каскада

 

Динамические  параметры усилительного каскада  определяются для двух величин амплитуды  входного сигнала U_вх: U_вхн и U_вхн/2.

 

Коэффициент  усиления по напряжению:

 

,

 

Коэффициент усиления по току К_i:

,

                 

Коэффициент усиления по мощности определим  по формуле

 

где  значение , берем на выходных характеристиках вблизи рабочей точки;

 

для U_вхн:      для U_вхн/2:

 
3.9 Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник).

 

 

Нелинейные искажения - это  изменения формы колебания, обусловленные  кривизной характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов,  полупроводниковых  конденсаторов, микросхем и др. элементов. Параметры нелинейных элементов  зависят от воздействующего на них  тока или напряжения. Отличительным  признаком нелинейных искажений  является то, что им подвержено даже гармоническое колебание. На этом основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто  гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.

Коэффициентом гармоник называется  отношение эффективного (действующего), значения суммы высших гармоник выходного  напряжения к эффективному значению первой его гармоники, вычисляется  по формуле.

где - действующие напряжения отдельных гармоник выходного напряжения.

Этот коэффициент можно определить по сквозной характеристике (метод  Клина), который позволяет учесть влияние второй и третьей гармоники  выходного сигнала по формуле:

 

,

 

 где  - коэффициенты второй и третьей гармоники, определяются графически.

Для этого на сквозной характеристике, рис. 4, отмечают пять точек, соответствующих: точке покоя, наибольшей амплитуде входного сигнала, половине наибольшей амплитуды сигнала (с учетом обеих полуволн). Значения переменных а, в и с определяются графически по рис 4.

 

a = 12-7=5

b= 7-2=5

с =10-4=6