Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе (Вариант 16)

Расчет усилителей на транзисторах включает следующие основные

этапы:

1. Выбор транзистора и элементной базы.

2. Расчет статического режима (т.е. расчет транзистора по постоянному току).

3. Расчет динамического режима (т.е. расчет транзистора по переменному току).

Задача 1

Определить номинальные значения резисторов R1, R2, Rк, Rэ, коэффициент температурной нестабильности S, приращение коллекторного тока ΔIк в заданных интервалах температуры и разброса параметров

Исходные данные:

Проводим нагрузочную прямую через точку «А» и через точку с координатами:

Uкэ=Ек=25 В,

Iкэ=0

До пересечения с осью тока насыщения транзистора.

Iкн= 37 мА

Для того, чтобы не определять ток базы в точке «А» передвинем её на координаты:

UкэА = 15 В

IкэА = 15 мА

Находим величину резистора в цепи коллектора Rк

  → = 675 Ом

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайший номинал 680 Ом, но, учитывая отклонение от номинала, стоит взять 750 Ом, чтобы наверняка получить требуемый коэффициент усиления. Rк= 750 Ом.

По выходной характеристике транзистора определяем ток базы в точке «А»:

IбА=0,3 мА

По входной характеристике находим значение напряжения на базе в точке «А»:

UбэА= 0,43 В

Ток эмиттера является суммой токов коллектора и базы:

I эА = IкA + IбА ==15мА + 0,3 мА =15,3 мА

Составляем уравнение равновесия напряжений по второму правилу Кирхгофа для цепи эмиттер-коллектор

Ек=IкА*Rк+Uкэ+IэА*Rэ

Для входной цепи по второму правилу Кирхгофа можно составить два уравнения равновесия напряжений:

Eк=I1*R1+I2*R2;

Eк=I1*R1+UбэА+URэ=I1+R1+UбэА+IэА*Rэ

Из указанных уравнений следует, что:

UR2=I2*R2=URэ+UбэА=IэА*Rэ+UбэА

Сопротивление Rэ, осуществляет ООС по току. Падение напряжение на нем должно быть небольшим

URэ ≈ (0,10,3)Ек.

URэ = 0,1Ек

Из этого условия можно найти значение сопротивления в цепи эмиттера:

Rэ= == 160 Ом

Выбираем номинал резистора по стандартному ряду сопротивлений типа МЛТ, равный 200 Ом для получения большей термостабильности и упрощения вычислений, так как коэффициент усиления имеется с запасом Rэ = 200 Ом.

Тогда падение напряжения на эмиттерном сопротивлении будет равно:

URэ=IэА+Rэ=15,3 *10-3 А*200 Ом = 3,06 В

Для задания фиксированного напряжения на базе транзистора необходимо, чтобы

UR2=URэ+Uбэ = 3,06  +0,43  3,5 В

Для расчета сопротивления R2 необходимо знать величину тока I2. Как и в предыдущем случае из практических соображений выбираем значения токов I1 и I2 равными:

I1=5*IбА=5*0,3мА=1,5 мА

I2=I1-IбА=1,5 - 0,3=1,2 мА

Теперь можем рассчитать величину резистора

R2===2900 Ом

Из стандартного ряда выбираем ближайший номинал равный R2= 3 кОм

R1== =≈ 14300 Ом

Выбираем номинал из стандартного ряда, равный R1 = 15 кОм, с округлением в большую сторону, так как резистор R2 был выбран с округлением большую сторону.

Рассчитаем мощность рассеяния на выбранных сопротивлениях:

P1=I12*R1=(1,5*10-3)2*15*103=34*10-3Вт

P2=I22*R2=(1,2*10-3)2*3*103=4,3*10-3Вт

Pк=Iк2*Rк=(15*10-3)2*750 =168*10-3 Вт

Pэ=Iэ2Rэ=(15,3*10-3)2*200 =46*10-3 Вт

Таким образом, в нашу схему для задания рабочей точки необходимо поставить резисторы следующих номиналов:

R1 - МЛТ - 0,125 Вт 15 кОм

R2 - МЛТ - 0,125 Вт 3 кОм

Rк - МЛТ - 0,25 Вт 750 Ом

RЭ - МЛТ - 0,125 Вт 200 Ом

Задача 2

По заданной схеме рассчитать следующие основные параметры усилителя:

• коэффициент усиления по напряжению КU,
• коэффициент усиления по току КI,
• входное сопротивление Rвх,
• выходное сопротивление усилителя Rвых.

Это трехкаскадный усилитель, первый транзистор которого включен по схеме с общим коллектором, второй и третий - по схеме с общим эмиттером.

Параметры транзисторов:

h11э1= 2 кОм

h11э2=h11э3=1 кОм

h21э1=h21э2=h21э3=30:20:40

h22э1=h22э2=h22э3=10-5См

Учитывая, что мы рассчитываем основные параметры каскада в области средних частот, где коэффициенты усиления по току и напряжению не зависят от частоты, то всем реактивными элементами в схеме замещения можно пренебречь. Тогда упрощенная схема каскада будет иметь вид:

Определим сначала входные и выходные сопротивления всех каскадов и усилителя в целом.

Входное сопротивление каскада:

Сопротивлением нагрузки третьего каскада является параллельное соединение резисторов емкостью Rк3 и Rн кОм.

 кОм

Входное сопротивление каскада 2:

Сопротивлением нагрузки второго каскада является параллельное соединение резистора Rк2 и входное сопротивление третьего каскада.

 кОм

Сопротивлением нагрузки первого каскада является параллельное соединение резистора Rэ1 и входное сопротивление второго каскада.

кОм

Входное сопротивление каскада 1 одновременно является входным сопротивлением усилителя:

Поскольку в данной схеме отсутствует сопротивление генератора, которое может понадобиться для дальнейших расчетов, то обычно в таких случаях его принимают равным Rг = 60 Ом.

Выходное сопротивление первого каскада является сопротивлением генератора Rг2 для второго каскада, оно равно:

Выходное сопротивление второго каскада является сопротивлением генератора Rг3 для третьего каскада, оно равно:

Выходное сопротивление третьего каскада является выходным сопротивлением всего усилителя, оно равно:

Теперь можно рассчитать коэффициент усиления каждого каскада и всего усилителя:

Это общие коэффициенты усиления транзисторов и усилителя в целом без учета того, что во втором каскаде усиливается только та часть тока, которая попадает на входное сопротивление второго транзистора, в третьем каскаде усиливается только та часть тока, которая попадает на входное сопротивление третьего транзистора, и только часть тока передается в нагрузку. Если учесть все эти моменты, то полезный коэффициент усиления по току будет: