18

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра электротехники и электроники

Учебное пособие

По выполнение практического занятия и расчетно-графической работы

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОЭ

(для студентов технических специальностей МГУПИ)

Авторы: Филинов В.В.

Филинова А.В.

Москва - 2007

УТВЕРЖДЕНО

Ученым советом МГУПИ

в качестве учебного пособия.

Предоставлено кафедрой

Электротехника и Электроника

ИС-7 МГУПИ

Зав. кафедрой д.т.н.

проф. Шатерников В.Е.

Авторы: д.т.н., проф. Филинов В.В.

старший преподаватель Филинова А.В.

«РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОЭ»

В учебном пособии приводятся методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы «Расчет усилительного каскада с ОЭ» по курсу «Электроника» и «Электротехника и Электроника» для студентов всех специальностей технической направленности МГУПИ.

Рецензент – д.т.н., проф. Шкатов П.Н.

Компьютерная верстка - Аракелов П.Г.

ISBN Л

 Московский государственный университет приборостроения и информатики, 2007

 Филинов В.В., Филинова А.В., 2007

Москва, 2007

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ «РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОЭ»

ЗАДАЧА РАБОТЫ.

Рассчитать h – параметры биполярного транзистора, его входное и выходное сопротивления, коэффициент передачи по току, пользуясь входными и выходными характеристиками транзистора. Тип транзистора задается преподавателем. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

Провести графоаналитический расчет усилительного каскада на заданном типе транзистора, включенного по схеме с ОЭ, с одним источником питания E_К и с температурной стабилизацией рабочего режима.

Определить параметры элементов схемы усилительного каскада:

коэффициенты усиления по току (К_i), напряжению (К_u), мощности (K_p); токи и напряжения в режиме покоя I_бо, I_ко, U_бэо, U_кэо; амплитудные значения входных и выходных переменных токов и напряжений в линейном режиме работы усилителя; полезную выходную мощность каскада и его КПД; верхнюю и нижнюю граничные частоты полосы пропускания.

Ниже приводится рекомендуемая последовательность расчета усилителя на базе транзистора p-n-p типа проводимости (рис. 1). Расчет усилителя с n-p-n типа транзистором аналогичен (в этом случае следует правильно выбрать полярность источника питания Е_К).

1. Расчет параметров транзистора.

1. Изобразить семейство статических входных и выходных характеристик заданного транзистора, соответствующих схеме с ОЭ.

2. Определить h – параметры транзистора, соответствующие схеме с ОЭ, пользуясь входными и выходными характеристиками транзистора:

по входным характеристикам определить

h₁₁ = , h₁₂ = ;

по выходным характеристикам определить

h₂₁ = , h₂₂ = .

1. Найти входное и выходное сопротивление транзистора:

1. Определить коэффициент передачи по току транзистора β:

β = h₂₁.

1. Расчет усилительного каскада по постоянному току графоаналитическим методом.

   1. Изобразить семейство выходных и входных (при U_кэ = 5B) характеристики заданного транзистора как показано на рис. 2.

   2. На выходных характеристиках нанести кривую допустимой мощности P_{k max}, рассеиваемой на коллекторе, P_{k max} = U_кэI_к = const.

   3. Выбрать значение напряжения источника питания E_к в пределах (0.7 – 0.9) U_{k max}. (Следует учитывать, что E_к ≈ 3U_{m вых} и E_к ≈ U_кэо + I_ко(R_к + R_э)). Эту величину в дальнейшем, после выбора R_к, R_э, и U_{m вых} следует скорректировать.

   4. Из условия передачи максимальной мощности от источника энергии к потребителю (согласованный режим) выбрать R_к ≈ R_{вых. т}. однако на выход усилителя обычно включается нагрузка R_н ≤ R_к поэтому рекомендуется выбирать R_к = (0.3 – 1)R_{вых. т}. так чтобы его величина лежала в диапазоне R_к = (0.5 - 10) кОм.

   5. Построить нагрузочную линию усилительного каскада, согласно уравнению

U_кэ = Е_к - I_кR_к

Для этого использовать две точки (“d” и ”c”) на выходных характеристиках транзистора (рис. 2):

U_кэ = 0, I_к = (т.ч. “d”); I_к = 0, U_кэ = Е_к (т.ч. “c”).

При этом линия нагрузки должна проходить левее и ниже допустимых значений U_{k max},

I_{k max}, и P_{k max} и обеспечить достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики (см. рис. 2)

1. По точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками построить переходную характеристику транзистора I_к = f(I_б) (см. рис. 2)

2. На переходной характеристике транзистора (с учетом входной характеристики) выбрать линейный участок “а - в”, в диапазоне которого усилитель усиливает без искажения. На середине участка “а - в” нанести рабочую точку “А”, соответствующую режиму работы транзистора по постоянному току.

3. По координатам рабочей точки “A” определить токи и напряжения транзистора в режиме покоя (по постоянному току): I_бо, I_ко, U_бэо, U_кэо.

3.0. Расчет усилительного каскада по переменному току.

3.1. Определить пределы изменения амплитуд входного тока и напряжения, выходного тока и напряжения в линейном режиме работы усилителя. Найти: I_бm, I_кm, U_бэm, U_кэm

(см. рис. 2)

3.2. Рядом с графиками входных и выходных характеристик транзистора показать характер изменения токов и напряжений во времени в виде кривых:

i_б = I_бо + I_бmsinωt; u_бэ = U_бэо + U_бэmsinωt;

i_к = I_ко + I_кmsinωt; u_кэ = U_кэо + U_кэmsinωt;

соответствующих рабочим участкам этих характеристик.

4.0. Расчет параметров элементов усилителя ОЭ.

4.1. Рассчитать элементы цепи термостабилизации R_Э и С_Э.

4.1.1. Увеличение R_Э повышает глубину отрицательной обратной связи во входной цепи усилителя (улучшает термостабилизацию), с другой стороны, при этом падает КПД усилителя из – за дополнительных потерь мощности на этом сопротивлении. Обычно выбирают величину падения напряжения на R_Э порядка (0,1 – 0,3)Е_К, что равносильно выбору R_Э ≈ (0,05 – 0,15)R_К в согласованном режиме работы транзистора. Используя последнее соотношение выбираем величину R_Э.

1. Для коллекторно – эмиттерной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать уравнение электрического состояния по постоянному току

Используя это уравнение скорректировать выбранные по п.п. 2.3 и 2.4 значение Е_к или величину R_к.

4.13. Определить емкость в цепи эмиттера С_э из условия R_э = (5 - 10)Х_э, где Х_э – емкостное сопротивление элемента С_э. При этом

мкФ, выбрав f_н = 50 – 100 Гц.

1. Для исключения шунтирующего действия делителя R₁, R₂ на входную цепь транзистора задается сопротивление R_б.

и ток делителя I_д = (2 - 5)I_бо, что повышает температурную стабильность U_бо. Исходя из этого определить сопротивления R₁, и R₂, R_б:

; ;

1. Определить емкость разделительного конденсатора из условия R_вх = (5 - 10)Х_р, где Х_р – емкостное сопротивление разделительного конденсатора, R_вх – входное сопротивление каскада. При этом

мкФ, а

1. Определить параметры усилительного каскада.

   1. Коэффициент усиления каскада по току K_i

1. Входное сопротивление каскада R_вх

если то

1. Выходное сопротивление каскада R_вых

1. Коэффициент усиления по напряжению K_и

5.5. Коэффициент усиления по мощности K_р

1. Полезную выходную мощность каскада

1. Полную мощность, расходуемую источником питания

1. КПД каскада

1. Верхняя и нижняя граничные частоты определяются из соотношения для коэффициента частотных искажений:

на нижней частоте ;

и верхней частоте .

Обычно выбирается , тогда и ,

где

С_к – емкость коллекторного перехода.

1. Заключение.

6.1. Объяснить назначение всех элементов схемы усилительного каскада. Параметры элементов схемы выбираются на основании всего комплекса расчетов. По данным расчета выбрать стандартные резисторы и конденсаторы по справочнику. [1]

6.2. По результатам анализа усилительного каскада дать рекомендации по применению выбранного типа транзистора, оценив его коэффициенты усиления, частотные свойства, выходные напряжения и мощность в линейном режиме и КПД.

Литература.

1. Электротехнический справочник. Т.1,2. 7 – е изд. –М.: Энергоиздат, 1985, 1986

2. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под ред. Б.Л. Переломана. –М.: Радио и связь, 1981

3. Основы промышленной электроники под ред. В.Г. Герасимова. –М.: Высшая школа, 1978, 1986

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. –М.: Высшая школа, 1982

5. Электротехника и электроника/кн. З .Электрические изменения и основы электроники// Под. ред. В.Г. Герасимова. –М.: Энергоатомиздат, 1998

6. Филинов В.В. Нелинейные электрические и магнитные цепи/ Учебное пособие. –М.: МГАПИ, 2001, (задачи 3.3 и 3.4)

Рис. 1 Усилитель с общим эмиттером.

7.0 Методические указания.