РАСЧЕТ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ КУРСОВАЯ РАБОТА

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«университет»
Кафедра «Информационная безопасность»
РАСЧЕТ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ
ТРАНЗИСТОРЕ
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу
«Электротехника, электроника и схемотехника»
Выполнил:
студент группы 2 ________
Проверил:
до.
.А.
(подпись)
______
.Г.
(подпись)
а 2023
Аннотация
Данная курсовая работа по курсу «Электротехника, электроника и
схемотехника» посвящена разработке усилительного каскада на биполярном
транзисторе. Целью выполнения курсовой работы является: закрепление,
расширение и углубление знаний в области принципов действия, способов
построения, методов расчета и анализа схем электронных устройств
информационных систем; развитие навыков применения теоретических
знаний для решения инженерных и научных задач; развитие практических
навыков по расчету, проектированию и конструированию электронных схем,
умения пользоваться технической справочной литературой и ГОСТами
ЕСКД; приобретение навыков решения творческих, исследовательских задач
в результате самостоятельной работы, изучения литературы, применения
ЭВМ для анализа и синтеза электронных схем и их исследования.
Отчёт
состоит
из
использованных источников.
25
листов,
содержит
6
иллюстраций,
4
Оглавление
Введение ............................................................................................................................... 4
1.
Анализ исходных данных и постановка задачи расчета ............................... 6
2. Анализ и сравнение усилительных каскадов различных типов ................................. 8
3. Выбор и обоснование расчетной схемы усилительного каскада. Описание
принципа работы ............................................................................................................... 11
4. Расчет схемы усилительного каскада .......................................................................... 13
4.1. Расчет параметров статического режима и коллекторной цепи транзистора...... 13
4.2. Расчет требований, предъявленных к транзистору и выбор транзистора ............ 15
4.3. Построение нагрузочной прямой по постоянному току. Построение нагрузочной
прямой по переменному току. Определение амплитуд колебаний тока и напряжения
в цепи .................................................................................................................................. 16
4.6. Расчет амплитуд колебаний входного сигнала и параметров входной цепи
усилительного каскада ...................................................................................................... 21
4.7. Расчет разделительных и шунтирующих емкостей ................................................ 23
Заключение ......................................................................................................................... 24
Список использованных источников .............................................................................. 24
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
4.5. Расчёт цепи смещения и температуры стабилизации ............................................ 18
ИБК.374000.000 ПЗ
Ли Изм.
№ докум.
тРазраб. Сырбу Е.Н.
Лукашенков А.В
Пров.
Т. контр.
Н. контр.
Утв.
Подп.
Дата
Лит
Расчет усилительного каскада на
биполярном транзисторе
Лист
3
ГУ, гр.
Листов
25
Введение
Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в
усилительных элементах которого используется явление электрической
проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель
может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок
(функциональный
узел)
в
составе
какой-либо
аппаратуры
—
радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько
усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или
последующими ступенями.
В качестве усилительных элементов обычно используются электронные
лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых особых
случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды
(используется
свойство
отрицательного
сопротивления)
и
др.
Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут
быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе
микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный
усилитель.
Транзи́стор
(англ.
transistor),
полупроводниковый
триод
—
радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с
тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в
электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и
преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором
называют
любое
устройство,
которое
имитирует
главное
свойство
транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при
изменении сигнала на управляющем электроде.
В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной
цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока.
Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно
большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное
4
свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ,
радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют
биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar
junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является
цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь
и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены
полевыми.
Усилительные каскады с емкостной связью на биполярных транзисторах
применяются, как правило, в качестве усилителей напряжения переменного
тока, несмотря на то, что биполярный транзистор по своему принципу
действия работает как устройство, усиливающее ток (как усилитель тока).
При этом небольшой по величине входной ток базы транзистора управляет
значительно большим выходным током коллектора.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
5
1. Анализ исходных данных и постановка задачи расчета
Чтобы
спроектировать
усилительный
каскад
на
биполярном
транзисторе, необходимо понять, какие параметры мы хотим от него
получить. Нам нужно задать коэффициент усиления по напряжению каскада,
амплитуду входного сигнала, желаемое выходное сопротивление. На основе
этих данных мы можем выбрать биполярный транзистор, который нам
подойдет по току коллектора и рассеиваемой мощности. Опираясь на
характеристики выбранного транзистора, можно задать его оптимальный
режим работы. И наконец, на основе этих данных рассчитать номиналы
резисторов в схеме.
Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада,
обратим внимание на следующие требования и условия:

Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца
(т.е. с выхода);

Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение
напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя
(когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы
получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме
транзисторного каскада работающего в режиме "A" это, как правило,
половина значения напряжения источника питания;

В эмиттерной цепи транзистора протекают два тока - ток
коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути базаэмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и
принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет
заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться
какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем,
взятым из теории четырёхполюсников - коэффициент усиления тока
базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он -
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
6

- h21. Его значение приводится в справочниках для конкретных
типов транзисторов;

Коллекторное (Rк) и эмиттерное (Rэ) сопротивления влияют на
входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно
считать, что входное сопротивление каскада Rвх=Rэ*h21, а выходное
равно Rвых=Rк;

Номиналы резисторов Rк и Rэ ограничивают токи, протекающие
через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.
Входные данные:




Максимальная амплитуда выходного напряжения - U нm  4 В .
Сопротивление нагрузки - Rн  400 Ом .
Напряжение питания каскада - Eп  16 В .
Диапазон усиливаемых частот - f н  40 Гц, f в  40 кГц .
 Коэффициенты частотных искажений - М н  2 , М в  2 .
 Внутреннее сопротивление источника сигнала - Rc  1к Ом .
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.374000.000 ПЗ
ИБК.374000.000 ПЗ
Лист
Лист
7
2. Анализ и сравнение усилительных каскадов различных
типов
Существует 3 основных типа усилительных каскадов на биполярном
транзисторе:
1) Усилительный каскад на биполярном транзисторе, подключенном по
схеме с ОБ (общей базой);
На рисунке 1 представлена схема подключения транзистора с общим
коллектором.
R1
VT
Cp1
Eп
Cp2
Uвх
R2
Rэ
Rн
Рисунок 1 – Схема подключения транзистора с общим коллектором
Достоинства:
 Большое входное сопротивление;
 Малое выходное сопротивление.
Недостатки:
 Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
2) Усилительный каскад на биполярном транзисторе, подключенном по
схеме с ОК (общей коллектором);
На рисунке 2 представлена схема подключения транзистора с общей
базой.
Rk
Cp1
Uвх
R1
Cp2
VT
Eп
Rн
Rэ
R2
Cб
Рисунок 2 – Схема подключения транзистора с общей базой
Достоинства:
 Хорошие температурные и частотные свойства;
 Высокое допустимое напряжение.
Недостатки:
 Малое усиление по току, так как α < 1;
 Малое входное сопротивление;
 Два разных источника напряжения для питания.
3) Усилительный каскад на биполярном транзисторе, подключенном по
схеме с ОЭ (общей эмиттером)
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
9
На рисунке 3 представлена схема подключения транзистора с общим
эмиттером.

R1
iвх
C р1
uвх
Rк
I ко
V
I бо
Iд
R2
о
U бэ
U бо
Cр 2
о
U кэ
Ек
iн
Rн
I эо
Rэ

Еп
Cэ
uн
U э0
Рисунок 3 – Схема подключения транзистора с общим эмиттером
Достоинства:
 Большой коэффициент усиления по току;
 Большой коэффициент усиления по напряжению;
 Наибольшее усиление мощности;
 Можно обойтись одним источником питания;
 Выходное переменное напряжение инвертируется относительно
входного.
Недостатки:
 Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со
схемой с общей базой.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
№ докум.№
Подпись Дата
Изм. Лист докум.№ докум. Подпись Дата
ИБК.624000.000 ПЗ
Лист
Лист
Лист
10
Лист
3. Выбор и обоснование расчетной схемы усилительного
каскада. Описание принципа работы
В данной работе мной выбран усилительный каскад на биполярном
транзисторе с ОЭ, поскольку данная схема соединения дает наибольшее
усиление по току, напряжению и мощности, а также требует всего одного
источника питания.
Усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) - одна из трёх
типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного
транзистора. При схеме включения биполярного транзистора с общим
эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора.
При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для
гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на
180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора
позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее
распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала
больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того,
при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное
влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или
температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов
применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент
усиления.
На рисунке 4 представлена схема принципиальная усилительного
каскада с общим эмиттером.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
11

R1
iвх
C р1
uвх
Rк
Iд
R2
Cр 2
I ко
V
I бо
о
U кэ
Ек
iн
Rн
I эо
о
U бэ
U бо

Еп
Cэ
Rэ
uн
U э0
Рисунок 4 – Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Коэффициент усиления по току:𝐾𝐼 =
Входное сопротивление: 𝑅вх =
𝑈вх
𝐼вх
=
𝐼вых
𝐼вх
=
𝐼к
𝐼б
=
𝐼к
𝐼э −𝐼к
=
1
1−𝛼
=𝛽≫1
𝑈бэ
𝐼э
Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим образом:
1. При увеличении входного напряжения (Uвх ↑) ширина p−n перехода
между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи
эмиттера (Iэ ↑), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и
эмиттером) уменьшается (Rвых ↓), а следовательно уменьшается и падение
напряжения на выходе транзистора (Uвых ↓).
2. При уменьшении входного напряжения (Uвх ↓) ширина p−n перехода
между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи
эмиттера уменьшается (Iэ ↓, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление
транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (Rвых ↑),
следовательно увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора
(Uвых ↑).
Также в схеме применено смещение фиксированным напряжением базы,
уменьшающее дестабилизирующие факторы (изменения температуры и
других параметров окружающей среды, старения элементов схемы,
нестабильностью источников питания и т.п.). В этой схеме режим работы
транзистора задается путем подачи постоянного смещающего напряжения на
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
12
базу. Напряжение смещения формируется делителем напряжения источника
питания на резисторах R1 и R2. Через делитель идет ток Iд. Чем он больше,
тем стабильнее схема, так как изменение тока базы будет слабо влиять на
величину смещения. Однако следует иметь в виду, что ток делителя нельзя
выбирать
слишком
большим,
поскольку
в
делителе
расходуется
дополнительная энергия, и чем больше ток Iд, тем большее мощности
источника питания будет расходоваться в этой вспомогательной цепи.
4. Расчет схемы усилительного каскада
Принципиальная
схема
усилительного
каскада
на
биполярном
транзисторе, подключенном по схеме с общим эмиттером, приведена на
рисунке 4.
Произведем расчет схемы усилительного каскада по шагам.
4.1. Расчет параметров статического режима и коллекторной цепи
транзистора.
1) Рассчитаем амплитуду тока нагрузки по закону Ома:
I нm 
U нm
4В

 0,01 А  10 мА
Rн
400 Ом
2) Рассчитаем мощность нагрузки по формуле:
Рн 
U нm I нm 4  0,012

 0,02 Вт  20 мВт
2
2
Для
Rн  400 Ом
в
соответствии
со
стандартным
рядом
сопротивлений резисторов Е48 выбираем резистор МЛТ-2 с допускаемым
отклонением ±5%.
3) Расчет напряжения покоя между коллектором и эмиттером
транзистора. Амплитуда выходного усиленного напряжения 𝑈н𝑚 = 4 В,
тогда:
U кэ0  U нm  k з  U осm  4  1,1  1,5  6 В , где k з  1.1; U осm  1.5 В .
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
13
В реальных условиях при работе каскада в режиме большого сигнала условие
обычно обеспечивают с запасом 5-10%, вводят коэффициент запаса по амплитуде
напряжения нагрузки 𝑘з = 1.05 − 1.1
𝑈𝑝н𝑚 = 𝑈н𝑚 ∙ 𝑘з = 4,4 В
4) Выбор напряжения на эмиттерном сопротивлении, осуществляющем
стабилизацию положения рабочей точки покоя. Величину этого напряжения
задают не менее 1 – 2 вольт. Т.к. рассчитываемый каскад является
маломощным, то 𝑈𝑅э выбирают в диапазоне (0.1 − 0.3)𝐸п . Выберем значение
из данного диапазона и рассчитаем напряжение 𝑈𝑅э
U Rэ  (0,1  0,3) Eп  (0,1  0,3)  16  2 В
5) Определение напряжения питания транзистора 𝐸𝑘 , формирующего
непосредственно усиленный выходной сигнал. Это напряжение меньше
общего напряжения питания каскада 𝐸п на величину падения напряжения на
эмиттерном сопротивлении
Eк  Eп  U Rэ  16  2  14 В .
Выполним проверку выбора величины 𝑈𝑅э из предыдущего пункта.
Напряжение питания транзистора 𝐸𝑘 должно превышать двойную амплитуду
выходного сигнала
0
𝐸𝑘 > 𝑈кэ
+ 𝑈н𝑚 > 2𝑈н𝑚
14 > 10 > 8, данное неравенство является верным, следовательно,
значение 𝑈𝑅э найдено верно.
6) Расчет величины коллекторного сопротивления, преобразующего
колебания тока коллектора транзистора в колебания выходного напряжения
на коллекторе 𝑅𝑘 . Полученная величина сопротивления округляется до
стандартного номинального значения.
Rк 
( E к  U кэ0 )  U нm  k з
(14  6)  4  1,1
Rн 
 400  327 Ом .
U нm  k з
4  1,1
Округлив величину Rк до ближайшего стандартного номинального
значения, получим Rк  327Ом (в соответствии со стандартным рядом E192).
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
ИБК.216000.000 ПЗ
Лист
Лист
14
7) Расчет величины тока покоя транзистор. Полученный ток покоя
коллектора должен быть не менее минимально необходимой величины
Рассчитаем ток покоя коллектора по формуле:


I к0  E к  U кэ0 Rк  14  6 327  0,0245 А  24,5 мА
Определим мощность, выделяемую на резисторе Rк:
Pк  I к0 ( Ек  U кэ0 )
0
0
При I к  24,5mА , Eк  14 В и U кэ  6 В получим:
Pк  0,0245  (14  6)  0,196Вт
В соответствии со стандартным рядом мощностей резисторов
выбираем резистор МЛТ-0,25 с номинальной мощностью P  0,196 Вт с
допускаемым отклонением ±5%.
4.2. Расчет требований, предъявленных к транзистору и выбор
транзистора
Выбор типа транзистора для усилительного каскада. Выбор транзистора
осуществляется таким образом, чтобы максимально возможные значения
тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и мощности, рассеиваемой
на транзисторе, в усилительном каскаде не превышали предельно
допустимых значений для выбираемого транзистора, которые приводятся в
справочниках.
U кэ доп  Еп  16 В ,
I к доп  2I к0  49 мА ,
Pк доп  U кэ0  I к0  0,147 Вт ,
f   f в  40 кГц .
Характеристики транзистора должны быть следующие:
U кэ доп  35 В ,
I к доп  30 мА ,
Pк доп  225 мВт ,
 100 МГц .

Данным параметрам соответствует транзистор КТ312Б.
f
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
15
4.3. Построение нагрузочной прямой по постоянному току.
Построение нагрузочной прямой по переменному току.
Определение амплитуд колебаний тока и напряжения в цепи
Нагрузочные
прямые
строятся
на
выходных
характеристиках
выбранного транзистора в координатах.
Координаты точек пересечения нагрузочной прямой с осями напряжения
и тока рассчитываются по соотношениям
U кэ  E к  14 В
Iк 
при I к  0
Eк 14

 0,0428 А  42,8 мА
Rк 327
при U кэ  0
Нанесем на семейство выходных характеристик транзистора КТ312Б
0 0)
точку покоя 𝐴(𝑈кэ
, 𝐼𝑘 и построим нагрузочную прямую.
Расчет величины сопротивления коллекторной цепи по переменному
току:
Rкн 
Rк Rн
327  400

 179,9 Ом
Rк  Rн 327  400
Расчет амплитуды переменной составляющей тока коллектора:
I кm 
U нm
4

 0,0222 А  22,2 мА
Rкн 179,9
Полученная амплитуда переменной составляющей тока коллектора,
которая складывается из переменных составляющих тока нагрузки и тока
коллекторного сопротивления
𝐼к𝑚 =
𝑈н𝑚 𝑈н𝑚
+
= 𝐼н𝑚 + 𝐼𝑅к𝑚
𝑅н
𝑅к
всегда должна быть меньше тока покоя коллектора транзистора, то есть:
𝐼𝑘0 > 𝐼к𝑚
В нашем случае, 24,5 > 22,2, значит, расчёты верны.
Нагрузочная прямая по переменному току устанавливает взаимосвязь
между переменными составляющими тока и напряжения на коллекторе
транзистора. Построим нагрузочную прямую по переменному току на
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
16
предыдущем графике. Для этого вычислим точки пересечения прямой с осью
токов и осью напряжений.

U кэ  U кэ0  Е к  U кэ0
 R R R
к
Iк 
 6  (14  6)
н
н
400
 12,6 В
327  400
Ек U кэ0
14
6



 0,0578 А  57,8 мА
Rк Rн 327 400
Нанесение на нагрузочную прямую рабочих точек, соответствующих
амплитудным значениям тока и напряжения на коллекторе.
0
Вычислим координаты верхней рабочей точки Aв с координатами (𝑈кэ
−
𝑈н𝑚 , 𝐼𝑘0 + 𝐼к𝑚 ), придавая положительное приращение тока коллектора,
получаем отрицательное приращение напряжения на коллекторе.
0
𝑈кэ = 𝑈кэ
− 𝑈н𝑚 = 6 − 4 = 2 В
𝐼𝑘 = 𝐼𝑘0 + 𝐼к𝑚 = 24,5 + 22,2 = 46,7 мА
0
Вычислим координаты верхней рабочей точки Aн с координатами (𝑈кэ
+
𝑈н𝑚 , 𝐼𝑘0 − 𝐼к𝑚 )
придавая
отрицательное
приращение
тока
коллектора,
получаем положительное приращение напряжения на коллекторе.
0
𝑈кэ = 𝑈кэ
+ 𝑈н𝑚 = 6 + 4 = 10 В
𝐼𝑘 = 𝐼𝑘0 − 𝐼к𝑚 = 24,5 − 22,2 = 2,3 мА
Точки Aн и Aв характеризуют крайние положения при колебаниях
рабочей точки А, соответствующие амплитудным значениям переменных
составляющих тока и напряжения коллектора. В крайней верхней точке Aв
через коллектор транзистора протекает максимальный ток 𝐼𝑘 𝑚𝑎𝑥 = 46,7, а
напряжение коллектор-эмиттер минимально 𝑈кэ 𝑚𝑖𝑛 = 2. В крайней нижней
точке Ан через коллектор транзистора протекает минимальный ток 𝐼𝑘 =
2,3 мА, а напряжение коллектор-эмиттер максимально 𝑈кэ = 10 В
На рисунке 5 представлено семейство выходных характеристик
транзистора
КТ312Б с точкой покоя и нагрузочными прямыми по
постоянному и переменному токам с рабочими точками.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
17
Iк , mA
60
50
Iб = 0,9 mA
Aв
Iк max =46,7
Iб =0,8 mA
Iб = 0,7 mA
40
Iб = 0,6 mA
Iк m =22,2
Iб = 0,5 mA
30
A
Iб = 0,4 mA
Iк0 =24,5
20
Iб = 0,3 mA
Iк m =22,2
Iб = 0,2 mA
10
Aн
Iк min =2,3
Uкэ0 =6
0
3
Uкэ min=2
6
Uнm=4
9
Uнm=4
12,5
Iб = 0,1 mA
12
15
Uкэ , В
Uкэ max=10
Рисунок 5 - Семейство выходных характеристик транзистора КТ312Б c точкой
покоя и нагрузочными прямыми по постоянному и переменному токам с рабочими
точками
4.5. Расчёт цепи смещения и температуры стабилизации
Подача смещения в базовую цепь транзистора и стабилизация рабочего
режима в схеме с ОЭ осуществляется делителем R1, R2 формирующим
напряжение смещения, совместно с эмиттерным сопротивлением Rэ,
создающим отрицательную обратную связь по постоянной составляющей
тока эмиттера.
Падение напряжения на эмиттерном сопротивлении определено на
начальном этапе расчета. Эмиттерный ток, протекающий через Rэ близок
к току покоя коллектора. В результате эмиттерное сопротивление
рассчитывается по соотношению:
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
18
Rэ 
U Rэ
2В

 81,6 Ом
0
0,0245 А
Iк
Округлим сопротивление до стандартного значения из ряда E12 c
отклонением ±5% 𝑅э = 81,6 Ом
Рассчитаем мощность, выделяемую на резисторе:
2
𝑃э = (𝐼𝑘0 ) ∙ 𝑅э = 0.049 Вт
Выберем резистор МЛТ-0,5 – 81,6 Ом, Е12 ± 20%
Поскольку на эмиттерном сопротивлении обратной связи падает часть
напряжения питания, то уравнение нагрузочной прямой каскада по
постоянному току относительно общего напряжения питания каскада,
включающего падение напряжения на сопротивлении Rэ , будет иметь вид:
𝑈кэ = 𝐸𝑛 − 𝐼𝑘 (𝑅к + 𝑅э )
Получим следующие точки для построение нагрузочной прямой:
𝑈кэ = 𝐸𝑛 при 𝐼𝑘 = 0
𝐼𝑘 =
𝐸𝑛
при 𝑈кэ = 0
𝑅к + 𝑅э
Построим нагрузочную прямую по постоянному току относительно
общего напряжения и проверим правильность построений (все три прямых
должны проходить через точку покоя.
Исходя из выходной характеристики:
𝐼б0 = 𝐼б2 = 0,5 мА
0
Определим 𝑈бэ
из входной характеристики транзистора.
0
𝑈бэ
= 1,08 В
Рассчитаем напряжение 𝑈𝑅2 делителя напряжений, которое задает
необходимое напряжение на базе транзистора по формуле:
0
𝑈𝑅2 = 𝑈б0 = 𝑈бэ
+ 𝑈𝑅э = 1,08 + 2 = 3,08 В
Затем определим сопротивление базы транзистора 𝑅б относительно
коэффициента температурной нестабильности S (возьмем равным 10
единиц):
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
19
Rб  ( S  1) Rэ  9  81,6  734,4 Ом
Округлим сопротивление до стандартного значения из ряда E96 с
отклонением ±5% 𝑅б = 734,4 Ом
Рассчитаем мощность, выделяемую на резисторе:
2
𝑃б = (𝐼б0 ) ∙ 𝑅б = 183,6 мВт = 0,1836 Вт
Выберем резистор МЛТ-0,25 –734,4 Ом E192 ±5
Определим сопротивления R1 и R2 делителя напряжений относительно
сопротивления базы:
R1 
Еп Rб
16  734,4

 3409 Ом  3,4 кОм
0
U  I б Rб 3,08  0,0005  734,4
R2 
Rб R1
734,4  3409

 936 Ом
R1  Rб 3409  734,4
0
б
Округлим сопротивления до стандартных значений из ряда Е96 с
отклонением ±5% 𝑅1 = 3,4 кОм и ряда Е96 𝑅2 = 936 Ом.
Рассчитаем мощности, выделяемые на резисторах:
𝑃𝑅1 =
𝐸п2
𝑅1
= 0,076 Вт, 𝑃𝑅2 =
𝐸п2
𝑅2
= 0,28 Вт
Выберем резисторы МЛТ-0,5 – 3,4 кОм Е96 ±5% и МЛТ-1 – 936 Ом
Е96 ±5% соответственно.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
20
4.6. Расчет амплитуд колебаний входного сигнала и параметров
входной цепи усилительного каскада
Отобразим на семействе входных характеристик транзистора положения
рабочих точек. На рисунке 6 представлено входная характеристика с
рабочими точками.
Iб , мА
1
A'в
Iб max=1
2Iб m
0,8
0,6
Iб0 =0,5
A'
0,4
Iб min=0,31
A'н
0,2
0
0,4
0,6
1
0,8
Uбэ0 =1,08
Uбэ min=1,04
1,2
Uбэ , В
Uбэ max=1,15
2Uбэ m
Рисунок 6 - Семейство входных характеристик транзистора КТ312Б с рабочими
точками
Вычислим
амплитуды
переменных
составляющих
тока
базы
и
напряжения базы – эмиттер:
I бт 
I б max  I б min 1  0,31

 0,345 мА
2
2
U бэт 
U бэ max  U бэ min 1,15  1,04

 0,055 В
2
2
Определим входное сопротивление транзистора:
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
21
rбэ  h11 
U бэт
0,055

 159,4 Ом
0,000345
I бт
Определим входное сопротивление каскада:
Rвх  h11 || Rб 
h11 Rб
159,4  734,4

 130,97 Ом
h11  Rб 159,4  734,4
Чтобы получить выходное амплитудное напряжение в 4 В, необходим
амплитудное входное напряжение:
U вхт  U бэт  0,055 В
По амплитудному входному напряжению по закону Ома найдем
амплитуду входного тока:
I вхт 
U вхm
U
0,055
 I бт  вхm 
 0,42 мА
Rвх
Rб
130,97
Вычислим коэффициент усиления по напряжению усилительного
каскада:
𝐾𝑈 =
𝑈вых
𝑈вх
=
6
0,055
= 109,1
Вычислим коэффициент усиления по току усилительного каскада:
𝐾𝐼 =
𝐼вых
𝐼вх
=
46,7
0,42
= 111,2
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
22
4.7. Расчет разделительных и шунтирующих емкостей
Расчет разделительных и шунтирующих емкостей при проектировании
усилительных каскадов производится на основе приведенной в исходных
данных допустимой величины коэффициента частотных искажений на
нижней граничной частоте полосы пропускания, который не должен
превышаться в проектируемой схеме.
Каждая из разделительных и шунтирующих емкостей схемы вносит свой
вклад в создание частотных искажений. Результирующий коэффициент
частотных
искажений
произведением
каскада
составляющих
или
схемы
в
коэффициентов
целом
определяется
частотных
искажений
вносимых каждой емкостью
Для вычисления разделительных и шунтирующих емкостей разобьем
коэффициент частотных искажений 𝑀н на три части.
М р1,p2  4 М н  4

2  1.090507733

2
  4 2   1.1892071157


0
I
24,5
  к0 
 49
0,5
Iб
Мэ 
4
Мн
2
Вычислим нижнюю граничную частоту полосы пропускания:
𝜔н = 2𝜋𝑓н = 2 ∙ 3.14 ∙ 40 = 251,3
рад
с
Найдем значения разделительных и шунтирующих емкостей:
С р1 
1
 н ( Rc  Rвх ) М р21  1

1
251,3  (1000  130,97) 1.1892071157  1
 80,35
В соответствии со стандартным рядом мощностей конденсаторов
выбираем конденсатор К53-7 с допускаемым отклонением ±20%.
С р2 
1
 н ( Rн  Rк ) М
2
р2
1

1
251,3  (400  327) 1.1892071157  1
 125
В соответствии со стандартным рядом мощностей конденсаторов
выбираем конденсатор К53-7 с допускаемым отклонением ±20%.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
23
Сэ 
1

h11  Rс
2
 н ( Rэ ||
) М э 1
1 
1
1


h11  Rс
159,4  1000
81,6  (
)
Rэ  (
)
1

49
1 
2
М э2  1
н
М э  1 251,3 
159,4  1000
h  Rс
81,6 
Rэ  11
1  49
1 
 342,42
В соответствии со стандартным рядом мощностей конденсаторов выбираем
конденсатор К50-6 с допускаемым отклонением ±20%.
Заключение
В данной курсовой работе было произведено рассмотрение усилительного
каскада с общим эмиттером и его последующий расчет.
По полученным
результатам усилитель соответствует данным технического задания.
Разработанный
усилительный
каскад
состоит
из
транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером, резисторов, предназначенных для
создания цепи смещения, температурной стабилизации и получения
колебаний напряжения, разделительных и шунтирующих емкостей.
Список использованных источников
1. Лукашенков А.В. Разработка и расчет электронных устройств систем
автоматики и управления (Усилительные каскады): Учебное пособие по
выполнению курсовых проектов и работ. Тула 2010 – 63c.
2. Методические указания по выполнению курсовой работы. Тула 2009. –
11с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. М.: Высш. школа, 2007. - 622 с.
4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник /
К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана,
- М.: Радио и связь, 1981. – 656 с.
ИБК.374000.000 ПЗ
Изм. Лист
Изм. Лист
№ докум.№
докум.
Подпись Дата
Подпись Дата
Лист
Лист
24
Поз.
обозначе
ние
Наименование
Кол
Примечание
Конденсаторы
Cр1
К50-6 – 81мкФ Е24 ±20 %
1
Cр2
К50-6 – 125 мкФ Е24 ±20%
1
Cэ
К50-24 – 343 мкФ Е12 ±20 %
1
Резисторы
R1
МЛТ-2– 402 Ом, Е48 ±5%
1
R2
МЛТ-0,25 – 328 Ом, Е192±5%
1
Rэ
МЛТ-0,5 – 8,2 Ом, Е12 ±20%
1
Rк
МЛТ-0,25 – 741 Ом, Е192 ±5%
1
Rб
МЛТ-0,5 – 344 кОм, E192 ±5
МЛТ-0,5 – 942 Ом, E192 ±5%
1
Rн
1
Транзисторы
КТ-312Б
VT
Изм. Лист
Разраб.
Пров.
Н.Контр.
№ докум.
Сырбу Е.Н.
Лукашенков А.В.
Подпись Дата
1
Элементы схемы усилительного
каскада на биполярном
транзисторе
Лит.
Лист
Листов
25
25
ГУ, гр.