(...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...) Курсовой проект Расчет усилительного каскада на транзисторе Постановка задачи. В данном курсовом проекте требуется разработать каскад предварительного усиления: выбрать транзистор, биполярный или полевой, изобразить схему, продумать, какой каскад должен быть использован (ОЭ, ОК, ОБ, ОЗ, ОС, ОИ), выполнить электрический расчет схемы. Исходные данные. K u не менее Rвх не менее Rн не менее 5 10 Ом 10 кОм f н не менее 80 Гц E к не менее 12 В Выбор схемы включения. Т.к. K u 5 , и входное сопротивление Râõ =10 Ом –мало, то целесообразно выбрать схему с общим эмиттером. Классическая схема. Здесь C p1 , C p2 - разделительные конденсаторы, которые нужны для того, чтобы: Источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режима транзистора по постоянному току Не пропускать в нагрузку постоянную составляющую выходного тока Rá , Rê предназначены для задания рабочей точки. Rн - сопротивление нагрузки E к - напряжение питания . (...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...) Расчет усилителя по постоянному току. Режим работы по постоянному току определяется элементами E к , Rá , Rê и параметрами транзистора. Исходя из заданных условий: E E 2 U U к Eк 12 В, поэтому возьмем Uâûõm 6 В k выхm выхm 2 Обычно E E 0 , 8 ... 0 , 9 U U ê k êýò êým 0 , 8 ... 0 , 9 E 12 ê 15 êým Возьмем U 0 , 80 , 8 В R í 1000 Зададим R Ом ê 10 U 6 I âûõm 6мА êò R 1000 ê Исходя из этих параметров, для реализации каскада выберем транзистор КТ326А. Его параметры представлены в виде таблицы. fгрh21., Наимен. тип Uкэ, В Pкmax, мВт h21э τ, пс Ck, пФ iкэ, мА МГц 10.8 15 200 37 450 5 50 КТ326А p-n-p rá' Ck 450 пс C k 5 пФ Режим работы усилителя по постоянному току описывается системами уравнений: Ek Uêý Iê Rê Uêý (Iê , Iá ) Ek Uáý Iá Rá Uáý f (Iá ,Uêý) На выходных характеристиках КТ326А построим нагрузочную линию и определим рабочую точку: U 12 xxE k В мА (...В представленной на сайте версии работы изменены числовые данные. Для получения работы с корректными величинами, обратитесь на www.diplomant-spb.ru ...) U кэп 6 В I êï 2 мА I áï 10 мА 3 h22ý 11 10 См Uáýï 1,6 В Определим Rá : Å U ê áýï R á Iáï 12 1 ,6 R 1 .04 кОм á 3 10 10 r C á k 450 r 90 á ` Ом C 6 k 1h21э 1 1 38 ,5 rб'э , где 0 ,026 Iкп t Расчет усилителя по переменному току. Для расчета по переменному току необходимо: 1. Начало координат на характеристиках транзистора перенести в рабочую точку по постоянному току 2. В рабочей точке определить параметры транзистора для бесконечно малых приращений. С учетом того, что для переменных составляющих токов и напряжений внутреннее сопротивление источника питания мало, точки + и - E к считают однопотенциальными по переменному току. Тогда транзистор работает в активной области в режиме малого сигнала. Получим следующую линейную электрическую модель усилителя: Опишем линейную модель усилителя в соответствии с законами Кирхгоффа: U Iáh U h âõ 11 êý 12 1 1(1) h I U 21 á êý h22RR ê í Определение входного сопротивления. Из второго уравнения системы (1) выразим U кэ : h Iá 21 U êý 1 1 h 22 R R ê í Подставим получившееся выражение в первое уравнение системы (1): h h 21 12 h U I âõ á 11 1 1 h 22 R R ê í Определим входное сопротивление транзистора: U hh R âõ h 2112 âõòð 11 1 1 I á h 22 R ê R í Учитывая, что h12 0 , рассчитаем Rвхтр : R h 584 âõòð 11 Ом Входное сопротивление усилителя определяется параллельным включением Rвхтр и Rб : Ом, что в 37.4 раза больше минимально заданного. Определение коэффициента усиления по напряжению и по току. Упрощенная схема замещения усилителя с ОЭ: Каскад с ОЭ инвертирует входной сигнал, что и отображает минус перед источником тока. Из второго уравнения системы (1) выразим I б : 1 1 U êý 22 h R R ê í Iá h 21 Подставим полученное выражение в первое уравнение системы (1): 11 U h h êý 22 11 R ê R í U U h âõ êý 12 h 21 Считая напряжение коллектор-эмиттер выходным, определим коэффициент усиления по напряжению: U h h êý 21 K 21 5 . 24 u U 1 1 1 1 âõ h h h h h h 12 21 11 22 11 22 êR í êR í R R Знак минус в коэффициент усиления по напряжению указывает на инверсию сигнала. Определим коэффициент усиления по току: По определению: U Iвых Iн U âõ K , где Iн вых а Iâõ I R Iвх Iвх Rн âõóñèëèòåë ÿ Таким образом, Определение выходного сопротивления. Выходное сопротивление определим следующим способом: 1. Замкнуть активный источник входного сигнала 2. Отключить сопротивление нагрузки. Подвести к выходным зажимам усилителя переменное напряжение U 3. Рассчитать переменный ток I, потребляемый от источника U 4. Определить выходное сопротивление усилителя, как Rвых U I Схема замещения усилителя, реализующая этот способ выглядит следующим образом: Данную схему можно описать следующей системой: 0Iáh11Uh12 1 h21IáU h22R I ê Из первого уравнения получим: h Iб 12U h11 Подставим полученное выражение во второе уравнение: h h 1 12 21UU h 22 I h R 11 ê h 1 h IU 12 21U 22 h R h ê 11 Выразим отсюда выходное сопротивление: U 1 1 R R 1 âûõ h h 1 ê кОм 1 I 12 21 h h 22 22 R R h ê ê 11 Частотные свойства. По заданию курсовой работы, проектируется усилитель звуковых частот. Область звуковых частот располагается в диапазоне от десятков Гц до десятков (10-30)кГц. Условно звуковые частоты можно разделить на 3 области: НЧ – низкие 10…300 Гц СЧ – средние 300-5000 Гц ВЧ - верхние 5000-30000 Гц Представим наш усилительный каскад стандартным четырехполюсником, характеризующимся входным и выходным сопротивлениями и коэффициентом усиления в режиме холостого хода. Дополнив четырехполюсник, изображенный на рисунке реактивными элементами (разделительными конденсаторами и суммарной емкостью нагрузки) можно теоретически определить частотные характеристики, как в каждом поддиапазоне звуковых частот, так и в области звуковых частот в целом. С учетом реактивных элементов модель усилительного каскада примет следующий вид: В данной схеме C н - суммарная емкость нагрузки, включающая в себя емкость монтажа и выходную емкость транзистора, она обычно невелика. C p - разделительная емкость на выходе усилителя. Разделительную емкость на входе усилителя вместе с входным сопротивлением обычно относят к предыдущему каскаду. Определение емкостей C p и C н . На СЧ будут выполняться неравенства: 1 Rн (1) wC p 1 Rн(2) wC н На НЧ не выполняется первое неравенство, а на ВЧ не выполняется второе. Рассчитаем из этих соотношений емкости. Границы диапазонов примут вид: НЧ – низкие w=60…2000 1/c СЧ – средние 2000-30000 1/c ВЧ - верхние 30000-188000 1/c Возьмем C p =0.1 мкФ Проверим выполнение неравенств: 1 1 10000 6 НЧ: wC Ом Rí 10000 Ом 0 . 1 10 p 1000 1 1 500 6 СЧ: wC Ом 0 . 1 10 p 20000 1 1 100 6 ВЧ: wC Ом 0 . 1 10 p 100000 Неравенство (1) при данном значении Cр выполняется на СЧ и ВЧ. Возьмем C í =1 нФ 1 1 1 1 10 9 НЧ: wC Ом 1 10 Í 1000 6 5 10 9 СЧ: wC Ом 1 10 Í 20000 ВЧ: Ом Неравенство (2) при данном значении C í не выполняется только в ВЧ области. 4 Область средних звуковых частот. В диапазоне средних звуковых частот влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. на этих частотах выполняются неравенства: 1 Rн (1) wC p 1 Rн(2) wC н В этом случае выходная цепь четырехполюсника примет вид: Комплексная характеристика будет иметь вид: K xx вых R jw K K const cp 1 1 R выхR н Определим K xx KR í K uxx R R âûõ í 3 3 K ( R R ) 5 ( 10 10 10 ) K âûõ í 5 . 5 xx 4 R 10 í K xx R âûõ jw K K 5 cp 1 1 R âûõ R í Исходя из этого, АЧХ и ФЧХ будут иметь следующий вид Область низких звуковых частот. В области НЗЧ влиянием суммарной емкости нагрузки можно пренебречь, но следует учитывать влияние разделительного конденсатора C p . Это требует учета сопротивления разделительной емкости, и в этом случае модель выходной цепи четырехполюсника будет иметь вид: Коэффициент передачи в области НЧ будет определяться выражением: K K xx xx R R R âûõ í âûõ jw K K H× 1 1 1 1 1 1 R 1 j 1 í jwC R âûõ ð R R wC R R R ð âûõí âûõí í jwC p K Ñ× 1 1 j wC R R ð âûõ í Для построения АЧХ определим модуль коэффициента передачи в области НЧ: K K b b ( K w ) Ñ× Ñ× H× 2 2 R wC R p вых н 1 b 1 b 2 2 1 Согласно полученному выражению с уменьшением w растет b и уменьшается K H ,АЧХ и ФЧХ будут иметь следующий вид: Определим Ср для низшей граничной частоты входного сигнала fн = 80Гц Ñð 1 Mí1wíRâûõ Rí 2 2 2 2 M b í 1 wí 2 fí Ср= 0.17777 мкФ Область верхних звуковых частот. В области ВЗЧ влиянием разделительной емкости можно пренебречь, но следует учитывать влияние суммарной емкости конденсатора C н . В этом случае модель выходной цепи четырехполюсника будет иметь вид: Коэффициент передачи в области ВЗЧ будет определяться выражением: K xx R Kñ÷ âûõ jw K K Â× 1 1 wC RR í jwC j íâûõ í 1 R R R R âûõí âûõí (w) KÑ× K Â× 1b2 wCí RâûõRí b Râûõ Rí Согласно полученному выражению с увеличением w растет b и уменьшается K Â× ,АЧХ и ФЧХ будут иметь следующий вид: Из линейки резисторов и емкостей для создания данного каскада используем: Для Список литературы: 1. В.А. Андреев, Г.В.Войшвилло, О.В Головин, «Усилительные устройства. Учебное пособие для высших заведений», М, «Радио и связь», 1993. 2. Л.Н.Бочаров, С.К. Жеребряков, И.Ф. Колесников, «Расчет электронных устройств на транзисторах», М, «Энергия», 1978. 3. А.Г. Алексеев, В.И. Караванов, А.А. Макарова, «Методические указания к курсовому проектированию усилителей многоканальных систем передач», Ленинград, ЛЭИС, 1991.