усилитель напряжения на биполярном транзисторе вариант 31

Содержание
Введение………………………………………………………….………………2
1. Исходные данные для курсового проектирования.………………................3
2. Расчета схемы усилителя напряжения……………………………………….5
Заключение…………………………………………………………..…………...11
Список литературы………………………………………………………………12
~2~
Введение
Усилением
называют
процесс,
в
котором
достигается
повышение
напряжения сигнала при сохранении его формы во времени. БТ позволяет
сделать устройство, производящее усиление напряжения. При усилении
энергия источника питания преобразуется в энергию сигнала с помощью
управляющего элемента, который изменяет поток энергии источника. При
этом так же изменяется поток энергии в приемнике.
Целью данной работы является расчет параметров усилитель напряжения на
биполярном транзисторе.
~3~
1. Исходные данные для курсового проектирования
Предлагается
спроектировать
усилитель
напряжения
на
биполярном
транзисторе по схеме, представленной на рис. 1.
Схема усилителя напряжения
Рисунок 1–Схема усилителя напряжения
Исходные данные для расчета
Вариант −31
максимальная амплитуда напряжения холостого хода источника входного
сигнала− Eгm = 0,45 В;
внутреннее сопротивление источника входного сигнала−Rг=75 Ом;
максимальная амплитуда напряжения нагрузки−Uнm=2,0 В;
сопротивление нагрузки−Rн=1500 Ом;
нижняя частота усиления−fн=30 Гц;
коэффициент частотного искажения на частоте fн −Mн=1,6.
Назначение элементов схемы
VT1– управляемый элемент;
Rб1 и Rб2–цепь смещения начальной рабочей точки (точки покоя) транзистора
для обеспечения активного режима работы и усиления в классе А;
Rн –эквивалент нагрузки;
Rк –нагрузка транзистора по постоянному току;
Rэ –резистор отрицательной обратной связи (ООС по току);
Rг и Ег–эквивалент источника входного сигнала;
~4~
С1 и С2–разделительные конденсаторы, исключают влияние усилителя на
источник входного сигнала и нагрузку по постоянному току.
Принцип работы схемы
Принцип работы схемы заключается в следующем: при наличии постоянных
составляющих и напряжений в схеме подача на вход усилителя переменного
напряжения приводит
к появлению переменой составляющей тока базы
транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной
цепи усилителя (в коллекторном токе транзистора). За счет падения
напряжения на резисторе Rк создается переменная составляющая напряжения
на коллекторе, которая через конденсатор С2 предается на выход каскада – в
цепь нагрузки. На выходе усилителя сигнал будет находиться в противофазе
с входным, следовательно, усилитель–инвертирующий.
2. Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе
Расчет схемы
2.1. Определение заданного коэффициента усиления по напряжению:
𝐾𝑢 =
𝑈н𝑚
𝐸г𝑚
=
2
0,45
= 4,44.
2.2. Расчёт сопротивления резистора коллекторной цепи транзистора:
𝑅𝐾 = (1 + 𝐾𝑅 ) ∙ 𝑅н ,
где 𝐾𝑅 − коэффициент соотношения сопротивлений 𝑅𝐾 и 𝑅н ,
𝐾𝑅 = 1,2 ÷ 1,5 при 𝑅н ≤ 1 кОм; 𝐾𝑅 = 1,5 ÷ 5 при 𝑅н > 1 кОм.
В нашем случае 𝑅н = 1,5 кОм > 1 кОм. Тогда выберем
𝐾𝑅 = 2,
следовательно:
𝑅𝐾 = (1 + 2) ∙ 1,5 = 4,5 кОм.
Выберем из ряда Е24 𝑹𝑲 = 𝟒, 𝟑 кОм.
2.3. Расчёт сопротивления нагрузки транзистора по переменному току:
𝑅н′ = 𝑅𝐾 ∥ 𝑅н =
𝑅𝐾 ∙𝑅н
𝑅𝐾 +𝑅н
=
4,3∙1,5
4,3+1,5
= 1,11 кОм.
2.4. Расчёт максимальная амплитуда переменного тока коллектора:
~5~
𝐼𝑘𝑚 =
𝑈н𝑚
𝑅н′
=
2
1,11
= 1,8 мА.
2.5. Ток коллектора в начальной рабочей точке (ток покоя):
𝐼𝑘𝑛 =
𝐼𝑘𝑚
𝐾з
,
где 𝐾з = 0,7 ÷ 0,95 −коэффициент запаса.
Принимаем 𝐾з = 0,7, что соответствует минимальным искажениям сигнала.
Тогда получается:
𝐼𝑘𝑛 =
1,8
0,7
= 2,6 мА.
2.6. Минимальное напряжение коллектор −эммитер в точке покоя:
𝑈кэ𝑚𝑖𝑛 = 𝑈0 + 𝑈н𝑚
где 𝑈0 −граничное напряжение коллектор –эммитер между активным
режимом и режимом насыщения.
Для транзисторов с 𝑃𝑘 ≤ 150 мВт (маломощные) выберем 𝑈0 = 1В:
𝑈кэ.𝑚𝑖𝑛 = 1 + 2 = 2 В.
2.7. Напряжение коллектор-эмиттер в начальной рабочей точке (точке покоя)
𝑈кэп .
По сколько 𝑈кэ.𝑚𝑖𝑛 < 5 В, то принимаем 𝑈кэп = 5 В.
2.8. Расчёт сопротивления резистора отрицательной обратной связи (ООС):
𝑅э =
𝑅н′
𝐾𝑢
=
1,11
4,44
= 0,25 кОм.
Округляем до ближайшего стандартного значения 𝑹э = 𝟐𝟐𝟎 Ом.
2.9. Расчёт напряжения источника питания:
𝐸п = 𝑈кэп + 𝐼кп · (𝑅к + 𝑅э ) = 5 + 2,6 · (4,3 + 0,22) = 16,752 В.
Принимаем 𝑬п = 𝟏𝟖 В.
2.10. Выбираем транзистор по предельным параметрам из условий:
𝑈кэ.𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝐸п = 18 В; 𝐼к.𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝐼кп = 2,6 мА;
𝑃к.𝑚𝑎𝑥 > 𝐼кп · 𝐸п = 2,6 · 18 = 46,8 мВт;
где 𝑈кэ.𝑚𝑎𝑥 −максимальное обратное постоянное напряжение коллекторэмиттер;
𝐼к.𝑚𝑎𝑥 −максимальный постоянный ток коллектора;
~6~
𝑃к.𝑚𝑎𝑥 −максимальная мощность на коллекторе транзистора.
Выбираем транзистор КТ𝟑𝟏𝟐𝐁 со следующими параметрами:
𝑈кэ.𝑚𝑎𝑥 = 20В; 𝐼к.𝑚𝑎𝑥 = 30 В; 𝑃к.𝑚𝑎𝑥 = 225 мВт;
ℎ21э = 50 ÷ 280; 𝐼эо  𝐼ко = 10 мкА.
2.11. Ток базы покоя транзистора:
𝐼кп
𝐼бп =
=
ℎ12 э
2,6
50
= 52 мкА.
2.12. Определение напряжения покоя база – эмиттер 𝑈бэп . Используем
относительное выражение для ВАХ эмиттерного перехода транзистора из
нелинейной модели «Эбера −Молла»:
𝑒∙𝑈бэ
𝐼э = 𝐼э0 ∙ (
где
𝑚𝜑т
− 1),
𝑚 = 1,2, … ,3 − поправочный коэффициент, учитывает не идеальность
электронного перехода (𝑚 = 2); 𝐼э0 −обратный ток эмиттерного перехода;
эмиттер
𝑈бэ > 3𝑚𝜑т = 150 мВ −поскольку
находится
в
активном
насыщении, в этом случае единицей можно пренебречь.
Тогда с учетом зависимости:
𝐼б =
𝐼э
1+ℎ12 э
,
можно получить
𝑈бэ𝑛 = 𝑚𝜑т 𝑙𝑛
𝐼б𝑛 ∙(1+ℎ12 э )
𝐼э0
= 𝑚𝜑т 𝑙𝑛
𝐼кп
𝐼э0
,
где 𝜑т = 26 мВ −температурный потенциал:
𝑈бэ𝑛 = 2 · 26 · 𝑙𝑛
2,6
10∙10−3
= 0,3 В.
2.13. Ток делителя цепи смещения:
𝐼д = (5 ÷ 10) ∙ 𝐼б𝑛 = 5 ∙ 52 = 0,31 мА.
2.14. Расчёт сопротивления цепи смещения:
𝑅б2 =
𝑈бэ𝑛 +𝐼кп ·𝑅э
𝐼д
=
0,3+2,6∙10−3 ∙220
0,31∙10−3
= 2,81 кОм.
Округляем до стандартного значения 𝑹б𝟐 = 𝟐, 𝟕 кОм.
𝑅б1 = (
𝐸п
𝑈бэп +𝐼кп ·𝑅э
− 1) · 𝑅б2 = (
18
0,3+2,6·0,22
~7~
− 1) · 2,7 = 53,03 кОм.
Округляем до стандартного значения 𝑹б𝟏 = 𝟓𝟏 кОм.
2.15. Эквивалентное сопротивление цепи смещения:
𝑅б = 𝑅б1 ∥ б2 =
𝑅б1 ·𝑅б2
𝑅б1 +𝑅б2
=
2,7∙51
2,7+51
= 2,56 кОм.
2.16. Расчёт входного сопротивление усилителя:
𝑅б ·𝑅вхб
𝑅вх = 𝑅б ∥ 𝑅вхб =
𝑅б +𝑅вхб
,
где 𝑅вхб − входное сопротивление со стороны базы:
𝑅вхб = (1 + ℎ12 э ) · (rэ + 𝑅э ) = (1 + 50) · (10 + 220) = 11,73 кОм ,
𝜑т
𝑟э =
𝐼кп
=
26
2,6
= 10 Ом.
Тогда
𝑅вх =
2,56·11,73
2,56+17,73
= 2,1 кОм.
2.17. Расчёт разделительных конденсаторов:
Принимаем вклады 𝐶1 и 𝐶2 в частотные искажения на частоте 𝑓н равными:
MнC1 = MнC2 = MнC = √Mн = √1,6 = 1,265.
Тогда
𝐶1 =
1
2𝜋𝑓н (𝑅г +𝑅вх )√MнC 2 −1
=
1
2∙3,14∙30∙(75+2100)∙√1,62 −1
= 1,968 мкФ,
округляем до стандартного значения 𝑪𝟏 = 𝟐 мкФ.
𝐶2 =
1
2𝜋𝑓н (𝑅к +𝑅н )√MнC 2 −1
=
1
2∙3,14∙30∙(4300+1500)∙√1,62 −1
= 0,74 мкФ,
округляем до стандартного значения 𝑪𝟐 = 𝟏 мкФ.
2.18.
Проверка
усилителя
коэффициента усиления по
на
соответствие
заданному
напряжению 𝐾𝑢 . Используем для расчёта
действительного коэффициента усиления точную формулу:
𝐾𝑢д = ℎ12 э ·
𝑅н′
𝑅г′ +𝑅вхб
,
где 𝑅г′ −эквивалентное сопротивление входной цепи:
𝑅г′ =
значению
𝑅г ·𝑅б
𝑅г +𝑅б
=
75∙2560
75+2560
Тогда
~8~
= 72,865 Ом.
𝐾𝑢д = 50 ·
1110
72,865+11730
= 3,2.
Отклонение
ε=
|4,44−4,7|
4,7
· 100% = 5,5 %.
Т.к. действительные и заданные значения 𝐾𝑢 расходятся не более 10 % ,
расчёт считаем верным.
2.19. Проверка режима работы усилителя по постоянному току:
𝑈кп = 𝐸𝑛 – 𝐼кп ∙ 𝑅к = 18 − 2,6 ∙ 4,3 = 6,82 В;
𝑈эп = 𝐼кп ∙ 𝑅э = 2,6 ∙ 0,22 = 0,57 В;
𝑈бп = 𝑈эп + 𝑈бэп = 0,57 + 0,3 = 0,87 B.
2.20. Проверка работоспособности схемы по условиям:
а) 𝑈кп = 6,82 В > 𝑈бп = 0,87 В −обеспечивает активный режим работы.
б) 𝑈кп − 𝑈бп = 6,82 В − 0,87 В = 5,95 В > 𝑈н𝑚 = 2,0 В −класс усиления А
обеспечивается.
2.21. Построение нагрузочных характеристик по постоянному и переменному
току.
𝐸𝑛 = 𝐼к · (𝑅э + 𝑅н ) + 𝑈кэ ,
Как видно
при 𝐼к = 0,
𝑈кэ = 18 В,
а при 𝑈кэ = 0,
𝐼к =
𝐸𝑛
18
=
= 10,5 мА.
(𝑅э + 𝑅н ) (220 + 1500)
2.22. Строим нагрузочные характеристики транзистора по постоянному и
переменному токам (рис.2.).
~9~
Рисунок 2. Нагрузочные прямые транзистора по постоянному и переменному току
~ 10 ~
Заключение
В данной курсовой работе был спроектирован усилитель напряжения на
биполярном транзисторе, который отвечает всем параметрам, заданным в
техническом условии. Коэффициент полезного действия спроектированного
усилитель напряжения на биполярном транзисторе превышает заданное нам
по условию значению, что гарантируют эффективную работоспособность
устройства.
Рассчитаны
элементы
связи
в
качестве
разделительные конденсаторы.
~ 11 ~
которых
использовались
Список литературы
1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. 3-е изд., перераб. и
доп. – Ростов н/Д: Изд-во «Феникс», 2002. – 576 с.
2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая
электроника. (Полный курс): Учебник для вузов. – М.: Горячая линия –
Телеком, 1999. – 768 с.
3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов. –
М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 488 c.
4. Грабовски Б. Краткий справочник по электронике / Богдан Грабовски: Пер.
с фр. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 416 с.
5. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. – 3-е изд., перераб. и доп. –
М.: Инимедиастайл, 2002. – 448 с.
~ 12 ~