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 ~
