Расчет усилителя по переменному току.

(...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
xxE
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
1h21э
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
Iáh
U
h

âõ
11
êý
12

 1 1(1)

h

I

U

21 á êý
h22RR

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
hh
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:
0Iáh11Uh12

 1

h21IáU
h22R
I
 ê

Из первого уравнения получим:
h
Iб  12U
h11
Подставим полученное выражение во второе уравнение:

h h
1
 12 21UU

h
 
22

I
h
R
11
ê


h
1 h
IU

 
 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

Mí1wíRâûõ
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 íâûõ
í 1
R
R
R

R
âûõí
âûõí
 (w)  KÑ×
K
Â×
1b2
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.