Проектирование резистивного усилителя

Министерство образования и науки РФ

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

 

 

Кафедра электронных систем автоматизации и управления (ЭСАУ)

 

Проектирование резистивного усилителя.

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Схемотехника электронных средств»

 

 

 

Выполнил

Студент группы 531

_________   Никитин В.Р.

 

Руководитель

Преподаватель кафедры ЭСАУ

_________ Р. О. Черепанов

 

 

 

 

 

 

 

2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ЗАДАНИЕ НА  РАБОТУ

 

 Выполнить проектирование  усилительного каскада с общим  эмиттером.

Обеспечить:

1. Максимальный КПД ;

2. Мощность, рассеиваемую на нагрузке 250 мВт;

Нижняя частота пропускания fн = 20Гц.

 В ходе проектирования необходимо:

1. Выбрать схему резистивного  усилителя;

2. Выбрать, объяснить выбор  транзистора;

3. Выбрать номиналы элементов, используемых в схеме;

4. Рассчитать основные  параметры схемы;

5. Определить коэффициент  усиления по напряжению,  КПД  усилителя, входное и выходное  сопротивления каскада;

6. Сделать оценку КПД (при  слишком низком КПД заменить  элементы схемы, повторно выполнить  расчеты);

7. Выполнить моделирование  схемы резистивного усилителя  в доступном прикладном пакете (Micro-Cap, Multisim и др.);

8. Сопоставить  и объяснить  данные, полученные в ходе расчетов  и моделирования;

9. Сделать обобщающие выводы  по проделанной работе.

 

 

 

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в n-p-n-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярноголярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа. Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1.1 Схемы включения биполярных транзисторов

(направлении работы соответствует активному режиму работы).

 

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором.

 

В данной курсовой работе выполняется проектирование резистивного усилителя с общим коллектором (Эмиттерный повторитель).

3 ВЫБОР СХЕМЫ  РЕЗИСТИВНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМКОЛЛЕКТОРОМ

 

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) представляет собой схему, где нагрузка включена в цепь эмиттера. В этом случае входное сопротивление представляет собой сопротивление коллекторного перехода, выходное сопротивление – сопротивление эмиттерного перехода. Таким образом, током входа является ток базы, током выхода – ток эмиттера.

Также ,усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОК, носит название эмиттерный повторитель, поскольку напряжение на выходе усилителя по величине и фазе близко к действующему на входе, и как бы повторяет его.     

  Схема имеет стопроцентную (полную) последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению, уменьшающую коэффициент усиления напряжения каскада и его коэффициент гармоник, а также уменьшающую его выходное сопротивление и увеличивающее входное. Изменяются эти сопротивления при изменении сопротивлений нагрузки и источника сигнала. При этом уменьшается и входная динамическая ёмкость каскада. Улучшаются качественные показатели при введении глубокой ООС.         

 

 Вследствие большой глубины  обратной связи в транзисторе  с ОК, входное и выходное сопротивления изменяются в очень широких пределах. Если при общем эмиттере и общей базе входное и выходное сопротивления изменяются всего в несколько раз, то при общем коллекторе – в несколько сотен или тысяч раз и поэтому, эта схема может быть использована как согласующая или развязывающая цепи. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2 - Используемая на практике схема усилителя на эмиттерном повторителе.

Резисторы R1 и R2задают начальный режим работы транзистора («смещение»), C1 и C2устраняют постоянную составляющую входного и выходного сигналов 
4 РАСЧЕТ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ

 

4.1 Выбор транзистора

При наличии исходных данных, таких как напряжение питания Eп, номинал нагрузки Rн, максимальное выходное напряжение Uвыхm.Транзистор выбирается исходя из следующих условий:

 

 

Однако в задании к курсовой работе в исходных данных указывается только требуемая рассеиваемая мощность на нагрузке 250 мВт. Выбирать транзистор, будем из следующих соображений, максимальная мощность на коллекторе транзистора должна быть, с учетом всех потерь, не меньше 2 Вт. Для удобства работы использовать будем отечественный транзистор (для импортных транзисторов в тех. данных отсутствуют входные характеристики). Для моделирования схемы резистивного усилителя был выбран прикладной пакет Micro-Cap 9.0.6.1, в его библиотеке, как основной, так и в дополнительной содержится ограниченное количество отечественных транзисторов. В связи с этим единственным приемлемым вариантом является КТ815Г с максимальной рассеиваемой мощностью в 10 Ват.

Необходимые электрические параметры транзистора КТ815Г (из справочника):

β = (40-275)

Iкmax = 1.5 А

Uкэmax = 80 В

Ркmax = 10 Вт

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Получение характеристик

 

Сравнивая  вид семейства входных и выходных вольт-амперных характеристиках  из справочника и снятых в Micro-Cap, замечено, что характеристики сильно отличаются, поэтому для графоаналитического расчета параметров будем использовать характеристики снятые в прикладной программе Micro-Cap.

 

Снимем характеристики транзистора КТ815Г в программе Micro-Cap.

 

На рабочем столе собираем схему для снятия входных характеристик. На вход подаем ступеньку. Схема представлена на рисунке 4.2.1

Рисунок 4.2.1 – Схема для снятия входных характеристик.

Используя анализ DC, установив необходимые пределы, и задав Stepping по напряжению коллектор-эмиттер (от 0 В до 5 В), снимаем  семейство входных характеристик (рисунок 4.2.2)

 

Рисунок 4.2.2 – Семейство входных характеристик транзистора КТ819А

 

 

На рабочем столе собираем схему для снятия выходных характеристик. Схема представлена на рисунке 4.2.3

 

 

Рисунок 4.2.3 – Схема для снятия выходных характеристик.

 

Используя анализ DC, установив необходимые пределы, и задав Stepping по току базы  (от 0  до  500 мA, шаг 1 мА), снимаем  семейство выходных характеристик (рисунок 4.2.4).

 

Рисунок 4.2.4 – Семейство выходных характеристик транзистора КТ819A

 

 

 

 

 

 

4.3 Расчет  параметров

 

На графике изобразим гиперболу рассеяния на 30% ниже основной:

Uкэ,В	1	2	4	8	10	14	16	20
Iк,А	7	3.5	1.75	0.875	0.7	0.5	0.4375	0.35

 

 

 

 

Нагрузочную прямую необходимо проводить под гиперболой либо по касательной к ней.

 

Для исследования КПД каскада выберем 3 рабочих точки, для которых рассчитаем усилитель. Напряжение питания E примем равным E=20В.

Рисунок 4.3.1 – Выходные характеристики транзистора с нанесенными рабочими точками, их нагрузочными прямыми.

 

 

Рисунок 4.3.2 – Входные характеристики с нанесенными рабочими точками и приращениями токов базы и напряжений база-эмиттер.

 

Запишем координаты рабочих точек попутно определив h11 :

РТ А:

Iк0 = 0.2 А

Uкэ0 = 12 В

Iб0 = 8 мА

Uбэ0 = 0.667 В

h11=4.842 Ом

PT B:

Iк0 =0.1А

Uкэ0 =10 В

Iб0 =3 мА

Uбэ0 =0.636 В

h11=11.376 Ом

PT C:

Iк0 =0.26 А

Uкэ0 =14.4В

Iб0 =12 мА

Uбэ0 =0.682 В

h11=3 Ом

 

Так же из справочного пособия определяем такой параметр как:

 

Коэффициент передачи по току h21э=β=70

 

 

Произведем расчет компонентов резистивного усилителя в РТ В.

 

Сопротивления эмиттера:

 

Из формулы выходной мощности находим

 

Сопротивление выходной цепи по переменному току:

= 50 Ом

Сопротивление нагрузки:

 Ом

 

 

 

Ток делителя:

 

Сопротивления делителя:

 

 

Максимальная  амплитуда выходного синусоидального напряжения:

Umвых = Iк0*R∼ = 5В

Мощность рассеиваемую на нагрузке :

 

Суммарная мощность, потребляемая от источника питания:

 

КПД усилителя:

 

Входное сопротивление со стороны базы транзистора:

 

Сопротивление  базы:

 

Входное сопротивление каскада:

 

Выходное сопротивление каскада:

 

 

Ёмкость разделительных конденсаторов:

 

 

 

 

Где – коэффициент нелинейных искажений на нижних частотах равный

 

Коэффициент усиления по напряжению:

 

 

Коэффициент усиления по току:

 

 

 

Для удобства рассмотрения зависимостей КПД и мощности выделяемой на нагрузке составим сводные таблица для трёх рабочих точек A,B,C.

 

	РТ А			РТ В			РТ С
Rн, Ом	18.182	20	15	100	120	80	10.715	12	8
Iк0, А	0.2	0.2	0.2	0.1	0.1	0.1	0.266	0.266	0.266
Uкэ0, В	12	12	12	10	10	10	14.48	14.48	14.48
Iб0, мА	8	8	8	3	3	3	12	12	12
Uбэ0, В	0.667	0.667	0.667	0.636	0.636	0.636	0.682	0.682	0.682
h11, Ом	4.842	4.842	4.842	11.376	11.376	11.376	3	3	3
Iдел, А	0.029	0.029	0.029	0.014	0.014	0.014	0.038	0.038	0.038
Rэ ,Ом	40	40	40	100	100	100	20.752	20.752	20.752
R1,Ом	396.655	396.655	396.655	655.48	655.48	655.48	363.105	363.105	363.105
R2, Ом	303.345	303.345	303.345	744.52	744.52	744.52	163.211	163.211	163.211
R~, Ом	12.5	13.333	10.909	50	54.545	44.444	7.067	7.603	5.774
Umвых,В	2.5	2.667	2.182	5	5.455	4.444	1.88	2.022	1.536
Pн, Вт	0.25	0.267	0.218	0.25	0,273	0.222	0.25	0.269	0.204
,Вт	4.571	4.571	4.571	2.286	2.286	2.286	6.08	6.08	6.08
Pк, Вт	2.4	2.4	2.4	1	1	1	3.852	3.852	3.852
, %	5.469	5.833	4.773	10.938	11.932	9.722	4.112	4.424	3.36
rвх, Ом	892.342	951.509	779.384	3561	3884	3167	504.724	542.835	412.958
Rб, Ом	171.89	171.89	171.89	348.584	348.584	348.584	112.599	112.599	112.599
Rвх,Ом	144.127	145.59	140.831	317.507	319.877	314.02	92.062	93.255	88.475
Rвых,Ом	0.959	0,959	0,959	1.255	1.255	1.255	0.788	0.788	0.788
C1 мкФ	109.523	108.423	112.087	49.716	49.348	50.268	171	169	178
C2, мФ	1.263	1.184	1.447	0.315	0.289	0.355	2.234	2.076	2.734
KU	0,995	0,995	0,996	0.997	0.997	0.996	0.994	0.994	0.993
KI	7.884	1,942	0,336	3.165	2.658	3.911	8,54	7.728	10.979