Исходные данные для расчета схемы

- Максимальная амплитуда выходного напряжения - .

- Сопротивление нагрузки - .

- Напряжение питания каскада - .

- Диапазон усиливаемых частот - .

- Коэффициенты частотных искажений - .

Дополнительно рассчитывается амплитуда тока нагрузки и мощность нагрузки .

I_нm=4/2=2 А

Р_н=4*2/2=4 Вт

Рис. 7. Схема рассчитываемого усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Для предложенных исходных данных расчет элементов схемы проводится в следующей последовательности.

1. Расчет напряжения покоя между коллектором и эмиттером транзистора. Необходимое напряжение покоя между коллектором и эмиттером транзистора рассчитывается на основе заданной амплитуды выходного напряжения на нагрузке (4.2)

, (4.21)

В реальных условиях при работе каскада в режиме большого сигнала условие (4.21) обычно обеспечивают с запасом пять - десять процентов, вводят коэффициент запаса по амплитуде напряжения нагрузки

. (4.22)

При этом каскад рассчитывается на амплитуду напряжения нагрузки несколько больше заданной . Остаточное напряжение для маломощных транзисторов составляет величину около одного вольта .

Для усилителей малых сигналов чрезмерное уменьшение напряжения покоя приводит к снижению усилительных свойств транзистора, поэтому рекомендуется брать . Необходимо учитывать режим работы транзистора, для которого приводятся эксплуатационные параметры в справочных данных.

U⁰_КЭ=4*1,05+1=5,2 В

2. Выбор напряжения на эмиттерном сопротивлении , осуществляющем стабилизацию положения рабочей точки покоя. Величину этого напряжения задают не менее одного – двух вольт, для маломощных каскадов в диапазоне

, или (4.23)

для относительно мощных каскадов.

U_RЭ=0,1*12=1,2 В

3. Определение напряжения питания транзистора , формирующего непосредственно усиленный выходной сигнал. Это напряжение меньше общего напряжения питания каскада на величину падения напряжения на эмиттерном сопротивлении

. (4.24)

Для обеспечения заданной амплитуды выходного напряжения , напряжение питания транзистора должно превышать как минимум двойной амплитудный размах колебаний выходного напряжения на коллекторе (4.17)

. (4.25)

Е_к=12-1,2=10,8 В > 5,2+4=9,2>2*4=8

В качестве контроля при выборе величины , всегда необходимо проверять выполнение неравенства (4.25), чем на большую величину превышает двойную амплитуду выходного напряжения, тем больше будет минимально необходимая величина коллекторного сопротивления и меньше ток покоя транзистора.

4. Расчет величины коллекторного сопротивления , преобразующего колебания тока коллектора транзистора в колебания выходного напряжения на коллекторе. Расчет сопротивления при выбранном проводится из второго условия (4.4), необходимого для обеспечения режима работы транзистора в классе А с заданной амплитудой выходного напряжения

. (4.26)

Отсюда получим выражение для расчета

. (4.27)

В реальных условиях при работе каскада в режиме большого сигнала условие (4.26) также как и условие (4.21) обычно выполняют с пяти - десяти процентным запасом

,

тогда выражение для расчета с учетом коэффициента запаса принимает вид

. (4.28)

Полученная величина сопротивления округляется до стандартного номинального значения.

R_к=(10,8-5,2)-4*1,05)/(2*1,05)=0,68 Ом

5. Расчет величины тока покоя транзистора

=(10,8-5,2)/0,68=8,2 А. (4.29)

Полученный ток покоя коллектора должен быть не менее минимально необходимой величины (4.5)

=5,6*2/(5,6-4)=7 (4.30)

8,2 >=7

В некоторых случаях, особенно для режима малого сигнала, рабочий ток покоя транзистора выбирают значительно большим, чем дает равенство (4.5), (4.30), исходя из ряда дополнительных соображений. При очень малых значениях тока покоя происходит уменьшение коэффициента передачи тока транзистора. В практических случаях необходимо выполнять условие и учитывать зависимость эксплуатационных параметров от режима работы. В большинстве случаев для маломощных транзисторов следует выбирать . Тогда, при выбранном токе покоя транзистора , коллекторное сопротивление уточняют или снова рассчитывают из соотношения (4.29).

6. Выбор типа транзистора для усилительного каскада. Выбор транзистора осуществляется таким образом, чтобы максимально возможные значения тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и мощности, рассеиваемой на транзисторе, в усилительном каскаде не превышали предельно допустимых значений для выбираемого транзистора, которые приводятся в справочниках

, , ,(4.31)

где =12 В, =16,4 А, =5,2*8,2=42,64 Вт

Кроме того, верхняя граничная частота выбираемого транзистора в схеме с ОЭ должна значительно превышать верхнюю частоту усиливаемого сигнала , f_b>>20 кГц

Для выбранного транзистора из справочника выписываются основные эксплуатационные параметры и копируются выходные и входные статические характеристики в необходимом масштабе.

7. Построение нагрузочной прямой по постоянному току.

Нагрузочные прямые строятся на выходных характеристиках выбранного транзистора в координатах , . Предварительно необходимо построить выходные характеристики транзистора в диапазоне токов от 0 до и напряжений от 0 до на основе которых производился выбор транзистора.

Поскольку координаты рабочей точки покоя А (ток покоя коллектора и напряжения покоя ), принадлежащей одновременно нагрузочным прямым по постоянному и по переменному току, определены, то в качестве первого шага нанесем на выходные характеристики транзистора рабочую точку покоя .

Построение нагрузочной прямой по постоянному току производится на основе ее уравнения (2.2) относительно напряжения

. (4.32)

Координаты точек пересечения этой прямой с осями напряжения и тока рассчитываются по соотношениям (2.3)

,

. (4.33)

U_кэ=10,8 В; I_k=10,8/0,68=15,88 А

Через эти две точки проводится нагрузочная прямая по постоянному току (рис. 20). Рабочая точка покоя должна находиться на построенной нагрузочной прямой по постоянному току, поскольку ее координаты удовлетворяют уравнению нагрузочной прямой по постоянному току (4.32), это является критерием правильности проведенных расчетов и построений.

Рис.8

8. Расчет величины сопротивления коллекторной цепи по переменному току

=0,68*2/(0,68+2)=0,5 Ом (4.34)

Полученная величина сопротивления является расчетной и не округляется до стандартных номинальных значений.

9. Расчет амплитуды переменной составляющей тока коллектора

=4/0,5=8 А (4.35)

Полученная амплитуда переменной составляющей тока коллектора, которая складывается из переменных составляющих тока нагрузки и тока коллекторного сопротивления

(4.36)

всегда должна быть меньше тока покоя коллектора транзистора

8,2>8 (4.37)

10. Построение нагрузочной прямой по переменному току.

Нагрузочная прямая по переменному току устанавливает взаимосвязь между переменными составляющими тока и напряжения на коллекторе транзистора и описывается уравнением (2.16)

. (4.38)

Переменные составляющие тока и напряжения представляют собой отклонение тока и напряжения коллектора относительно координат точки покоя , поэтому нагрузочная прямая по переменному току проходит через рабочую точку покоя А, расположенную на нагрузочной прямой по постоянному току. Рабочая точка А является началом координат для переменных составляющих сигналов тока и напряжения.

Для построения нагрузочной прямой по переменному току наиболее удобно помимо точки покоя А использовать дополнительно точку пересечения ее с осью напряжений (2.19)

=5,2+8,2*0,5=9,3 В (4.39)

При этом ордината точки пересечения нагрузочной прямой с осью токов должна совпадать со значением (2.21)

=10,8/0,68+5,2/2=18,48 А (4.40)

что является проверкой и критерием правильности построений.

Рис.9

Рис. 10. Построение нагрузочных прямых усилительного каскада на выходных характеристиках транзистора

11. Нанесение на нагрузочную прямую рабочих точек, соответствующих амплитудным значениям тока и напряжения на коллекторе.

Задавая положительное приращение тока коллектора равное амплитудному значению переменной составляющей , получим из (4.38) отрицательное приращение напряжения на коллекторе равное амплитуде напряжения нагрузки

=-4 в, (4.41)

чему соответствует крайнее верхнее положение рабочей точки на нагрузочной прямой переменного тока, в данном случае точка 5 (рис. 11) с координатами , . Аналогично, отрицательному амплитудному приращению тока коллектора будет соответствовать крайнее нижнее положение рабочей точки , т.е. точка 1 с координатами , . Точки и (1 и 5) характеризуют крайние положения при колебаниях рабочей точки А, соответствующие амплитудным значениям переменных составляющих тока и напряжения коллектора. В крайней верхней точке (5) через коллектор транзистора протекает максимальный ток , а напряжение коллектор-эмиттер минимально . В крайней нижней точке (1) через коллектор транзистора протекает минимальный ток , а напряжение коллектор-эмиттер максимально .

Рис.11

12. Определение тока и напряжения смещения в цепи базы транзистора.

Для обеспечения выбранного положения рабочей точки А на нагрузочной прямой (рис. 11) в режиме покоя необходимо создать требуемый ток смещения базы и соответствующее напряжение смещения в цепи база-эмиттер.

Ток базы смещения определяется на основе выходных характеристик транзистора, как ток, соответствующий выходной характеристике проходящей через рабочую точку покоя А. I⁰_б=210 мА.

Напряжение смещения определяют по входной характеристике транзистора (рис.12). Для этого откладывают по оси токов требуемый ток базы смещения , по уровню этого тока определяют положение рабочей точки в режиме покоя на входной характеристике, а напряжение, соответствующее точке будет являться необходимым напряжением смещения в цепи база-эмиттер. =0,9 В.

13. Расчет цепи смещения и стабилизации рабочего режима транзистора. Подача смещения в базовую цепь транзистора и стабилизация рабочего режима в схеме с ОЭ (рис. 19) осуществляется делителем , формирующим напряжение смещения, совместно с эмиттерным сопротивлением , создающим отрицательную обратную связь по постоянной составляющей тока эмиттера.

Падение напряжения на эмиттерном сопротивлении определено на начальном этапе расчета (4.23). Эмиттерный ток, протекающий через близок к току покоя коллектора. В результате эмиттерное сопротивление рассчитывается по соотношению

=1,2/8,2=0,15 Ом (4.42)

Полученное значение округляется до ближайшего стандартного номинального значения. Поскольку на эмиттерном сопротивлении обратной связи падает часть напряжения питания , то уравнение нагрузочной прямой каскада по постоянному току относительно общего напряжения питания каскада , включающего падение напряжения на сопротивлении , будет иметь вид

, (4.43)

положение которой показано на рис. 11. Как видно все три нагрузочных прямых проходят через рабочую точку покоя А, она принадлежит им одновременно.

Делитель напряжения , обеспечивает необходимое напряжение на базе транзистора, которое складывается из напряжения смещения база-эмиттер и напряжения на эмиттерном сопротивлении

=0,9+1,2=2,1 В (4.44)

Кроме того, от эквивалентного сопротивления делителя в цепи базы

(4.45)

зависит коэффициент температурной нестабильности каскада

, (4.46)

который для каскадов на германиевых транзисторах задают порядка 4-6 единиц, а на кремниевых 10-12 единиц. При заданном определяют максимально допустимое сопротивление в цепи базы

=9*0,15=1,35 Ом (4.47)

после чего рассчитывают сопротивление и

=12*1,35/(0,9+0,21*1,35)=13,69 Ом=15 Ом

=1,35*15/(15-1,35)=1,5 Ом (4.48)

и округляют их до ближайших стандартных значений.

При упрощенных расчетах цепи смещения задают ток делителя в пределах . При заданном токе делителя сопротивления его элементов рассчитывается по соотношениям:

. (4.49)

Во многих практических случаях для кремниевых транзисторов достаточно хорошая стабильность обеспечивается при выборе сопротивления нижнего плеча делителя на порядок больше сопротивления эмиттерного резистора , при этом ток делителя практически на порядок меньше тока покоя коллектора . После упрощенного расчета делителя определяют для контроля коэффициент температурной нестабильности (4.46).

14. Определение параметров входного сигнала. Амплитудные значения переменных составляющих входного тока и напряжения в цепи базы транзистора производят по входной характеристике транзистора рис. 12. Для этого крайние положения рабочих точек на нагрузочной прямой переменного тока (5) и (1), соответствующие амплитудным значениям переменных составляющих тока и напряжения коллектора (рис. 11), переносят на входную характеристику. Для этого определяют токи базы , соответствующие выходным характеристикам транзистора проходящим через точку и точку . Эти токи откладывают по оси токов на входной характеристике транзистора (рис. 21) и определяют крайние положения рабочих точек ( ) и ( ) на входной характеристике. В точке ток базы и напряжение база-эмиттер максимальны

, , (4.50)

а в точке ток базы и напряжение база-эмиттер минимальны

, . (4.51)

Рис. 12. Определение постоянных и переменных составляющих сигналов во входной цепи транзистора

При действии входного сигнала рабочая точка на входной характеристике будет совершать колебания между этими точками, размах колебаний равен двойной амплитуде переменных составляющих тока и напряжения. Точкам и соответствуют амплитудные значения переменных составляющих тока базы и напряжения база-эмиттер , которые, учитывая нелинейность входной характеристики, рассчитывают на основе усреднения по соотношениям

=0,45 А =0,33 В (4.52)

Зная амплитуды переменных составляющих тока и напряжения в цепи базы можно определить входное сопротивление транзистора для выбранного режима работы

=0,73 (4.53)

Входное сопротивление по переменному току каскада в целом при наличии шунтирующей эмиттерной емкости определяется параллельным соединением входного сопротивления транзистора и сопротивления делителя в цепи базы

=0,73*1,35/(0,73+1,35)= (4.54)

Амплитуда необходимого входного напряжения равна амплитуде напряжения база-эмиттер

=0,33 В (4.55)

амплитуда входного тока каскада определяется входным сопротивлением

=0,45+0,33/1,35=0,7 А (4.56)

15. Расчет разделительных и шунтирующих емкостей в усилительном каскаде.

Расчет разделительных и шунтирующих емкостей при проектировании усилительных каскадов производится на основе приведенной в исходных данных допустимой величины коэффициента частотных искажений на нижней граничной частоте полосы пропускания , который не должен превышаться в проектируемой схеме.

Каждая из разделительных и шунтирующих емкостей схемы вносит свой вклад в создание частотных искажений. Результирующий коэффициент частотных искажений каскада или схемы в целом определяется произведением составляющих коэффициентов частотных искажений вносимых каждой емкостью

. (4.57)

Составляющая, вносимая каждой емкостью, зависит от постоянной времени цепи, содержащей данную емкость, и от нижней граничной частоты

, , , (4.58)

где , , - постоянные времени разделительных и эмиттерной емкостей.

Заданный допустимый коэффициент частотных искажений разбивается на составляющие в соответствии с количеством емкостей в схеме. В простейшем случае он разбивается равномерно на одинаковые составляющие . Из условия не превышения этих составляющих получим из (4.58) соотношения для расчета емкостей в усилительном каскаде

,

, (4.59)

.

Из полученных выражений следует, что чем меньше нижняя граничная частота, тем большими должны быть величины разделительных емкостей. Соответственно, чем меньше допустимые частотные искажения и чем ближе к 1, тем большей величины требуются разделительные емкости. Если последовательно с разделительной емкостью включено низкоомное сопротивление, то требуемая величина увеличивается. Поэтому эмиттерные емкости получаются значительно больше разделительных. На практике, для уменьшения различия между эмиттерными и разделительными емкостями, долю частотных искажений эмиттерных емкостей задают существенно больше, чем разделительных: , . При этом величина эмиттерных емкостей уменьшается, а разделительных несколько увеличивается.

Рассчитанные величины емкостей округляют в большую сторону до ближайших стандартных значений.

Емкость разделительного конденсатора С_Р :

С_р=10/(2*π*f_в*(R_э+R_к))=10/(2*3,14*20*10³*(0,15+0,68))=96 мкФ

Выбираем из ряда Е48 = 100 мкФ.

Емкость конденсатора в цепи эмиттера С_Э:

C_э=10/(2* π* f_в*R_э)=530 мкФ

Выбираем из ряда Е48 = 536 мкФ.

8.Коэффициент усиления каскада по напряжению

К_u=U_вых/U_вх=4/0,33=12

Принципиальная схема каскада транзисторного усилителя по схеме с ОЭ с рассчитанными величинами элементов для транзистора КТ935А.

Разработка печатной платы в среде программы Sprint-Layout 5.0.

Выбираем из библиотеки подходящие элементы.

Компонуем элементы и задаем связи в соответствии со схемой.

Производим трассировку.

ЭЛЕКТОМОНТАЖНАЯ СХЕМА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ КАСКАДА ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТЕРОМ

Разьем Х1

Заключение

Интенсивное использование электрической энергии связано со следующими ее особенностями: возможностью достаточно простого и экономичного преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую и т.д.); возможность централизованного и экономичного получения на различных электростанциях; простой передачи с помощью линий электропередачи с малыми потерями на большие расстояния к потребителям.

Высокая рентабельность и конкурентоспособность современных предприятий базируется на полной механизации и автоматизации производственных процессов. Решение этих задач требует создания автоматизированных систем управления на основе современной электротехнической и электронной аппаратуры и электрооборудования. Во всех отраслях производства с помощью электротехнической аппаратуры осуществляется управление производственными механизмами, автоматизация их работы, контроль за ведением производственного процесса, обеспечение безопасности обслуживания и т.д.

Во время работы я изучил принципы действия, структуру и методы расчета параметрического стабилизатора напряжения на основе кремниевого стабилитрона графоаналитическим способом, определил h-параметры двух биполярных транзисторов включенных по схеме с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ) и коэффициенты усиления по напряжению единичного каскада по схемам ОБ и ОЭ для заданного сопротивления включенного последовательно с транзистором в цепь коллектор – эмиттер.

Кроме того я получил навык в расчете усилительного каскада с заданными параметрами и разработке его печатной платы программными средствами ЭВМ.

Список используемой литературы

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.

2. Изъюрова Г.И. и др. Расчет электронных схем: примеры и задачи. М.: В.шк.,1987. 395 с.

3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2005.-528 с.

4. Валенко В. С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. –М.: "Додэка", 2001, - 368 с.

5. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. – 528 с.

6. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2007. – 703 с.

7. Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций.-СПб.:ООО «КОРОНА ПРИНТ», 2003. – 420 с.

8. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты.- М.: Связь, 1968.- 184 с.

9. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот /Под ред. Н.Л.Безладнова. - М.: СВязь, 1978. - 368 с.

10. Бочаров Л.Н., Жеребятников С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. - М.:Энергия, 1978. - 208 с.

11. Проектирование усилительных устройств на транзисторах /Под ред. Г.В.Войшвилло. М.: Связь, 1972. 184 с.