Расчет однокаскадного усилителя биполярного транзистора

Транзистор - это полупроводниковый электронный прибор, управляющий током в электрической цепи, за счёт изменения входного напряжения или тока. Но по сути это обычный выключатель, включающий и выключающий ток, на котором, кстати, и основан компьютерный код, где 1 означает то, что ток есть, а 0 его отсутствие. Изобретению этого устройства мы обязаны американской лаборатории Bell Labs, в которой Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в далёком 1947 году создали его. Но как всегда и бывает с великими изобретениями, первоначально оно не было замечено общественностью, и только через 9 лет учёные получили Нобелевскую премию в области физики. Само же название “transistor” было придумано их коллегой Джоном Пирсом, который сложил его из 2 слов - “transfer” - переносить и “resistance” - сопротивление.

Первыми заметившими изобретение стали радиолюбители, использующие их для усиления сигнала. Почувствовав, что изобретение может принести прибыль, лаборатория решила продавать лицензии на использование транзисторных технологий. Успех не заставил себя долго ждать, и уже в 1956 году появился первый портативный радиоприёмник, что было раньше невозможно из-за использования громоздких ламп, а компактные транзисторы легко справлялись с этой задачей, что позволяло теперь всегда носить музыку с собой. Изобретения такого портативного устройства показало всю важность и востребованность новой технологии, что стало привлекать в эту сферу новые пытливые умы изобретателей. И через 2 года Джеком Килби и Робертом Нойсом был сделан гигантский шаг в развитии транзисторов, с помощью своей новой технологии они объединили их в одну микросхему. Этот революционный шаг познакомил Нойса с Гордоном Муром, с которым в 68-ом году он создает компанию Intel.

Именно микросхема, основанная на транзисторах, ознаменовала начало нового этапа в электронике, и именно она сделала возможным появление современных компьютеров. В 1965 году в одной из публикаций был сформулирован “закон Мура”, который говорил, что число транзисторов в микросхеме должно удваиваться с каждым годом. Этому закону постоянно предсказывают кончину, но вот уже больше сорока лет он продолжает работать. К примеру, в первом процессоре Intel 4004, выпущенном в 1971 году было 2300 транзисторов, а к 1989 году Intel 486 насчитывал их уже 1 200 000. Так, обходя на своём пути множество преград и постоянно совершенствуясь, последний процессор Intel Core 2 Extreme перевалил собой отметку в 820 000 000 транзисторов.

Таким образом, уже более шестидесяти лет одно маленькое изобретение продолжает двигать технологии вперёд, постоянно поднимая их на новый уровень. И уже, наверное, невозможно представить, как выглядел бы мир без этого маленького устройства.

Рассчитать номинальные значения резисторов исходя из заданного положения рабочей точки в классе А () и ее нестабильности S, при напряжении источника питания схемы , типа транзистора VT1, для схемы на рис.1.

Определить узловые потенциалы в схеме. Построить передаточную характеристику схемы на участке база-коллектор транзистора ) и нанести на нее рабочую точку. Обозначить на характеристике области работы транзистора.

Оценить расчетным путем основные малосигнальные параметры рассматриваемой схемы .

Определить по входным и выходным вольт-амперным характеристикам транзистора области работы усилителя без нелинейных искажений.

На основе сведений о нижней граничной частоте полосы пропускания усилителя с учетом данных о сопротивлениях нагрузки и источника сигнала определить емкости разделительных и блокировочного конденсаторов .

Построить АЧХ и ФЧХ усилителя, по которым определить граничные частоты полосы пропускания усилителя.

Построить принципиальную схему с узловыми потенциалами, передаточной, переходной, семейств входных и выходных вольт-амперных, амплитудно-частотной характеристик с помощью прикладной программы компьютерного моделирования и исследования электронных схем (Electronics Workbench, Multisim, Micro-Cap).

Сравнить результаты с полученными расчетным путем.

Рис.1 Принципиальная электрическая схема усилителя

Табл.1 Исходные данные

Iка, mВ	S	Eк, В	Тип транзистора	Fн, Гц	Rг, кОм	Rн, кОм	Cн, пФ
3	8	5	КТ3102Г	1000	3	6	10

Параметры транзистора КТ3102Г.

Транзистор кремниевый, n-p-n структуры.

Табл.2 Параметры транзистора КТ3102Г

Обозначение	Значение	Параметр
Bст	400-1000	Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (приводится диапазон допустимых значений)
Fгр, МГц	150	Граничная частота усилителя
Cк/Uкб, пФ/В	8/5	Емкость коллекторного перехода (Cк) при напряжении на коллекторе (Uкб)
Uкэ.нас/(Iк/Iб), В/мА/мА	0,1/10/1	Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ.нас) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб)
Uбэ.нас/(Iк/Iб), В/мА/мА	0,9/10/1	Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uбэ.нас) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб)
IКО, мкА	0,5	Обратный ток коллектора
IЭО, мкА	30	Обратный ток эммитера
Uэб.max, В	30	Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база
Uкэ.max, В	20	Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер
Iк.max, мА	100	Максимально допустимый ток коллектора
Pк.max, мВт	300	Максимально допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе

Табл.3 Ряды номинальных значений параметров типовых радиоэлементов (ГОСТ 2825-67)

Индекс ряда	Числовые коэффициенты, умножаемые на 10						Допуск, %
Е6	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
Е12	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
	1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,1
Е24	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
	1,1	1,6	2,4	3,6	5,1	7,5
	1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,1
	1,3	2,0	3,0	4,3	6,2	9,1

Так как в курсовой работе будет использоваться приложение Workbench 5.12, в котором отсутствует транзистор КТ3102Г, то вместо него будем использовать его зарубежный аналог BC109C, который схож с ним по параметрам. Поэтому расчетные значения могут отличаться от значений, полученных при использовании приложения Workbench.

Задание 1

Рассчитать параметры резисторов исходя из заданного положения рабочей точки в классе А () и ее нестабильности S, при напряжении источника питания схемы , типа транзистора VT1, для схемы на рис.1.

Статический коэффициент усиления базового тока выбираем равным 500.

Так как транзистор кремниевый, то контактная разность обоих переходов равна - значение напряжения база-эмиттер. Так как - источник постоянного напряжения, то схему можно упростить, убрав все конденсаторы и ненужные резисторы. Также уберем из схемы источник переменного напряжения и получим схему изображенную на рис.2

Рис.2 Упрощенная схема усилителя

Предположим, что транзистор находится в нормальной активной области. Учитывая, что рабочая точка находится в классе А, рассчитаем напряжение коллектора.

Для малосигнальных схем напряжение на Rэ составляет 5-30% напряжения Eк, поэтому выберем 10%.

Определим сопротивления и , для этого рассчитаем ток эмиттера, используя для этого коэффициент усиления эмиттерного тока, выраженного через коэффициент усиления базового тока:

По условию β=500, тогда

Аналогично рассчитаем базовый ток:

Тогда:

Получаем:

Если пренебречь током базы, то на участке А-В протекает ток равный отношению:

Из выражений (2) и (3) следует, что

, (4)

Найдем сопротивление базы. Для этого нам понадобится коэффициент нестабильной рабочей точки каскада, выражаемый как:

Отсюда вычислим номинал сопротивления RБ, который так же равен параллельному соединению резисторов R1 и R2.

Решая систему из уравнений (4) и (5) найдем R2 и R1

Получаем: =5267 Ом;=1662 Ом;К=750 Ом;Э=166 Ом.

Номинальные значения резисторов возьмем в соответствии с рядом Е24, тогда получим:=5250 Ом;=1650 Ом;К=750 Ом; Э=160 Ом.

Задание 2

Рассмотрим узловые потенциалы в схеме. Построить передаточную характеристику схемы на участке база-коллектор транзистора ) и нанести на нее рабочую точку. Обозначить на характеристике области работы транзистора.

Рассмотрим узловые потенциалы в схеме изображенной на рис.3.

Рис.3 Схема для нахождения потенциалов

Найдем разность потенциалов на эмиттере:

однокаскадный усилитель биполярный транзистор

Найдем разность потенциалов на базе:

Найдем разность потенциалов на коллекторе:

Получили узловые потенциалы:

;

;

.

Для построения передаточной характеристики воспользуемся приложением Workbench 5.12. Для того чтобы построить зависимость , нужно в схеме поставить два вольтметра: первый - для снятия потенциала базы, ставится между базой и “землей”, второй - для снятия потенциала коллектора, ставится между коллектором и “землей”. Так же для того, чтобы регулировать потенциал базы в схему вводят источник ЭДС подсоединенный к базе (Рис.4).

Рис.4 Схема для снятия передаточной характеристики

Табл.4

	5,013	5,011	4,23	3,46	2,75	2,07	0,97	1,82	2,63	3,54
	0	0,48	0,82	1,07	1,25	1,43	1,52	2,53	3,24	4,12

Рис.5 Передаточная характеристика

На передаточной характеристике (рис. 5) показана рабочая точка (РТ) соответствующая значениям:

Задание 3

Оценить расчетным путем основные малосигнальные параметры рассматриваемой схемы . А также при какой амплитуде входного сигнала в схеме возникнут нелинейные искажения.

Рис.6 Эквивалентная схема усилителя

Исходные данные:

;

.

Для транзистора сопротивление p-n перехода составляет:

Принимаем

Рассчитаем входное сопротивление в схеме с общим эмиттером:

Рассчитаем коэффициент усиления по току:

Найдем сопротивление , когда нагрузка включена параллельно с сопротивлением коллектора:

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

Рассчитаем входное сопротивление схемы:

Рассчитаем выходное сопротивление схемы:

Рассчитаем :

Задание 4

Необходимо узнать при какой амплитуде входного сигнала в схеме возникнут нелинейные искажения. Амплитуда выходного сигнала не может быть больше, чем .

Найдем действующее значение амплитуды входного сигнала:

Построим выходные ВАХ транзистора - (берем из справочника в электронном виде) (Рис.7).

Рис.7 Выходные ВАХ транзистора

На выходных ВАХ транзистора нанесем рабочую точку, а так же нагрузочную прямую по постоянному (А-Б) и переменному току.

Нагрузочную прямую по постоянному току построим по двум крайним случаям.

Первый случай (А): транзистор полностью открыт

Второй случай (Б): транзистор полностью закрыт

Для того чтобы построить рабочую точку на ВАХ следует провести прямую на уровне до пересечения со статической нагрузочной прямой. Это пересечение и будет являться рабочей точкой.

Прямая по переменному току имеет наклон и проходит через рабочую точку. Так как масштаб оси OY в мили Амперах то полученное значение α надо умножить на 1000.

Задание 5

На основе сведений о нижней граничной частоте полосы пропускания усилителя с учетом данных о сопротивлениях нагрузки и источника сигнала определить емкости разделительных и блокировочного конденсаторов .

Учитывая, что

;

;

.

Найдем емкости разделительных (Cp1 и Cp2) и блокировочного (Сбл) конденсаторов.

При расчете постоянной времени τ для каждого из конденсаторов будем учитывать только данный конденсатор, считая, что другие конденсаторы заменяют соответствующие точки в схеме.

Получим следующие эквивалентные схемы для расчета постоянных времени.

Рис.8 Эквивалентные схемы для определения постоянных времени

а) ; б) ; в)

Для начала рассчитаем постоянную времени для нижней частоты:

Примем, что все постоянные времени равны между собой:

Рассчитаем значения и , а также :

Получаем:

Номинальные значения резисторов возьмем в соответствии с рядом E24,тогда получаем:

Задание 6

Построить АЧХ и ФЧХ усилителя, по которым определить граничные частоты полосы пропускания усилителя.

Вычислим верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя. Для этого нам понадобится параметр при .

Верхняя граничная частота любого усилительного каскада определяется по формуле (8).

Коэффициент G для каскада с общим эмиттером определяется по формуле (10).

Определим - среднее время жизни неосновных носителей заряда в базе:

Определим эквивалентную емкость коллекторного перехода :

- емкость перехода при нулевом смещении;

- контактная разность потенциалов, которая равна 0,7 В;

- напряжение на переходе.

Найдем ширину полосы пропускания:

Построим АЧХ и ФЧХ для однокаскадного усилителя. Для этого воспользуемся приложением Workbench 5.12. В схему надо добавить генератор импульсов (Function Generator), а так же надо подключить Bode Plotter в схему таким образом, чтобы вход его был подключен к одному из зажимов на входе схемы, а выход к одному из зажимов выхода схемы (Рис.9).

Рис.9 Схема для построения АЧХ и ФЧХ

Далее выбирается закладка Analyse -> Display Graph, где выводятся АЧХ и ФЧХ (Рис.10).

Рис.11 АЧХ и ФЧХ

Заключение

В ходе проделанной курсовой работы произведены расчеты основных параметров однокаскадного усилителя BC109C. Определили сопротивления резисторов , входящих в схему, емкости разделительных Cp1 и Cp2 и блокировочного конденсатора Сбл. А также малосигнальные параметры схемы Kuo, Kio, Kp, Rвх, Rвых.

Похожые стьтьи по экономике

Разработка микропроцессорной системы автоматической переездной сигнализации
В настоящее время в нашей стране используются только релейные системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ). Однако уже с 80-х годов по всему миру внедряются микропроцессорные СЖАТ, имеющие ...

Построение и разработка систем на основе микроконтроллеров семейства MSP430
Регулирование и автоматизация многих промышленных процессов требует точного и достоверного измерения температуры. Управляемый микропроцессором датчик температуры представляет собой униве ...

Методы исследования космического радиоизлучения
космическое радиоизлучение радиоволна радиотелескоп История радиоастрономии начинается в 1931 году, когда Карлом Янковским во время его исследований грозовых помех было получено ‘шип ...