Расчет каскада по постоянному току

ВВЕДЕНИЕ

Усилитель — это электронное устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности входного сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искаже­ний [1].

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных усло­вий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспе­чения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как пра­вило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи уси­лителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению больше единицы, к усилителям не относится, так как настолько же снижается коэффициент передачи по току. При последовательном соединении каскадов их коэффициенты усиления перемножаются. Связь между каскадами может быть гальванической, емкостной и трансформаторной.

В усилителях применяют отрицательные обратные связи, как внутри каскадов, так и между каскадами, которые повышают устойчивость работы, расширяют полосу пропускания и сглаживают ее неравномерность за счет снижения коэффициента усиления. Обратные связи осуществляют по току, по напряжению, могут быть последовательные и параллельные.

КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ

И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) и сверхвысокочастотные усилители (СВЧ). Амплитудно-частотная характеристика УНЧ имеет три участка: область низких частот от f=0 до нижней частоты f_н; область средних частот от низкой f_н до высокой частоты f_в (полоса пропускания 2Δf) и область высоких частот от f_в и выше. На высоких частот коэффициент усиления по напряжению K_U ограничивается частотными свойствами транзистора, т.е. снижением коэффициента передачи В, за счет приближения полупериода T/2 сигнала к времени пролета t_пр неосновных носителей заряда через базовую область, а также за счет баръерной емкости коллекторного p-n-перехода (рис. 1). На граничных частотах f_ни f_в усиление по напряжению уменьшается в раз, соответствует снижению выходной мощности на этих частотах в два раза.

По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элемен­ты усилителя при воздействии малых переменных сигналов характе­ризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полу­проводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный ре­жим работы. Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначению, по полосе усиливаемых частот 2Δf, по характеру усиливаемого сигнала и т. д.

К дополнительным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного действия, потребляемую от источника питания мощность, нелинейные искажения, массу, габариты и т. п.

В схемотехнике усилителей можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают: усилитель с общим эмиттером (0Э), усилитель с общей базой (ОБ) и усилитель с общим коллектором (ОК). По переменному напряжению в этих схемах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

Схема усилительного каскада с общим эмиттером показана на рис. 2. Эмиттер транзистора VT (тип транзистора n-p-n) соединен с корпусом усилителя. Через катушку L с большой индуктивностью, называемую дросселем, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_см = 0,5...0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток базы, который усиливается в B раз в коллекторной цепи и переводит транзистор в активный режим работы. Резистор R_э служит для температурной стабилизации режима транзистора. Конденсатор С_э устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

В каскаде различают постоянные и переменные токи, причем переменные токи протекают на уровне постоянных. Через конденсатор С_р1 переменный ток от источника напряжения U_вх поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллектора. Конденсатор С_р1 имеет большую емкость и для переменного напряжения не представляет значительного сопротивления, но не пропускает на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале, а также предотвращает замыкание напряжения смещения Е_см на корпус через внутреннее сопротивление источника переменного сигнала U_вх. Усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с "закрытым" входом, а у которого он отсутствует – с открытым входом. Дроссель L, имея большую индуктивность, для переменного тока имеет большое сопротивление и входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь замыкается через эмиттерный переход транзистора. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные сигналы. К недостаткам каскада можно отнести наличие дросселя и второго источника – напряжения смещения.

В цепи коллектора каскада включено сопротивление внутренней нагрузки R_к, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора протекает через выходной разделительный конденсатор С_р2 по внешней нагрузке усилителя R_н, подключенной к выходным зажимам каскада. На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сигнал. Мощность сигнала обеспечивает источник питания Е_пит. Коэффициент усиления каскада с ОЭ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

где B- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, R_ист.с – внутреннее сопротивление источника сигнала, R_вх – входное сопротивление транзистора, знак минус отражает изменение фазы выходного сигнала на 180^о по отношению к входному сигналу, т.е. выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Схема усилителя с общей базой (ОБ) показана на рис. 3. Назначение разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления в этой схеме аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отличие от схемы с общим эмиттером, в усилителе ОБ через дроссель L на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смещения. При такой полярности напряжения смещения транзистор открывается и через него начинает протекать постоянный ток эмиттера. На уровне этого постоянного тока развивается переменный входной ток, который проходит в коллектор. За счет сравнительно большей величины сопротивления в коллекторной цепи по отношению к сопротивлению в эмиттерной цепи, происходит усиление мощности сигнала: Z_к > Z_ген+ Z_вх, где Z_ген– внутреннее сопротивление генератора сигнала, Z_вх– входное сопротивление транзистора.

Коэффициент усиления каскада с ОБ по переменному напряжению рассчитывается по формуле:

,

На рис. 4 приведена схема усилителя с общим коллектором (ОК). В этой схеме важную роль играет блокировочный конденсатор С_бл. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, бло­кировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать прак­тически одинаковыми переменные потенциалы верхней и нижней шин питания и соединить через свое малое сопротивление коллек­тор транзистора по переменному напряжению с общей шиной. Поэтому на коллекторе переменное напряжение практически равно нулю, т.е. коллектор соединятся с общей шиной по переменному току и каскад получает название ОК. Внешняя нагрузка R_н подключается к выходу усилителя через разделительный конденсатор С_р2, который не пропускает постоянный ток во внешнюю нагрузку.

Коэффициент усиления каскада с ОК по переменному напряжению принципиально меньше единицы и рассчитывается по формуле:

.

Выходное напряжение каскада с ОК повторяет входное напряжение по амплитуде и по фазе, поэтому каскад называют эмиттерным повторителем.

В каскаде с ОК действует глубокая отрицательная обратная связь, как по постоянному, так и по переменному напряжению за счет падения напряжения на резисторе R_э, при этом напряжение u_э на эмиттерном p-n-переходе резко снижается и равно разнице входного и выходного напряжений .

Достоинства каскада с ОК – большое входное и малое выходное сопротивления, что позволяет усиливать слабые токи входного сигнала и работать на низкоомную внешнюю нагрузку.

ЗАДАНИЕ

Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с общим эмиттером с исходными данными:

Тип транзистора – КТ3165А, кремниевый эпитаксиально-планарной структуры, p-n-p, усилительный, граничная частота – 750 МГц [2, с.67].

U_к.доп =35 В- допустимое напряжение коллектора.

I_к.доп =30 мА – допустимый ток коллектора.

В=25- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Р_к.доп =0,16 Вт- допустимая мощность, рассеиваемая транзистором без радиатора.

U_{э.порог} = 0,7 В – пороговое напряжение отпирания эмиттерного p-n – перехода.

М_н= =1.41 – коэффициент частотных искажений (для расчета конденсаторов).

Ряд номинальных значений Е12 для резисторов и конденсаторов с допустимым отклонением % (ГОСТ 2519-67) имеет вид:

Таблица 1

1,0

1,2

1,5

1,8

2,2

2,7

3,3

3,9

4,7

5,6

6,8

8,2

Ряд номинальных значений Е12 для мощности (Вт), рассеиваемой резисторами, с допустимым отклонением % (ГОСТ 2519-67) имеет вид:

Таблица 2

0,125

0,2

0,5

1,0

2,0

КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Электрическая принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером представлена на рис. 5.

Назначение элементов:

VT – транзистор типа p-n-p.

- делитель напряжения - задает потенциал U_б.пок покоя базы относительно корпуса (земли, общей шины);

- режимный резистор, задает рабочую точку транзистора по постоянному току (ограничивает ток коллектора на допустимом уровне);

- стабилизирует рабочую точку транзистора при повышении (понижении) температуры окружающей среды за счет повышения (понижения) напряжения U_Rэ на резисторе осуществляющего обратную связь по току, при этом транзистор подзакрывается при повышении и приоткрывается при понижении температуры;

- внешняя нагрузка (динамик, входное сопротивление следующего каскада);

С₁, С₂ - разделительные конденсаторы (отделяют переменные составляющие сигнала от постоянных составляющих);

- устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, так как переменный ток замыкается не через резистор , а через этот конденсатор, что приводит к повыщению коэффициента усиления по напряжению. Вывод эмиттера через конденсатор С_э соединяется по переменному току с общей шиной, поэтому каскад называется с общим эмиттером (ОЭ).

РАСЧЕТ КАСКАДА ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

2.1. Определяем напряжение питания:

В

2.2. Расчет каскада на транзисторе VT с общим эмиттером производим в классе А и проектируем выходной каскад на 80%-ю мощность P_к.доп, рассеиваемую транзистором в режиме покоя [1, 2]:

Вт.

2.3. Задаемся напряжением эмиттера покоя:

В.

2.4. Выбираем рабочую точку Р.Т. в середине динамической характеристики транзистора, что соответствует напряжению покоя коллектора (рис.6):

В.

2.5. Рассчитываем ток покоя коллектора:

A.

2.6. Находим сопротивление токоограничивающего резистора в цепи коллектора R_к:

Ом.

Выбираем резистор МЛТ- 1500 Ом.

2.7. Находим мощность, рассеиваемую на резисторе R_к:

Вт

Выбираем резистор на мощность- 0,2 Вт.

2.8. При разбросе значений коэффициента передачи В транзистора с ОЭ от минимального значения до максимального среднее значение находим по формуле [1]:

,

где R_н =1,5 кОм– сопротивление нагрузки, выберем равным сопротивлению R_к с целью согласования (для максимальной передачи мощности).

2.9. Находим напряжение покоя базы:

В.

2.10. Определяем ток покоя базы:

мА

2.11. Задаемся током делителя через резисторы R , R :

мA

2.12. Находим сопротивление резистора :

Ом.

Выбираем резистор 8,2 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R₁:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,125 Вт.

2.13. Находим сопротивление резистора R₂:

Ом.

Выбираем резистор 1,5 кОм по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R₂:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,125 Вт.

2.14. Находим сопротивление резистора :

Ом.

Выбираем резистор 270 Ом по ряду Е12.

Определяем мощность резистора R_э:

Вт.

Выбираем резистор на мощность 0,05 Вт.

Контура замыкания постоянных токов I_дел, I_б.пок, I_к.пок показаны на рис.7 (пунктирные линии). Эти токи создает источник питания Е_пит.