Исходные данные для расчета

Исходными данными для расчета усилительного каскада являются напряжение источника питания Е_к, параметры рабочей точки транзистора: ток покоя I_{0 к} и напряжение покоя U_{0 кэ}; сопротивление нагрузки R_н; минимальная частота усиливаемого сигнала f₀ .

Например. В качестве исходных данных для выполнения примера расчета принимаем:

Е_к = 24 В, I_{0 к} = 15 мА, U_{0 кэ} = 12 В, R_н = 600 Ом, f₀= 400 Гц.

Условия расчета

В предлагаемой методике расчета не рассматривается вопрос выбора режима работы транзистора по постоянному току.

Решение этих вопросов представляет собой самостоятельную, достаточно сложную задачу, решение которой, как правило, является неоднозначным и зависит от множества дополнительных условий и ограничений. Учет всех этих требований потребовал бы применения нескольких вариантов подхода к решению задачи и сильно увеличил бы и без того достаточно большой объем работы по данной теме.

В основу расчета каскада положено использование входных и выходных характеристик примененного транзистора, по которым определяются необходимые для расчета параметры транзистора.

Порядок расчета

5.5.1 Производится выбор транзистора по выше описанной методике в пункте 1.3, а так же с учетом того что: , = 180 мВт,

где .

Выбираем транзистор МП – 25 с параметрами:

300 мА	13 ÷ 25	40 В	200 мВт

5.5.2 Расчет сопротивлений резисторов.

Сопротивления резисторов R₁, R₂, R_к, R_э определяем, исходя из условия обеспечения режима каскада по постоянному току:

а) наносим на семейство выходных характеристик транзистора (рис. 5.2,а) рабочую точку каскада и определяем постоянную составляющую тока базы:

I_0б ≈ 0.9 мА;

б) определяем постоянную составляющую тока эмиттера

I_{0 э} = I_{0 к} + I_{0 б} = 15 + 0.9 = = 15.9 мА;

в) величину падения напряжения на резисторе R_э принимаем равной 0.2Е_к.

Определяем сопротивление резистора R_э =

г) определяем сопротивление резистора

R_к =

д) на входную характеристику транзистора (рис. 5.2,б) наносим рабочую точку транзистора и определяем падение напряжения между эмиттером и базой в режиме покоя

U_{0 бэ} ≈ 0.25 В;

е) задаемся величиной сквозного тока делителя I_д, протекающего через последовательно включенные резисторы R₁ и R₂. Принимаем I_д = 10 ∙ I_0б = 10 ∙ 0.9 = 9 мА;

ж) определяем сопротивление резистора R₂:

R₂ =

з) определяем сопротивление резистора R₁:

R₁ =

5.5.3 Определение коэффициента нестабильности каскада:

а) определяем величину R_д:

R_д =

б) определяем коэффициент усиления транзистора

в) определяем коэффициент нестабильности

S_i =

Приемлемые значения коэффициента нестабильности лежат в пределах 3 ÷ 5.

В случае если величина S_i, полученная расчетом, лежит вне указанных пределов, следует изменить параметры цепи смещения. Для увеличения S_i необходимо уменьшить ток делителя I_д или величину падения напряжения на резисторе R_э.

В нашем случае S_i = 2.18 < 3 . Уменьшаем величину тока делителя I_д и повторяем расчеты, начиная с п.5.5.2.в.

5.5.2 е^¤) принимаем I_д = 5I_{0 б} = 5 ∙ 0.9 = 4.5 мА;

ж^¤) определяем сопротивление резистора R₂:

R₂ =

з^¤) определяем сопротивление резистора R₁:

R₁ =

5.5.3 а^¤) определяем величину R_д:

R_д =

в^¤) определяем новое значение коэффициента нестабильности

S_i =

Такое значение S_i можно считать удовлетворительным, поэтому останавливаемся на найденных значениях сопротивлений резисторов R₁ и R₂ .

5.5.4 Определение усилительных параметров каскада:

а) по входной характеристике (рис.9,б) определяем входное сопротивление транзистора как котангенс угла наклона касательной к этой характеристике, проведенной через рабочую точку.

r_вх = сtg

б) определяем входное сопротивление каскада как эквивалентное сопротивление трех параллельно включенных сопротивлений R₁, R₂, r_вх. Поскольку сопротивление параллельно включенных резисторов R₁ и R₂ представляет собой найденную нами величину R_д, для определения R_вх можем воспользоваться более простой формулой:

R_вх = R_д//r_вх =

в) определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току

R_н~ = R_к//R_н =

г) определяем коэффициент усиления каскада по току с учетом шунтирующего действия входных и выходных цепей усилителя

K_I =

д) определяем коэффициент усиления по напряжению

K_U = – K_I

Физический смысл отрицательного значения коэффициента усиления по напряжению заключается в том, что выходное напряжение сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно входного, т.е. мгновенная полярность выходного напряжения всегда обратна мгновенной полярности входного;

е) определяем коэффициент усиления каскада по мощности

К_Р = │K_I K_U│= 6.6 ∙ 44.5 = 296;

ж) определяем выходное сопротивление усилителя, как параллельное соединения транзистора и сопротивления в цепи коллектора

R_вых = r_вых//R_к.

Ввиду того, что обычно r_вых >> R_к, можно считать

R_вых ≈ R_к = 480 Ом.

5.5.5 Расчет емкостей конденсаторов в схеме усилительного каскада:

а) определяем емкость конденсатора С₁, исходя из условия, что на частоте усиливаемого сигнала << R_вх.

Принимаем = 0.1 R_вх.

Отсюда

С₁=

б) определяем емкость конденсатора С₂ , полагая = 0.1 R_э:

С₂ =

в) определяем емкость конденсатора С₃ , полагая = 0.1 R_н:

C₃=

5.5.6. Построение линии нагрузки каскада по постоянному току.

Линия нагрузки по постоянному току представляет собой графическую зависимость между постоянными составляющими тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер, выражаемую формулой:

U _кэ = E_к – I _к (R_к + R_э).

Линия нагрузки строится на семействе выходных характеристик транзистора (рис.9,а) следующим образом:

а) определяем точку, соответствующую режиму холостого хода коллекторной цепи (I _{к хх} = 0):

U _{кэ хх} = Е_к = 24 В.

Данная точка лежит на оси абсцисс на расстоянии, равном Е_к от центра координат;

б) определяем точку, соответствующую короткому замыканию цепи коллектора (U _{кэ кз} =0):

I_{к к.з.} =

Точку к.з. откладываем на оси ординат на расстоянии, равном I_{к кз} от центра координат;

в) строим линию нагрузки по постоянному току как прямую, соединяющую точку холостого хода с точкой короткого замыкания. Если расчеты и построения выполнены правильно, то линия нагрузки пройдет через заданную рабочую точку транзистора с координатами

U_{0 кэ} = 12 В; I_{0 к} = 15 мА (см. рис.9,а).

5.5.7 Построение линии нагрузки по переменному току

Линия нагрузки по переменному току представляет собой графическую зависимость между переменной составляющей коллекторного тока и выходным переменным напряжением

U_н~ = I_к~ R_н~ .

Эта линия проходит через рабочую точку каскада, причем угол ее наклона к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки каскада по переменному току

Для практического построения линии нагрузки по переменному току воспользуемся соотношением

Положим тогда

Строим линию нагрузки по переменному току как прямую, проходящую через рабочую точку и точку с координатами

I_к = 0: U _кэ = U_{0 кэ} + ∆U_н~ = 12 + 4 = 16 B.

Задание

Выполнить расчет транзисторного усилительного каскада с емкостной связью. Параметры рабочей точки усилителя указаны в табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Параметры рабочей точки усилителя

Для вариантов, отмеченных в таблице 8 знаком ^¤, Е_к = 12 В. Для остальных вариантов Е_к = 24 В. Минимальная частота усиливаемого сигнала f₀ = 400 Гц. Сопротивление нагрузки принять согласно табл. 5.2.

Таблица 5.2 - Сопротивление нагрузки

Контрольные вопросы:

1. Усилители электрических сигналов. Структура. Основные понятия. Показатели качества.

2. Усилительный каскад по схеме с ОЭ. Схема. Принцип работы. Графо-аналитический расчет. Температурная стабилизация каскада.

3. Режимы работы биполярного транзистора в разных классах усиления.

Литература: [3, 4, 5].

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6.

РАСЧЕТ ДВУХТАКТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА В