Расчет усилительного транзиторного каскада

ВЕДЕНИЕ

            Электроника охватывает обширный  раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в

Электроника является универсальным исключительно эффективным средством при решении самых различных задач в области сбора, преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

Электроника имеет  короткую, но богатую событиями историю, которая составляет чуть более 100 лет. Первый период связан с эпохой вакуумных ламп и с появлением чуть позже ионных приборов. На этой основе были разработаны электронные устройства, а затем долгие голы совершенствовались.

Начало развития промышленной электроники было положено созданием электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая надежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность, громоздкость реализации явились в последующем тормозящими факторами расширения областей применений электроники. Электровакуумные приборы в настоящее время находят ограниченное применение в промышленной электронике, а газоразрядные приборы используются преимущественно в виде элементов индикации.

Промышленная  электроника постоянно развивается. Это определяется в первую очередь непрерывным совершенствованием ее элементной базы. Элементная база промышленной электроники прошла несколько  этапов   развития.

Применение транзисторов позволило  на определенном этапе значительно повысить надежность, уменьшить потребление мощности, габариты, а также затраты на производство и эксплуатацию электронной аппаратуры. Однако общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры, связанной с усложнением возлагаемых на нее задач, вызвала необходимость перехода от аппаратуры на дискретных компонентах к ее интегральному исполнению. Начиная с 70-х годов, все большая часть электронной аппаратуры стала производиться на интегральных микросхемах. Современный этап развития информационной электроники характеризуется широким использованием компонентов микроэлектроники,  включая большие интегральные схемы.

Создание в конце 40-х годов  первых полупроводниковых элементов (диодов и транзисторов) привело  к появлению нового принципа конструирования электронной аппаратуры – модульного. Основой при этом является элементарная ячейка-модуль, стандартный по размеру, способам сборки и монтажа. При этом плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см³.

Дальнейшее совершенствование  полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см³. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники привели к возникновению интегральной электроники и микроэлектроники.

Технология изготовления интегральных схем позволила резко  повысить плотность упаковки, доведя ее до тычяч элементов в 1 см³.

Развитие энергетической электроники стимулируется всевозрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной частоты.

1. Расчет усилительного  транзиторного каскада

1.1 Выбор транзистора, определение напряжения

 источника питания, расчет  сопротивления резисторов

Исходные данные:

Сопротивление нагрузки R_н= 500 Ом;

Амплитуда напряжения в нагрузке U_нм=2,25 В;

Внутреннее сопротивление источника  сигнала R_G= 600 Ом;

Допустимые частотные искажения  на граничной частоте М_п=М_в=1,41;

Максимальная температура окружающей среды Т_м=40 ⁰С;

Нижняя граничная частота F_н=25 Гц

Рассчитаем сопротивление резистора  коллекторной цепи транзистора:

 , Ом                                             (1)

где: К_R – коэффициент соотношения сопротивлений R_Н и R_К.

К_R =1,2-1,5 при R_Н≤1 кОм;

К_R =1,5-5,0 при R_Н>1 кОм.

 Ом.

Номинал резистора R_К выбираем по приложению 2, R_К=1100 Ом.

Определим эквивалентное сопротивление  нагрузки каскада

, Ом                                                   (2)

 

 Ом.

Найдем амплитуду коллекторного  тока транзистора:

 , А                                                          (3)

 А.

Определим ток покоя (ток в рабочей  точке) транзистора

 , А                                                              (4)

где: k_з – коэффициент запаса

k_з – 0,7-0,9

k_з – 0,7 максимальные нелинейные искажения,

k_з – 0,95 максимальный КПД.

 А.

Рассчитаем минимальное напряжения коллектор – эммитер в рабочей точке транзистора:

, В                                                    (5)

где: U₀ – напряжение коллектор – эммитер, соответствующее началу прямолинейного участка выходных характеристик транзистора, В;

 В.

Если U_{кэп min} – меньше типового значения U_кэп =5 В, то выбираем

U_кэп =5 В.

 

Рассчитаем напряжение источника  питания

 , В                                                  (6)

   В

Значение расчетного напряжения округлим до ближайшего целого числа, 20 В. Принимаем напряжение питания 20 В.

Определим и выберем номинал  сопротивления резистора эммитерной цепи транзистора.

 , Ом                                                  (7)

 Ом.

Выбираем транзистор из приложения 1 по параметрам:

а) Максимально допустимое напряжение коллектор – эммитер

U_{кэ доп}≥U_п  , В                                                            (8)

б) максимально допустимый средний ток коллектора

I_{к доп}>I_кп , А                                                                (9)

в) Максимальная мощность рассеивания  на коллекторе Р_{к max} при наибольшей температуре окружающей среды Т_m.

  , Вт                                                       (10)

Р_{к max} – находится по формуле:

, Вт                                             (11)

где: Р_{к доп} – максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе при температуре окружающей среды Т₀, Вт;

Т_{н max} – максимальная температура перехода, ⁰С;

Т₀ – температура окружающей среды, при которой нормируется              Р_{к доп}, 25 ⁰С;

По максимально допустимому  напряжению эммитер – коллектор  и максимально допустимому среднему току коллектора выбираем транзистор              КТ-315 Г.

 В;

мА

Вычертим выходные характеристики  выбранного транзистора.

На выходных характеристиках транзистора  КТ 315 Г строим нагрузочную прямую постоянного тока по тчкам А и В.

Точка А:

, В , А                                              (12)

 В  А

Точка В:

, В , А

В А.

Нанесем рабочую точку С на нагрузочную  прямую с координатой I_к=I_кп=9,7*10^-3 А, уточним напряжение U_кэ в точке покоя

U_кэп=7 В.

 мВт

 мВт

Следовательно транзистор КТ 315Г выбран правильно.

Находим координаты рабочей точки  I_бн=0,15 мА, U_бэп =0,45 В.

Определим ток базового делителя R_б1, R_б2.

    , А                                                     (13)

А

Рассчитаем сопротивление резистора  базового делителя:

, Ом                                           (14)

 Ом.

Выбираем номинал сопротивления  резистора R_б2 =9,1 кОм.

Определяем сопротивление резистора базового делителя:

 , Ом                                        (15)

Ом.

Принимаем номинал резистора R_б1 18 кОм.

Найдем эквивалентное сопротивление  базового делителя

, Ом                                                        (16)

 Ом

 

1.2 Определение h параметров в рабочей

точке транзисторного каскада 

По выходным характеристикам транзистора  определим h₂₁ в рабочей точке.

 , Ом                                                         (17)

 Ом.

По входным характеристикам  найдем h_11э в рабочей точке:

 , Ом                                                        (18)

 Ом

Найдем входное сопротивление каскада:

, Ом                                                     (19)

 Ом

Рассчитаем выходное сопротивление  каскада:

 , Ом                                                           (20)

   Ом.

1.3 Определение амплитуды   напряжения и тока базы, коэффициенты  усиления каскада по току, напряжению  и мощности, и амплитуду напряжения  источника сигнала

Построим на выходных характеристиках  транзистора нагрузочную прямую по переменному току, проходящую через  рабочую точку С и имеющую  наклон:

  А/В.

Найдем амплитуду тока базы по выходным характеристикам:

 , А                                                                (21)

 А.

Определим по входным характеристикам  амплитуду входного напряжения транзистора:

 , В                                                                (22)

 В.

Определим коэффициент усиления каскада  по току:

                                                                    (23)

Найдем коэффициент усиления каскада  по напряжению:

                                                            (24)

Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

                                                                 (25)

Определим амплитуду напряжения источника  сигнала:

     

                                                                (26)

 

 

 

 

1.4 Расчет емкости конденсаторов  и выбор их номиналов

Распределим частотные искажения  в области нижних частот, вносимые емкостями конденсаторов C_р1, C_р2, C_д1, равномерно между ними:

                                                                (27)

.

Рассчитаем емкость разделительного  конденсатора:

 , Ф                                  (28)

 Ф.

Выбираем номинал электролитического конденсатора C_р1 100 мкФ.

Рассчитаем емкость разделительного  конденсатора:

 , Ф                                 (29)

 Ф

Выбираем номинал электролитического конденсатора C_д1 100 мкФ.

Найдем емкость блокировочного конденсатора:

, Ф                                              (30)

 Ф

Выбираем емкость электролитического конденсатора C_д1 50 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет инвертирующего  усилителя 

постоянного тока

2.1 Расчет сопротивления  резисторов

Требуется рассчитать схему неинвертирующего усилителя постоянного тока.

Внутреннее сопротивление источника  сигнала R_G1= 5 кОм.

Коэффициент усиления по напряжению для источника сигнала К_u1=10.

Динамический диапазон выходного  напряжения D=26 дБ.

Максимальная температура окружающей стреды  Т_m=40 ⁰С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Определяем произведение источника  сигнала на коэффициент усиления:

 Ом

Рассчитываем сопротивление входного резистора R₁ по формуле:

, Ом                                                          (1)

 Ом.

Выбираем номинал резистора  по приложению 2. Резистор R₁ принимаем 24 кОм.

Найдем сопротивление резистора R₂ :

, Ом                                                                        (2)

 Ом.

Рассчитаем сопротивление резистора R₃ :

, Ом                                                             (3)

 Ом

Выбираем номинал резистора  R₃ = 24*10³ Ом.

 

2.2 Выбор операционного  усилителя

Выбираем операционный усилитель  по приложению 4 из коэффициента  усиления по напряжению К_u, и сопротивления источника сигнала:

10 кОм: К140УД7; К140УД6.

кОм: К140УД6; К140УД14.

кОм: К140УД14; К140УД8; КР544УД1.

 кОм: К140УД8; КР544УД1.

Так как сопротивление источника  сигнала R_G1= 5 кОм и коэффициент усиления К_u1=10, выбираем  К140УД7.

Таблица№1 - Параметры операционного  усилителя К140УД7.

Параметр
Коэффициент усиления по напряжению Коу	50*103
Разность входных токов Δiвх , мА	50
Внутреннее напряжения смещения Uвн , В	5
Тепловой дрейф внутреннего  напряжения смещения мкВ/0С	6
Тепловой дрейф разности входных  токов мА/0С	0,4
Максимальное напряжение на выходе ОУ Uвых max ОУ , В	11,5
Номинальное напряжение питания Uu , В	=15