Лабораторная работа №3. “Изучение аналитического метода расчёта резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе”

“Изучение аналитического метода расчёта резистивного однокаскадного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе”

Цель работы: Рассчитать резистивный однокаскадный усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе аналитическим методом.

При малых уровнях усиливаемых сигналов расчет усилителя проводится аналитическим методом.

Для проведения расчетов электронных схем необходимо определить собственные параметры выбранного транзистора и его h- параметры в рабочей области, расположенной в пределах линейного участка динамической характеристики.

При известных h -параметрах можно определить собственные параметры из формул:

- для схемы с общим эмиттером

Далее составляется эквивалентная схема усилительного каскада (рис. 3).

Рис. 9 Эквивалентная схема усилительного каскада

В связи с тем, что расчет усилителя производится на средних частотах, разделительные емкости и в эквивалентной схеме не учитываются, их сопротивления в этой области малы.

Сопротивление нагрузки по переменному току

Сопротивление делителя по переменному току

- эквивалентный генератор тока, характеризующий передачу тока из цепи базы в коллекторную;

При изменения коллекторного тока равны изменениям эмиттерного тока. Изменения эмиттерного тока в раз больше соответствующих изменений тока базы.

Соответственно, параллельно эквивалентному генератору, во избежание ошибок, необходимо подключить сопротивление

Из анализа эквивалентной схемы можно записать:

- ток коллектора:

- входное сопротивление:

=

Т.к. обычно , то входное сопротивление усилите ля можно считать равным входному сопротивлению транзистора.

В схеме усилителя, возможно, что резистор не зашунтирован конденсатором . В этом случае, согласно эквивалентной схеме, входное сопротивление усилителя

Очевидно, что входное сопротивление усилителя значительно повысится.

Полное входное сопротивление усилителя с учетом делителя , состоящего из R₁ и R₂.

Коэффициент усиления напряжения:

Если r_к' >>R_кн.; h_21э >>1

_Т - тепловой потенциал потенциального барьера;

_Т =

при Т =300 К _Т

В случае недостаточности коэффициента усиления необходимо выбрать другой транзистор и повторить расчет.

Коэффициент усиления тока:

Выходное сопротивление с учетом r’_к >>R_кн (при отключенной нагрузке на выходе)

Для нормальной работы транзистора в линейном усилительном режиме необходимо, чтобы между эммитером и базой было небольшое постоянное напряжение (напряжение смещения базы).

Для обеспечения напряжения смещения базы необходимо выбрать схему подачи смещения и определить величины номиналов резисторов.

Это напряжение может быть подано различным образом:

- схема с фиксированным базовым током (рис. 4);

Рис. 4 Схема с фиксированным базовым током

напряжение смещения

величина сопротивления резистора

Обычно и R ≈

- схема с фиксированным напряжением базы - эмиттер с помощью делителя (рис. 5);

Рис. 5 Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер

величина сопротивления резисторов определяется так:

и

Для большей стабильности в работе желательно, чтобы I_д > I_бо в 10 и более раз, однако, чтобы не слишком уменьшить входное сопротивление каскада, соблюдается условие I_д > I_бо в 3 5 раз.

В реальных условиях описанные схемы подачи смещения в цепь базы обладают очень низкими термостабильными свойствами и могут применяться лишь в диапазоне изменения температур, не превышающих 10÷30⁰ С. Изменение температуры ведет к изменению положения рабочей точки и, соответственно, изменению режима работы транзистора.

Для термостабилизации положения рабочей точки применяются отрицательные обратные связи по напряжению или току.

В схеме с коллекторной температурной стабилизацией (рис. 6) осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению за счет подключения резистора к коллектору тиристора с напряжением , а не к источнику питания .

Рис. 6 Схема коллекторной температурной стабилизации

Величина сопротивления резистора может быть определена .

Физический смысл коллекторной стабилизации состоит в уменьшении напряжения при температурном увеличении тока коллектора, соответствующем уменьшении тока базы и уменьшении первоначального значения тока коллектора.

Более эффективна схема с эммитерной температурной стабилизацией, сохраняющая работоспособность при изменении температуры на 50-70^оС (рис. 7). За счет отрицательной обратной связи по току температурное увеличение тока I_к, увеличивая I_э и падение напряжения на R_э, уменьшает напряжение смещения базы I_б и, соответственно, ток I_к.

Рис. 7 Схема эммитерной температурной стабилизации

Величины сопротивлений резисторов определяется следующим образом:

Расчет величины емкости разделительных конденсаторов C_р1 и С_р2 и емкости конденсатора, шунтирующего резистор R_э в эмиттерной цепи, С_э производится из необходимости обеспечения заданных частотных искажений по низким частотам.

Для наглядности можно построить по принципиальной схеме резистивного усилителя (рис. 8) эквивалентные схемы (рис. 9).

Рис. 8 Принципиальная схема двухкаскадного резистивного усилителя

а)

б)

Рис. 9 Эквивалентные схемы усилительного каскада

а) – для определения величины С_р1,

б) – для определения величины С_р2.

Учитывая, что каждый реактивный элемент в усилителе вносит свою долю частотных искажений, то необходимо рассматривать влияние каждого элемента в отдельности. Так, конденсатор С_р1, вносит частотные искажения с коэффициентом М_н1.

где

и

Соответственно, конденсатор С_р2 вносит частотные искажения с коэффициентом М_н2.

где

Постоянную времени эмиттерной цепи можно считать τ_сэ ≈ С_эr_э

и тогда

.

Результирующий коэффициент частотных искажений усилителя на низкой граничной частоте М_н = М_н1М_н2М_нэ.

Выбор транзистора для усилителя производится из условия обеспечения малых частотных искажений по высоким частотам. Тем не менее, на конечном этапе расчета усилителя, необходимо проверить величину получающихся частотных искажений.

Обычно учитываются два фактора – влияние емкости коллекторного перехода С_к и уменьшение коэффициента передачи тока базы h_21э на граничной частоте. В эквивалентной схеме с учетом усилительных свойств транзистора, учитывается емкость С_кэ

С_кэ = С_к(h_21э + 1)

Тогда - коэффициент частотных искажений за счет емкости.

τ_вс = С_кэR_о

где R_о – из эквивалентной схемы (рис. 10) параллельное соединение резисторов R_вых, R_к1, R’, R_вх2.

Коэффициент частотных искажений за счет h_21э.

- совпадает со средним временем жизни неосновных носителей в базе, берется из справочника.

Результирующий коэффициент частотных искажений усилителя на высокой граничной частоте .

В случае превышения полученного в расчете коэффициента частотных искажений М_в над заданным выбирается другой транзистор, либо меняется режим его работы в сторону уменьшения постоянной времени τ_вс.

Рис. 10 Эквивалентная схема усилительного каскада для определения высокочастотных искажений

Поиск по сайту: