Расчетное задание № 2

ИЗУЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

2.1. Цель работы

2.1.1. Изучить влияние элементов схемы усилителей на режим ра­боты транзисторов.

2.1.2. Научиться производить расчет усилителей с использовани­ем характеристик транзисторов.

2.2. Содержание расчетного задания

2.2.1. Выполнить расчет однокаскадного усилителя (рис. 2.1) с использованием характеристик транзистора указанного в индивидуальном задании к работе N 1.

2.2.2. При расчете необходимо определить значения R_K, R1, R2, R_э, обеспечивающие работу усилителя в классе А и значения С1, С2, Сэ, обеспечивающее коэффициент частотных искажений М_н = 1,1.

2.2.3. Определить M_в и КПД усилителя для случая работы в классе А и классе В, а также сопротивление нагрузки R_н, обеспечивающее максимум мощности, отдаваемой в нагрузку.

2.2.4. Рассчитать коэффициент усиления, R_вx и R_выx для каскада с последовательной и параллельной обратной связью по току и напря­жению.

2.2.5. Изучить схемы усилителей, приведенные на рис. 2.4 и оп­ределить тип обратной связи.

2.3. Методические указания

Для расчета элементов схемы однокаскадного усилителя работающего в режиме А необходимо использовать рассмотренные в работе 1 входные и выходные характеристики транзистора и полученные по ним значения I_б0, U_б0, I_к0, I_кm и U_кm. Для задания положения рабочей точки на середине линейного участка входной характеристики необходим источник напряжения смещения, обычно для этого используют делитель напряжения Е_к на резисторах. В схеме усилителя приведенной на рис. 2.1 делитель выполнен на резисторах R1 и R2.

При изменении температуры транзистора за счет обратного тока с цепи коллектора в базу I_кбо положение рабочей точки будет изменяться, что при усилении сигнала вызовет его искажение. Для термостабилизации положения рабочей точки в цепь эммитера транзистора включают резистор R_э. Ток эммитера протекающий через R_э создает на нем падение напряжения,

Рис. 2.1. Однокаскадный усилитель по схеме с ОЭ

Рис. 2.2. Эквивалентная схема усилителя в области низких частот

Рис. 2.3. Эквивалентная схема усилителя в области высших частот

которое через R2 подается на базу транзистора и возвращает рабочую точку на середину линейного участка входной характеристики.

Для расчета делителя R1, R2 необходимо взять ток делителя в 5-10 раз большим тока I_б0, чтобы изменяющийся ток базы транзистора не влиял на U_бо. Можно ток делителя рассчитать и по паспортным данным транзистора через I_к.max и h₂₁=. По этим данным определяют I_бmax, используя уравнение

, (2.1)

Ток делителя рассчитывают по формуле

, (2.2)

Параметры делителя рассчитываются по формулам

, , (2.3)

где Е1=12 В.

Термостабилизирующее сопротивление R_э определяют из условия

, (2.3)

Емкость блокирующего конденсатора С_э, устраняющего отрицательную обратную связь по переменному току, определяется из условия

, (2.4)

где Х_сэ - сопротивление емкости на низшей частоте усиливаемого сигнала (20 Гц). Х_сэ= 2πfС_э. Отсюда С_э=Хс_э/2πf.

В безтрансформаторных многокаскадных усилителях широкое распространение полу­чили схемы с емкостной связью (рис. 2.1).

Каскад такого типа содержит переходные конден­саторы С1 и С2. Конденсатор С1 изолирует источник сигнала Е_г от вхо­да каскада по постоянному току и соединяет их по переменной сос­тавляющей. Конденсатор С2 выполняет аналогичные функции по отно­шению к выходу каскада и нагрузке R_н. Емкости этих конденсаторов оказывают влияние на работу каскада в области низших частот и при передаче вершины импульсов.

Упрощенная эквивалентная схема усилительного каскада в об­ласти низших частот приведена на рис. 2.2.

Величина емкости С1 определяется исходя из допустимого зна­чения коэффициента частотных искажений (на низшей частоте), ко­торый определяется выражением:

, (2.5)

где К_ио - коэффициент усиления на средних частотах;

К_ин - тоже на низшей частоте усиливаемого сигнала;

τ_Н - постоянная времени входной цепи каскада в области низ­ших частот.

τ_Н = С1  (R_Г +R_вхоэ), (2.6)

где R_Г - внутреннее сопротивление источника сигнала (при расчётах принять R_Г = 450 Ом ).

R_вх = R_вхоэ // R1 // R2 , (2.7)

R_вх эквивалентно параллельно включенным R1, R2 и R_вх.

Окончательно

. (2.8)

Коэффициент частотных искажений в области высших частот определяется из выражения:

. (2.9)

Эквивалентная схема усилителя при работе его в области выс­ших частот приведена на рис. 2.3.

Постоянная времени в области высших частот τ_в, обусловлена емкостью С_к (приведена в паспортных данных транзистора) и определяется уравнением

τ_в = С_К  ( r_К // R_К // R_Н ), (2.10)

где r_к - дифференциальное сопротивление коллекторного пере­хода, рассчитанный в работе № 1

При расчетах принять R_Н = R_К.

КПД коллекторной цепи усилителя вычисляется по формуле:

, (2.11)

где U_к.max , I_к.max, - амплитуда коллекторного напряжения и тока полученные графически (см.рис. 1.1,в);

Е_к - ЭДС источника питания;

I_к0 - ток коллектора в точке покоя (см. рис. 1.1,в).

Общий КПД каскада вычисляется с учетом потерь в выходном трансформаторе (если он имеется ) и цепи смещения.

Максимальную мощность в нагрузку R_Н усилитель отдает при условии R_н = R_вых. Определение R_вых дано в работе № 1.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью

, (2.12)

где ₀- коэффициент обратной связи (при расчетах принимать ₀=0,2);

К - коэффициент усиления без обратной связи рассчитанный в работе №1. Различают обратную связь по напряжению - сигнал обратной связи (U_ос или I_ос ) пропорционален выходному напряжению - и об­ратную связь по току - сигнал обратной связи пропорционален вы­ходному току.

Рис. 2.4. Схемы усилителей с различными типами обратных связей.

По способу сложения сигнала обратной связи с выходным сигна­лом различают: обратную связь со сложением напряжения (последо­вательная ОС) и обратную связь со сложением токов (параллельную ОС).

Значение входного и выходного сопротивлений для каждого из типов отрицательной ОС рассчитывается по формулам:

при последовательной ОС:

R_вх.ос = R_вх.  (1 + ₀ K ), (2.13)

при параллельной ОС:

R_вх.ос = R_вх. / (1 + ₀ K ), (2.14)

при обратной связи по напряжению:

R_вых.ос = R_вых. / (1 + ₀ K ), (2.15)

при обратной связи по току:

R_вых.ос = R_вых.  (1 + ₀ K ), (2.16)