Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования


МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХ)

Кафедра «Электротехника»

Е. Ф. Анисимов Одобрено,

О.В. Девочкин методической комиссией по УГС

Т. Б. Гайтова по направлению «Электроэнергетика

и электротехника»

Усилительные устройства

и электроника

Методические указания для выполнения курсовых и расчетно-графических работ для студентов высших учебных заведений

Москва 2019 г.

УДК 621.3(075)

Е.Ф. Анисимов

О.В. Девочкин

Т. Б. Гайтова

Усилительные устройства и электроника.

Методические указания для выполнения курсовых и расчетно-графических работ для студентов высших учебных заведений.

Стр.22 , рис. 7 , табл. 4 , библ. 5 Изд-во Мосполитеха, 2019 г.

Цель предлагаемого пособия – оказать помощь студентам высших учебных заведений в изучении разделов курсов «Электроника, Усилительные устройства, Силовая электроника».

Методические указания содержат описание необходимых для выполнения расчетно-графических и курсовых работ, приведены задания по расчету усилителей напряжения низкой частоты и стабилизаторов напряжения источников питания, методические указания по их выполнению и некоторые справочные данные.

 Московский Политехнический Университет. 2019 г.

1. 
   РАСЧЕТ КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
   

В устройствах электроники для усиления слабых сигналов различных датчиков широко применяются усилители низкой частоты (УНЧ), выполненные на транзисторах. В усилительных каскадах низкой частоты транзисторы предпочтительно включать по схеме с общим эмиттером (ОЭ), т.к. такое включение обеспечивает максимальное усиление сигнала по напряжению и по мощности.

Особое внимание необходимо уделить выбору рабочей точки транзистора на его характеристиках, т.к. этот фактор является определяющим для обеспечения нормальной работы усилителя.

Усилительные каскады питаются от источников постоянного напряжения, в качестве которых используются выпрямительные устройства с фильтром и стабилизатором напряжения, Э.Д.С. источника питания усилительного каскада и ток являются основными параметрами для проектирования выпрямительного устройства.
1.1. Исходные данные для расчета
Усилитель напряжения низкой частоты (УНЧ) предназначен для усиления слабых сигналов до заданной величины в определенной полосе частот, поступающих от источника входных сигналов. Принципиальная схема усилителя выполненного по схеме с общим эмиттером (0Э), приведена на рис.1.1

Исходными данными для расчета являются:

U_{вых m} амплитуда выходного напряжения;

R_и - сопротивление нагрузки усилительного каскада.

fн- нижняя граничная частота усиливаемого сигнала;

Мн - допустимое значение коэффициента частотных искажений в области нижних частот (М_н - отношение коэффициента усиления по напряжению на средних частотах к его значению на нижней граничной частоте Мн = К/К(fн)).

Еп - напряжение источника питания.
1.2, Задание
Расчет усилительного каскада производится на биполярных транзисторах. В процессе расчета необходимо выполнить следующие работы:

2.1. Выбрать тип транзистора в схеме УНЧ.

2.2. Установить режим работы транзистора в схеме - определить положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора в схеме с ОЭ (точка покоя)

2.3. Определить параметры элементов принципиальной схемы усилителя:

Rк - величина сопротивления резистора, включаемого в цепь коллектора;

Rэ - величина сопротивления резистора, включаемого в цепь эмиттера;

R₁,R2 - величины сопротивлений резисторов делителя напря­жения в цепи базы;

Сэ - величина емкости конденсатора в цепи эмиттера;

С₁, С₂ - емкости разделительных конденсаторов»

2.4. Определить динамические параметры усилительного кас­када:

R_BX - входное сопротивление на переменном токе;

R_bых - выходное сопротивление каскада;

Ki - коэффициент усиления каскада по току;

Ku - коэффициент усиления каскада по напряжению;

Кр - коэффициент усиления по мощности ;

U_вхm - амплитуда входного напряжения для получения задан­ной выходной.

1.3. Указания к выполнению работы
З.1 При расчете режима работы .транзистора по постоянному току использовать графо-аналитический метод.

3.2, Динамические параметры усилителя определять аналити­ческим методом по h- параметрам транзистора.

3.3. Считать, что каскад работает в стационарных услови­ях при температуре окружающей среды 15  25° С.



Рис.1.1. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе р-n-р типа (с общим эмиттером).
3.4. Полярность источника питания с э.д.с. Е_п по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.1.1 полярность источника соответствует транзисторам типа р-п-р. Для усилительного каскада с транзистором типа n-р-n полярность источника должна быть противоположной.

3.5. Для усилительных каскадов, работающих в области повышенных температур, предпочтительнее выбирать кремниевые транзисторы n-р-n типа.

3.6. Исходные данные для расчета усилительного каскада приведены в табл/1.1.

Табл. 1.1

№ варианта	Uвых В	Rн Ом	fн Гц	Mн	Eп В	Примеча-ние
01	2,5	500	200	1.2	6
02	2.5	200	200	1.2	б
03	2,75	550	200	1.5	б
04	1.5	800	120	1.4	б
05	2,8	650	90	1.8	9
06	3.0	480	150.	1,0	12
07	2,8	340	100	1.0	6
08	3,2	550	100	I.I	9
09	1.0	450	150	1.5	9
10	1,4	700	220	2.0	6
11	2.0	500	11О	1.8	12
12	2.2	500	80	2,1	12
13	3.5	475	100	1.0	9
14	4.0	635	150	1,4	24
15	1.0	800	150	1.3	12
16	6,0	425	70	1,8	27
17	9.0	300	120	1.6	27
18	5.5	750	100	1.7	12
19	4?3	600	120	1,05	12
20	8,0	300	75	1.2	27
21	3,8	540	250	1,2	12
22	4.0	460	200	1.8	20
23	5	690	100	1,4	24
24	2.0	750	150	I87	9
25	7.0	575	100	1,8	15
26	5.5	500	220	1,0	24
27	3,5	630	130	2,0	9
28	3,0	670	110	1,8	9
29	2,2	350	80	2,2	6
30	1.5	250	90	1.5	6
31	3.2	920	120	1.2	12
32	4,4	575	250	1,4	12
33	9.0	800	180	1.8	27
34	3.5	600	50	2.0	12

---

1.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ

4.1. Основным критерием выбора типа транзистора для усилительного каскада являются допустимое напряжение Uк доп между коллектором и эмиттером, которое определяется из условия

Uкэ доп  (1,11,4) Еп, (1)

а также наибольшее допустимое значение коллекторного тока Iк. Величины Uкэ доп и Iк доп. приводятся в справочниках по полупроводниковым приборам [,4 ],

Транзистор выбирают таким образом, чтобы

Iк доп 2Iнm=2Uвых m/Rн ; (2)

Uкэ доп > Ukэ _макс, (3)

где Iнm- амплитуда тока нагрузки.

4.2. Для выбранного транзистора выписывают из справочника значения Iк доп, Uкэ доп, Iкн, , h - параметры,

где -  коэффициент передачи базового тока (или , тогда ):

- Iкн - начальный ток транзистора.

При выборе транзистopа должно выполняться условие, чтобы минимальный коллекторный ток был больше начального тока (Iкмин > Iкнач).

Примечание: примеры параметров и характеристики некоторых тран­зисторов приведены

в приложении I.

На миллиметровую бумагу или кальку перенести из справочни­ка семейства статистических входных и выходных характеристик

4.3. Режим работы транзистора по постоянному току определя­ется в соответствии с нагрузочной прямой, построенной на семействе выходных характеристик (рис.1.2).



Рис.1.2 Определение режима покоя усилительного каскада по схеме с ОЭ на семействе коллекторных характеристик

Для усилителя, работающего в классе А при uвх=0, ток коллектора в точке покоя выбирается из соотношения 1к₀=(1,1 - 1,3) Iкm, но не меньше 1mA. Где Iкm=) Iнm – амплитуда переменной составляющей коллекторного тока равной амплитуде тока нагрузки. Этому току должно соответствовать коллек­торное напряжение

Uкэ₀ = Uвых_m + Uост, (4)

где U ост - наименьшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером.

Для маломощных транзистора обычно используемых в УНЧ, можно принять .

Uост = 12 b. (5)

При напряжении на коллекторе меньше U ост возникают боль­шие искажения усиливаемого сигнала из-за сильной нелинейности характеристик транзистора.

---

По значениям Iко и Uк₀ выбирается одна точке нагрузочной прямой (точка покоя "О"), описываемой уравнением

Uкэ = Eп - IкRн (6)

вторая точка определяется напряжением источника питания Еп при 1к=0.

Положение рабочей точки « 0 » позволяет определить значении тока базы I6₀ при отсутствия входного сигнала/

По статической входной характеристике и току базы Iб₀ определяется напряжение Uбэ₀ режиме покоя (при Uвх=0) рис.1.3.

Uбэ,В

Uбэ,В



t




I,mA

Рис.1.3. Положение рабочей точки покоя «0» и временные диаграммы усиливаемого сигнала на входных характеристиках транзистора

4.4. Общее сопротивление, включаемое в коллекторно-эмиттерную цепьопределяется также нагрузочной прямой при Uкэ=0

Rобщ=E/I (7)

где I - максимальный ток, соответствующий точке пересечения нагрузочной прямой Uкэ = Eп - IкRн с осью токов на выходных характеристиках транзистора (рис.2).

4,5. Напряжение на эмиттерном резистора Rэопределяется исходя из условий необходимой стабилизации режима работы уси­лителя и получения максимального коэффициента усиления. Это напряжение для усилителей низкой частоты обычно выбирается в пределах:

Uэ = (0,1 – 0_,3) Еп, (8)

Ток проходящий через резистор Rэ, определяется суммой коллекторного и базового токов:

Iэо=Iб₀ + Iк₀ (9)

Тогда величина сопротивления резистора Rэ может быть оп­ределена по формуле

Rэ=U/Iэ₀ (10)

4.6. Определяют величину резистора Rк, включаемого в кол­лекторную цепь, как разность

---

Rk = Rобщ - Rэ . (11)

4 .7. Начальный ток базы Iб₀ задается делителем напряжения_, собираемого на резисторах R₁,R₂ . Ток делителя задается примерно в 10 раз больше тока базы для уменьшения шунтирующего действия делителя на входное сопротивление каскада.

Iд = 10 Iб₀ . (12)

Падение напряжения на резисторе R₂ делителя определяется как сумма напряжений

U2 = Uэ₀ +Uбэ₀ . (13)

Тогда по закону Ома

R₂ = U₂ / Iд (14)

Напряжение на резисторе R1 делителя определяется как разность

U₁ = Eп – U₂ (15)

При расчете сопротивления резистора R₁ необходимо учи­тывать, что через него протекает сумма токов Iд + Iб₀

R₁ = U₁ /(Iд + Iб₀ ) (16)

4.8. Оцениваем величину конденсатора Сэ шунтирующего резистор в цепи эмиттера, для устранения отрицательной обратной связи по переменному току по приближенной формуле

(17)

Ёмкостъ конденсатора Сэ обычно выбирает примерно в 10 раз больше рассчитанной: величины для удовлетворения неравенства, т.е.

_: (18)

4.9. После приведенного выше расчета элементов схемы, задающихрежим работы транзистора по постоянному току и опреде­ляющих положение рабочей точки и ее температурной стабилизации, выполняют расчет динамических параметров усилителя с помощью h-параметров.

1.5. Расчет динамических параметров усилителя

С целью упрощения анализа динамических свойств усилителя применяется часто используемый метод, основанный на замене peального усилителя его эквивалентной схемой. В такой схеме биполярный транзистор можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис.1.4), если в качестве переменных принять приращения токай i и напряжений u, накладывающихся на постоянные составляющие и связанные линейной зависимостью. За независимые переменные удобно выбрать приращения входного тока i₁и выходного напряжения u₂.


Рис.1.4. Эквивалентная схема транзистора в виде четырехполюсника.

Такой выборобусловлен малым входным и большим выходным сопротивлениями транзистора, что позволяет легко осуществить режим источника тока на входе и источника напряжения на выходе транзистора. В этом случае уравнения четырехполюсника принимают вид u

---

₁=h₁₁i₁+h₁₂u₂ (19)

i₂=h₂₁i₁+h₂₂u₂ (20)

Коэффициенты h₁₁,h₁₂,h_21,h₂₂ называются h – параметрами транзистора. Эти уравнения показывают» что коэффициент h₁₁представляет собой входное сопротивление транзистора при постоянном напряжении, при u2=0 h₁₁=u₁/i₁ ; (21)

h₁₂ коэффициент обратной связи при постоянном входном токе,

при i1=0 h₁₂ =u₁/u₂ ; (22)

h₂₁ - представляет собой коэффициент передачи тока при посто­янном выходном напряжении, при u2=0 h₂₁=i₂/i₁ ; (23)

h₂₂- выходная проводимость при постоянном входном токе; при i₁ = 0

h₂₂ =i₂ /u₂ (23)

По этим параметрам могут быть рассчитаны внутренние, фи­зические параметры транзистора/

Эквивалентная схема замещения транзистора как линейного четырехполюсника в усилительном каскаде приведена на рис.1.5.



Рис1.5. Эквивалентная схема замещения транзистора в усилительном каскаде по схеме с ОЭ.
При неизменном напряжении источника литания каскада и сопротивления резистора Rк, составляющая тока коллектора h₂₁Iб зависит только от тока базы и ее можно представить как ток создаваемый некоторым истопником тока, Обычно эквивалентная схема уси­лительного каскада (рис,1.5) рассчитывается дляобласти средних частот, поэтому сопротивлениями конденсаторов пренебрегают, считая их закороченными,

Величина параметра h₁₂ обычно мала и можно считать h₁₂ =0, т.е. в приведенной упрощенной эквивалентной схеме пренебрегается внутренней обратной связью.

Динамические параметры усилителя R_вх,R_вых. К_U,К_I,К_P определяют по следующему алгоритму, построенному в соответствии со схемой замещения (рис.5)

(25)

(26)

(27)

(28)

К_p=К_UК_I. (29)

---

Смотрите также файлы

• Тестовые задания повышения квалификации по специальности Физиотерапия.docx

• Таырыбы Баланы жауапкершілігі жне жауапсыздыы. Оны артында не бар Масаты.docx

• Курсовая работа на тему Ассортимент, приготовление и способы оформления и подачи запеченных горячих блюд сложного ассортимента для предприятий общественного питания.docx

• Лёгкая атлетика. Прыжок в длину с разбега способом согнув ноги.docx

• Реферат чрезвычайные ситуации природного происхождения студент группы с15 Тухфатуллин Дамир.docx