Усилитель напряжения на биполярном транзисторе (стр. 2 из 2)

R_{вх.тр.ос} = h_11э + (h_21э + 1)R_ос

и снижает усиление. Величину R_ос выбирают, исходя из заданного коэффициента усиления

.

Входное сопротивление транзистора без ООС зависит от тока базы покоя:

,

где

= 26 мВ = 0,026 В – “температурный потенциал” (параметр полупроводника).

Находим входное сопротивление транзистора без ООС

(кОм).

Определяем требуемое входное сопротивление транзистора с ООС:

R_{вх.тр.ос} =

(кОм).

Вычисляем сопротивление резистора R_ос в цепи эмиттера:

(кОм)

и приводим к стандартному номиналу.

Определяем сопротивление

R_э = (R_э + R_ос) – R_ос (кОм).

Округляем сопротивление R_э до стандартного номинала.

4. Расчет каскада в области низких частот

В области низких частот (НЧ) усиление каскада уменьшается из-за влияния разделительных конденсаторов C₁ и C₂ и шунтирующего конденсатора C_э:

,

где

– постоянная времени усилителя в области НЧ.

Нижняя граничная частота, на которой усиление уменьшается в

раз, равна

.

определяется постоянными времени трех цепей, в которые входят указанные выше конденсаторы:

.

Здесь постоянная времени входной цепи

t_н1 = R_вх·C₁,

где R_вх – входное сопротивление каскада с учетом влияния базового делителя

R_вх = R_{вх.тр.ос}||R₁||R₂;

постоянная времени выходной цепи

t_н2 = (R_к + R_н)·C₂;

постоянная времени цепи эмиттера

t_н.э

.

Исходя из заданной нижней частоты усилителя f_н, определяем требуемую величину постоянной времени τ_н (в миллисекундах):

(мс).

Определим значения t_н1, t_н2 и t_н3. Целесообразно принять постоянные времени всех трех цепей одинаковыми:

t_н1 = t_н2 = t_н.э = 3t_н (мс).

Вычисляем входное сопротивление усилителя:

R_вх

(кОм)

и находим емкость С₁:

= (мкФ).

Округляем С₁ до ближайшего стандартного номинала.

Находим емкость С₂:

(мкФ).

Округляем С₂ до ближайшего стандартного номинала.

Находим емкость С_э:

(мкФ).

Округляем С_э до ближайшего стандартного номинала.

Таблица стандартных номинальных значений емкостей

1.0

1.5

2.2

3.3

4.7

6.8

5. Расчет каскада в области высоких частот

С повышением частоты также происходит уменьшение коэффициента усиления по сравнению с областью средних частот:

,

где t_в – постоянная времени усилителя в области высоких частот (ВЧ).

Снижение усиления на ВЧ обусловлено двумя факторами:

1) уменьшением модуля дифференциального коэффициента передачи тока по сравнению с h_21Э;

2) влиянием выходной емкости транзистора С_вых и емкости нагрузки С_н, шунтирующих выходную цепь усилителя.

Поэтому t_в определяется и частотными свойствами транзистора (с учетом ООС), и паразитными емкостями. При большой емкости нагрузки она является основной причиной завала частотной характеристики усилителя на высоких частотах.

Определяем постоянную времени усилителя в области высоких частот

(мкс)

и находим верхнюю частоту усилителя f_в, на которой усиление уменьшается в

раз по сравнению с областью средних частот:

f_в

(кГц).

6. Построение диаграмм напряжений и токов

Построим в координатах U_кэ; I_к (рис. 3) динамическую линию нагрузки, которая связывает колебания напряжения коллектор-эмиттер с колебаниями тока коллектора

U_кэ= E_к.экв – I_к·R_к.н

и выходную характеристику, соответствующую току базы покоя

I_к = h_21э·I_б.о + h_22э·U_кэ.

Точка покоя О находится на пересечении этих линий.

Выбираем амплитуду колебаний тока базы I_б.m .

Строим графики двух выходных характеристик для минимального тока базы

I_б.min = I_б.о – I_б.m

и максимального тока базы

I_б.max = I_б.о + I_б.m

Определяем на графике динамической линии нагрузки координаты точек А,О и В. Находим по этому графику амплитуду тока коллектора и амплитуду переменной составляющей напряжения на коллекторе: I_к.mи U_кэ.m = U_вых.m .

Вычисляем амплитуды входного напряжения и переменной составляющей напряжения база-эмиттер

U_вх.m = I_б.m ·R_{вх.тр.ос} ;

U_бэ.m = I_б.m ·h_11э .

По динамической линии нагрузке и построенным диаграммам определяем значение амплитуды выходного напряжения U_вых.m, вычисляем коэффициент усиления

и сравниваем его с заданной величиной K_u.

Изображаем временные диаграммы:

· напряжения на входе каскада u_вх(t) (с нулевой постоянной составляющей);

· напряжения на эмиттерном переходе u_бэ(t) (с учетом полярности и величины постоянной составляющей U_бэ.о);

· тока базы и тока коллектора (токи при любом типе транзистора считать положительными);

· напряжения коллектор-эмиттер (с учетом полярности и величины постоянной составляющей U_кэ.о);

· выходного напряжения на нагрузке.

Определяем на графике динамической линии нагрузки координаты точек 1,О и 2. Находим по этому графику амплитуду тока коллектора и амплитуду переменной составляющей напряжения на коллекторе:

I_к.m = 0,6 мА; U_кэ.m = U_вых.m = 0,9 В.

Изображаем временные диаграммы напряжения на входе каскада u_вх(t), напряжения на эмиттерном переходе u_бэ(t), тока базы и тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер и выходного напряжения на нагрузке.

Литература

1. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая Линия – Телеком, 2002. – 768 с.

2. Лачин В.И. Электроника: Учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. – Ростов н / Д: изд-во “Феникс”, 1998. – 448 с.

3. Гусев В.Г. Электроника: Учеб. пособие / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1991. – 622 с.