Федеральное агентство по образованию РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кумертауский филиал

Кафедра ПА

Курсовая работа

По дисциплине "Электроника"

Выполнил: студент группы АТПП-304

Игнатьев И.А.

Проверил: преподаватель

Зимин Н.В.

Кумертау 2010 г.

Введение

1. Основные понятия

1.1 Усилитель

1.3 h-параметры биполярных транзисторов

1.4 Параметры транзистора П14

2. Расчёт параметров и описание принципиальной схемы устройства

2.1 Выбор рабочей точки

2.2 Определение коэффициентов усиления транзистора П 14

2.3 Рассчитаем входное и выходное сопротивления транзистора П 14

2.4 Расчёт элементов усилителя

2.5 Расчет емкостей конденсаторов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В данном курсовой работе произведен анализ различных схем термостабилизации. В процессе проектирования произвели аналитический расчёт усилителя и вариантов его исполнения.

В работе произведен расчет элементов однокаскадного усилителя по схеме с общей базой и рассчитать коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности, входного и выходного сопротивления.

В результате расчета был разработан усилитель низкой частоты с заданными требованиями и номиналами элементов, который можно использовать для практического применения.

Полученные данные могут использоваться при создании реальных усилительных устройств.

1. Основные понятия

1.1 Усилитель

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радио сигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители.

Усилитель - устройство, осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю.

В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу и размеры, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы.

Упрощенно усилитель (усилительный каскад) можно представить в виде блок-схемы (рис.1.):

Данный усилитель содержит нелинейный управляемый элемент, как правило биполярный или полевой транзистор, потребитель и источник электрической энергии. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения (у си ленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента, а следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого или потребителя. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону задаваемому входным сигналом.

Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению Ku= U вых / U вх, коэффициент усиления по току К I = I вых / I вх и коэффициент усиления по мощности

Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления значительно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы, т.е. К U <1 или К I <1. Но в любом случае коэффициент усиления по мощности больше единицы.

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряжение, ток или мощность) требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности. Усилительный каскад напряжения имеет коэффициент усиления, как правило, равный нескольким десяткам. В инженерной практике очень часто необходимо получить значительно больший коэффициент усиления по напряжению, достигающий нескольких тысяч и даже миллионов. Для решения такой задачи используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего.

В зависимости от вида подлежащих усилению сигналов усилители делятся:

1. Усилители гармонических сигналов

(звуковые сигналы вида U (t) =U O +∑Ui*cos (ωt+φ);

2. Усилители импульсных сигналов.

3. Усилители постоянного и переменного тока.

4. Усилители низкой и высокой частоты (20Гц - 20КГц).

5. Усилители высокой частоты.

6. Узкополосные и широкополосные усилители.

7. Избирательные усилители.

8. Апериодические усилители.

Способы соединения (связи) каскадов зависят от многокаскадного усилителя. Так, в усилителях постоянного тока вход последующего каскада подсоединяют к выходу предыдущего каскада непосредственно или с помощью резисторов. Такие усилители называют усилителями с непосредственной или резистивной связью .

усилитель конденсатор однокаскадный термостабилизация

В усилителях переменного напряжения (УВЧ, УНЧ и ТИПУ) для связи каскадов чаще всего используют конденсаторы и резисторы. Такие усилители называют усилителями с резистивно-емкостными связями.

В избирательных усилителях, в усилителях мощности для связи каскадов между собой и для связи усилительного каскада с нагрузочным устройством иногда используют трансформаторы. Такие усилители называют усилителями с трансформаторной связью.

Конденсаторы и трансформаторы в усилителях переменного напряжения служат для отделения переменной составляющей напряжения (выходного) от постоянной составляющей напряжения на нелинейном управляемом элементе, возникающей от постоянной составляющей тока, создаваемой источником постоянной ЭДС.

По способу включения усилительного элемента различают три основных типа усилительных каскадов как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ).

Схема усилительного каскада транзистора n-p-nтипа с ОЭ представлена на рис.2.

Uвх, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний на участок База-Эмиттер. На Базу также подано положительное смещение от источника Е1, которое является прямым напряжением эмиттерного перехода.

В цепи базы протекает ток, следовательно, входное сопротивление транзистора является небольшим.

Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения, внутреннее сопротивление источника Е1 шунтируется конденсатором. Он на низкой частоте должен иметь сопротивление во много раз меньшее входного сопротивления транзистора.

Цепь коллектора питается от источника Е2. Напряжение источника современных усилительных каскадов на биполярных транзисторах составляет обычно 10 - 30 В.

Для получения усиленного выходного напряжения в нее включают сопротивление нагрузки.

Работа усилительного каскада происходит следующим образом. Представим коллекторную цепь в виде эквивалентной цепи (рис.3.).

Напряжение источника Е2 делится между Rн и внутренним сопротивлением транзистора го, которое он оказывает постоянному ток коллектора.

Внутреннее сопротивление транзистора примерно равно сопротивлению коллекторного перехода для постоянного тока:

Если во входную цепь включить источник колебаний, то при изменении его

напряжения изменяется ток эмиттера. Это вызывает изменение r ко, что приводит к перераспределению напряжения источника Е2 между R o и r ко. При этом переменное напряжение на нагрузке может быть получено в десятки раз больше, чем входное.

Изменение тока коллектора примерно равно изменению тока эмиттера и во много раз больше изменения тока базы, поэтому в рассматриваемой схеме получают значительное усиление тока и очень большое усиление мощности.

1.2 Усилители на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой (рис.4;

7), с общим эмиттером (рис.5;

8), с общим коллектором (рис.6;

Рис.4 Рис.5 Рис.6

Рис.7 Рис.8 Рис.9

На рисунках 4-6 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 7 - 8 - с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Страница 1 из 2

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор R K , а используя резистор R б, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение U БЭ, а сопротивление резистора R б, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
R б =(G K -U БЭ)/I Б.
Так как U БЭ обычно составляет не более 0,2…0,3В для германиевых транзисторов и 0,6…0,8 В — для кремниевых, а напряжение G K измеряется единицами или даже десятками вольт, то U БЭ < и можно записать:
R б ≈G K /I Б.
Из выражений следует, что независимо от типа транзистора VT ток его базы будет постоянным: I Б = G K /R б. Поэтому такая схема получила название схемы с общим эмиттером (ОЭ) и фиксированным током базы.
Режим работы транзистора в усилительном каскаде при постоянных токах и напряжениях его электродов называют исходным, или режимом покоя.
Включение нагрузки в коллекторную цепь транзистора приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки, равному произведению I K R K .
В результате напряжение, действующее между коллектором и эмиттером Uкэ транзистора, оказывается меньше, чем напряжение G K источника питания на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки, т. е.:
U КЭ =G K -I K R K .
Если эту зависимость отобразить графически на семействе статических выходных характеристик транзистора, то она будет иметь вид прямой линии. Для ее построения достаточно определить всего две принадлежащие ей точки (так как через две точки можно провести только одну прямую). Каждая точка должна быть задана двумя координатами: I K и U КЭ.
Задавшись конкретным значением одной из координат, определяют вторую координату, решая уравнение U КЭ =G K -I K R K . Прямая, построенная в соответствии с уравнением на семействе статических выходных характеристик, транзистора, называется нагрузочной прямой.
Нагрузочная прямая, показанная на рисунке (а), построена для случая, когда G K =10В и R К =200 Ом.

1-я точка: =0;U КЭ =G K —0R K =G K =10 В;
2-я точка: I K =30 мА; U КЭ =10—30-10^3-200=10—6=4 В.

Если в исходном режиме (режиме покоя) ток базы равен 2 мА, этот режим будет определяться точкой A, лежащей на нагрузочной прямой в месте пересечения ее со статической выходной характеристикой, полученной при I БО =2 мА. При этом I КО =20 мА; U КЭO =5,8 В. Если перенести точку A на семейство входных характеристик (рис., б), можно найти U БЭО. Оно равно 0,25 В.
При подаче на вход усилителя переменного напряжения с амплитудой 50 мВ (0,05 В) на оси напряжений входных характеристик относительно напряжения U БЭО =0,25 В откладывают по обе стороны отрезки, соответствующие напряжению 0,05 В, и из их концов восстанавливают перпендикуляры к оси U БЭ до пересечения со статической характеристикой, на которой расположена точка А, обозначающая режим покоя усилителя. В точках пересечения перпендикуляров с характеристикой проставляют буквы В и С. Таким образом, при поступлении на вход переменного напряжения режим работы будет уже определяться не точкой А, а ее перемещениями между точками В и С. При этом ток базы изменяется от 1 до 3 мА. Другими словами, переменное напряжение на входе усилителя приводит к появлению переменной составляющей в его входном токе — токе базы. В данном примере амплитуда переменной составляющей тока базы, как видно из рисунка, равна 1 мА.
Точки B и С можно перенести на семейство выходных характеристик. Они будут находиться в местах пересечения нагрузочной характеристики со статическими, полученными при токах базы, равных 1 и 3 мА. Из этого рисунка, видно, что в режиме с нагрузкой появилась переменная составляющая коллекторного напряжения. Иначе, коллекторное напряжение теперь не остается постоянным, а изменяется синхронно
с изменениями входного напряжения. Причем изменение коллекторного напряжения ΔU КЭ =7,5—4,3=3,2В оказывается больше изменения входного напряжения ΔU БЭ =0,3—0,2=0,1В в 32 раза; т. е. получено усиление входного напряжения в 32 раза.
Поскольку напряжение источника питания G K постоянное, изменение коллекторного напряжения равно изменению напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, т. е.ΔU КЭ = ΔI К R К. Из этого выражения видно, что чем больше сопротивление резистора R К, тем сильнее изменяется на нем напряжение и тем больше будет усиление. Однако увеличивать сопротивление резистора R K можно лишь до некоторого предела, превышение которого может привести даже к снижению усиления и появлению больших искажений усиливаемого сигнала.
В усилителе, схема которого приведена на верхнем рисунке, режим работы транзистора определяется током базы, который устанавливается резистором R б. Режим работы транзистора можно также установить, подав на его эмиттерный переход напряжение с делителя R1R2.

Ток делителя I Д, протекающий через резисторы R1 и R2, вызывает на сопротивлении резистора R2 падение напряжения, которое подается на эмиттерный переход транзистора и смещает его в прямом направлении. Это напряжение определяется в основном соотношением сопротивлений резисторов R1,R2 и протекающим через них током I Д и почти не зависит от типа транзистора. Поэтому такую схему иногда называют схемой с фиксированным напряжением смещения.

Предыдущая страница – Следующая страница

Практическая работа № 1

Изучение работы однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе в линейном режиме

Цель работы : наблюдение семейства ВАХ биполярного транзистора, работы усилителя в линейном диапазоне (режим малого сигнала), влияние элементов схемы на его характеристики .

Ход работы:

1. Снять входные ВАХ транзистора (рис. 1). Изменяя при этом E к 0/30В.
2. Заполнить таблицу.
3. Снять выходные ВАХ (рис. 2) при изменение Ib 1/30 mA .

Схема 1

Входные характеристики:

Входные ВАХ транзистора при различных Ib

Рис. 1

Выходные характеристики:

Выходные ВАХ транзистора при различных

Рис. 2

Контрольные вопросы:

1. Нарисуйте энергитические диаграммы р-п-р и п-р-п транзисторов.
   1. Нарисуйте основные характеристики транзисторов при включении с общим эмиттером.
   2. Каковы основные преимущества и недостатки транзисторов по сравнению с электронными лампами?
   3. Какие марки транзисторов вы знаете?

Литература:

• Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, , М., 1970;
• «Кремниевые планарные транзисторы», под ред. Я. А. Федотова, М., 1973; 3 и С. М.,

Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие для вузов – М.: Гелиос АРВ, 2004. – 335 с.

• Христич В.В. Электроника: Тексты лекций. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. – 203 с.
• Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Изд. «Солон–Р», 2001. – 726

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.3.4,а.

Входное усиливаемое переменное напряжение Uвх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением Rн через разделительный конденсатор С2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока Iкр

Значения Iкр и других постоянных составляющих тока и напряжения в цепях транзистора зависят от режима его работы (начального положения рабочей точки).

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IКр, UКЭр и входной IБр, UБЭр цепях (рис. 3.4, б, в).

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.

Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1 и R2, значения сопротивлений которых определяются из соотношений:

где Iд = (2...5)IБр - ток в цепи делителя.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URэ.

Для устранения ООС по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.

17.Многокаскадный усилитель

В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому усилители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного усилителя необходимо определить общий коэффициент усиления усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Коэффициент усиления усилителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) … (U 3 /U 2)(U 2 /Uвх)=KnKn-1…K 2 K 1 или

Kобщ = K 1 K 2 …Kn e f( 1+  2+…+  n)

где K 1 ,…, Kn – коэффициенты усиления каскадов, 1,…, n – фазовые сдвиги, вносимые каждым усилительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления

Kобщ = k вх K общ

где k вх =Zвх/(Zг + Zвх) – коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент усиления отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

K общ[дб] = K 1[дб] + … + K n [дб]

В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных участках (затухания) необходимо, чтобы усилитель работал на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), а выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования усилителей по входу и выходу используют уси­лители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэф­фициентом отражения

При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку R ’ 1 = R н n 2 , где п- коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2,а).

На рис.2,а имеем: U 2 =U 1 /n; I 2 =I 1 n 2 , тогда R н =U 2 /I 2 = (U 1 /I 1 )n 2

или R’ 1 = U 1 /I 1 =R н n 2 =R г. Отсюда с учетом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:

где n t – КПД трансформатора.

Применение входного и выходного трансформаторов позволяет достаточно просто осуществить переход с симметричной схемы на несимметричную (рис.2, б).

Классы усилительных каскадов

Рабочая точка покоя определяет режим работы каскада или класс усиления. В зависимости от положения рабочей точки различают три класса усиления:

Применяется в оконеч. каскадах большой мощности на избирательную нагрузку.

Усилители мощности.

Это обычно выходные каскады много каскадных усилителей. Они предназначены для увеличения нагрузочной способности и создания нагрузки сигнала заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала. Их основными параметрами являются:

Классификация усилителей мощности.

В зависимости от РТ класса А, АВ, В, С, Д.

В зависимости от связи между каскадами.

а) с трансформаторной связью

б) с без трансформаторной связью

В зависимости от схемы технического решения

а) однотактные

Читайте также: B)Следующие слова употребляются по такому же принципу:hospital university school church F) содействовать разработке руководящих принципов или руководств, касающихся насилия в отношении женщин, принимая во внимание меры, упомянутые в настоящей Декларации; I. Государственный стандарт общего образования и его назначение I. Первый (и главным) принцип оказания первой помощи при ранениях является остановка кровотечения любым доступным на данный момент способом. I. Функции государства - это основные направления его деятельности, в которых выражаются сущность и социальное назначение государства в обществе. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных гражданских служащих Федеральной налоговой службы II. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД. II. Принципы разработки учебно-методического комплекса дисциплины (УМКД)

В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

В режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала (U вх = 0), постоянный ток I БО под действием Е К проходит по цепи + Е К – Э- Б- R Б - -Е К. Величина этого тока подбором значений R Б задается такой, чтобы транзистор был полуоткрыт, т.е. напряжение на нем составляло бы примерно половину E К. В свою очередь, при большом токе базы транзистор полностью открывается, т.е. его сопротивление между эмиттером и коллектором очень мало, напряжение U ЭК почти нулевое, а при I Б = 0 транзистор полностью закрыт, т.е. сопротивление велико и он практически не пропускает ток I К.

Конденсатор С р1 служит для включения источника переменной входной ЭДС Е вх, с внутренним сопротивлением R вх в цепь базы. Конденсатор связи С р2 служит для выделения на нагрузке R н переменной составляющей коллекторного напряжения.

18. Определение начальных условий, обеспечивающих заданный режим работы усилителя с ОЭ

Рассмотрим RC-усилитель в котором транзистор вклю­чен до схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального, режима работы.

Токи в цепи находят по формулам:

Предположим, что i Б = i Б2 , тогда:

Предположим, что напряжение питания Ек задано и требуется обеспечить начальный режим работы при задан­ном начальном токе I К Н.

Учитывая, что i Э » i K:

Выбирается ток i дел делителя напряжения на резисторах R 1 и R 2 , протекающий при отключении базы транзистора от делителя.

Важным параметром является коэффициент усиления усилителя по напряжению, который находят по формуле:

19. Операционные усилители (ОУ): области применения, условное графическое изображение, структурная схема. Назначение элементов структурной схемы