Расчетное задание № 2. 2. 1. 1. Изучить влияние элементов схемы усилителей на режим ра­боты транзисторов

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, R 1, R 2, 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 R 1 и R 2.

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 R 2 подается на базу транзистора и возвращает рабочую точку на середину линейного участка входной характеристики.

Для расчета делителя R 1, R 2 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 = b. 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 Е 1=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= 2 πfС _э. Отсюда С _э= Хс _э/2 πf.

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

Каскад такого типа содержит переходные конден­саторы С 1 и С 2. Конденсатор С 1 изолирует источник сигнала Е _г от вхо­да каскада по постоянному току и соединяет их по переменной сос­тавляющей. Конденсатор С 2 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 С 1 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 = С 1 × (R _Г + R _вхоэ), (2.6)

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

R _вх = R _вхоэ // R 1 // R 2, (2.7)

R _вх эквивалентно параллельно включенным R 1, R 2 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 b ₀- коэффициент обратной связи (при расчетах принимать b 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 + b ₀ × K), (2.13)

при параллельной ОС:

R _вх.ос = R _вх. / (1 + b ₀ × K), (2.14)

при обратной связи по напряжению:

R _вых.ос = R _вых. / (1 + b ₀ × K), (2.15)

при обратной связи по току:

R _вых.ос = R _вых. × (1 + b ₀ × K), (2.16)