Расчёт усилителя напряжения на транзисторе

РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРАНЗИСТОРЕ.

1. Транзистор и его расшифровка.

Кремниевый биполярный транзистор n-p-n проводимости маломощный, высокочастотный, 15 разработки, группы В.

Справочные данные транзистора:

        -Коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала h₂₁ = b = 20 – 90.

        -Граничная частота ¦_гр > 250 МГц.

        -Обратный ток коллектора I_кбо < 1 мкА.

        -Напряжение насыщения база – эмиттер U_бо < 1,1 В.

        -Предельный постоянный ток коллектора I_{к макс} = 100 мА.

        -Предельное постоянное напряжение коллектор – эмиттер U_кэ = 40 В.

        -Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_к =150 мВт.

2. Исходные данные.

-Напряжение питания коллекторной цепи Е_К =30 В.

-Сопротивление в цепи коллектора R_К = 2,4 кОм.

-Коэффициент ООС усилителя по постоянному току -К_ос =0,1.

-Нижняя частота переменного сигнала ¦_н = 100 Гц.

Статический режим, при котором: -внутреннее сопротивление источника сигнала R_ИС < 0,1 R_вх; сопротивление нагрузки R_Н > 10 R_К.

 

 

3. Вольт - амперные характеристики (ВАХ). Выдаются преподавателем.

В соответствии с исходными данными на характеристиках записать значения масштабных величин по осям токов и напряжений, и также для каждой характеристики. Значения масштабных величин на одно деление приведены в таблице 3.

  Ниже характеристик провести 8 линий с равномерным распределением. Расстояние между линиями соответствует относительному интервалу времени.

    На вольтамперных характеристиках строятся дополнительные линии для определения параметров и характеристики для проведения расчётов:

Hа семействе выходных характеристик строится нагрузочная характеристика по координатным точкам (I_kмакс=  , U_k = 0) и (I_k = 0, U_k = E_k).

Первая точка на оси I_к : I_КМАКС = = 12,5 мА; на оси U_к : U_к =0

Вторая точка на оси U_кэ: U_кэ = 30 В; на оси.I_к = 0, 

 

Проекции точек пересечения нагрузочной линии и граничных линий семейства характеристик на ось U_кэ определяют максимальное (U_макс) и минимальное (U_мин) значения напряжений на коллекторе.

U_макс =28 В это напряжение на коллекторе в режиме отсечки, на характеристиках обозначено точкой С.

U_мин = 2 В это напряжение на коллекторе в режиме насыщения, на характеристиках обозначено точкой В.

Для линейного усилителя напряжения при заданном значении сопротивления нагрузки        R_Н >> R_К, когда практически не изменяется наклон нагрузочной характеристики в динамическом режиме, рабочая точка выбирается на середине участка режима линейного усиления. Точка может определяться графическим методом: с помощью линейки определяется середина между значениями  U_макс и U_мин; или математическим способом –

       U_К0 = ;            U_К0=  = 15 В

Через точку U_K0 проводится линия, параллельная оси I_K. Точка пересечения линии с нагрузочной характеристикой (А) определяет параметры режима транзистора по постоянному току (I_K0 и I_Б0). Значение I_Б0 определяется методом пропорциональности, используя две соседние характеристики со значениями I_Б3 = 150 мкА и I_Б2 = 100 мкА.

                                       I_К0 = 6,2 мА, I_Б0 = 110 мкА

 Точки пересечения линии с двумя соседними характеристиками (D и E) необходимы для определения статического коэффициента усиления тока

h_21Э. = (b) = ; I_D =8,3 мА, I_E = 5,7 мА;  h_21э =

По значению I_Б0 на входных характеристиках устанавливают рабочую точку А на характеристике при U_К= 5 В, и определяют значение напряжения между базой и эмиттером U_БРТ.

 U_БРТ – это проекция точки А на ось U_БЭ.     U_БРТ = 0,58 В.

Для определения входного сопротивления транзистора (h₁₁= R_ВХ)  проводят касательную через точку А. Тангенс угла наклона касательной определит это значение. Для проведения вычисления строят вспомогательный прямоугольный треугольник на касательной. Отношение прилежащего катета (DU_БЭ) к противолежащему катету (DI_Б) даст значение входного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером.

R_ВХ =            DU_БЭ = 0,7 - 0,45 = 0,25 В,  DI_Б =  А

R_ВХ =

   Касательную в точке А на входных характеристиках можно принять за рабочую характеристику, опраксимированную прямой линией, на которой обозначают критические точки: точку отсечки с координатами I_Б=0, U_БЭ= 0,45 В, и точку насыщения с координатами I_Б= 220 мкА, U_БЭ= 0,7 В. По этим точкам определяют максимальное амплитудное значение неискажённого входного сигнала                                                           

U_MВХ= U_БНАС  - U_БРТ ;     U_МВХ= 0,7 – 0,58 = 0,12 В.

 По рабочей характеристике выходных ВАХ определяется максимальное амплитудное значение неискажённого выходного сигнала

U_МВЫХ= U_К0 – U_КМИН,    U_МВЫХ= 15 – 2 = 13 В.

Коэффициент усиления по напряжению в режиме максимального неискажённого сигнала

К =         К =          К = 40,6 дБ.

6. Принципиальная схема.                       

 

 

Усилительный элемент на транзисторе VT с нагрузкой в цепи коллектора R3 имеет отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току. Обратная связь R4C2 включена последовательно в базо-эмиттерную цепь. Коэффициент обратной связи определяется отношением b = . Конденсатор С2 шунтирует сопротивление R4 по переменной составляющей таким образом, чтобы обратная связь не действовала рабочей частоте  вплоть до f_н. Это выполняется при условии:

t_ОС = R4C2 >>  .

Рабочая точка по постоянному току устанавливается постоянным напряжением на базе с помощью делителя напряжения R1R2. Связь с источником сигнала Е_с и с нагрузкой R_Н осуществляется через разделительные конденсаторы С1 и С3, которые совместно с входным и выходным сопротивлениями усилителя образуют переходную RC-цепь для нижних рабочих частот f_н. Это выполняется при условии:

t_вх=R_вхС1 >>  ;   t_вых= R_выхС3 >> .

7.Расчёт элементов схемы.

R4 = К_ос· R3; R4 = 2,4 · 0,1 = 0,24 кОм

По ряду Е24 выбираем сопротивление R4 = 240 Ом. По постоянному напряжению на сопротивлении будет падать

U_Э = I_К0 · R4; U_Э = 6,2 · 10^-3· 2,4· 10² = 1,5 В.

Следовательно, напряжение на базе

U_Б = U_Э + U_БРТ; U_Б = 1,5 + 0.58 = 2,08 В.

Для расчёта сопротивлений делителя необходимо выбрать ток делителя I_Д из условия    I_Д >> I_Б0 . В практических схемах это значение выбирают в пределах I_Д = (2 – 10) I_Б0. Выбираем I_Д = 5 I_Б0.

I_Д = 5·110=550мкА;  

 R2 =  ; R2 =  = 3,78 кОм;

R1 = ;  R1 =  = 50,75 кОм

Выбираем R2 = 3,6 кОм, R1 =51 кОм.

Рассеиваемая мощность на резисторах рассчитывается по формуле Р_R = I² x R

                    P_R1 = I_Д² · R1;       P_R1=(5,5·10^-4)² ·5,1· 10⁴ = 1,54 · 10^-2 = 15,4 мВт

P_R2 = I_Д² · R2;       P_R2 =(5,5·10^-4)² · 3,6· 10³  = 1,08 · 10^-3 = 1,08 мВт

P_R3 = I_К0² · R3;      P_R3 = (6,2·10^-3)² · 2,4·10³ = 9,2 · 10^-2 = 92 мВт 

P_R4 = I_К0² · R4;      P_R4 = (6,2·10^-3)² · 2,4·10² = 9,2 · 10^-3 = 9,2 мВт

Для расчёта разделительных конденсаторов в практических схемах выбирают соотношения

t , где t = С·R       Выбираем t

С1 ; C1  = 9 · 10^-5 Ф = 90 мкФ.

С2 ;  C2  = 4,1 ·10^-4 = 410 мкФ.

С3 ;  C3  = 4,1 · 10^-5 = 41 мкФ.

Выпускаемые промышленностью конденсаторы имеют ближайшие номинальные значения:

С1 = 100 мкФ, С2 =500 мкФ, С3 = 50 мкФ.

9. Перечень элементов.

                                                                                         Таблица1

№ п / п	Обозн. в схеме	Наименование, тип	Номинальное         значение	Кол - во
1.	С1	Конденсатор К50 – 6 –50В – 100 мкФ	100 мкФ	1
2.	С2	Конденсатор К50 – 6 – 10В – 500 мкФ	500 мкФ	1
3.	C3	Конденсатор К50 – 6 – 50В – 50 мкФ	50 мкФ	1
4.	R1	Резистор ОМЛТ- 0,125 – 5,1 кОм + 10%	5,1 кОм	1
5.	R2	Резистор ОМЛТ- 0,125 – 51 кОм + 10 %	51 кОм	1
6.	R3	Резистор ОМЛТ – 0,125 – 240 Ом + 10%	240 Ом	1
7.	R4	Резистор ОМЛТ – 0,125 – 2,4 кОм +10%	2,4 кОм	1
8.	VT1	Транзистор КТ315 В	--	1

 

   8. Диаграммы напряжений.

При изображении диаграмм необходимо выбирать масштабные значения по напряжению такие же, как масштабные значения напряжений ВАХ: для входных сигналов U_ВХ и напряжение на базе – U_БЭ по входным характеристикам; для выходных на коллекторе U_КЭ и на нагрузке – U_ВЫХ по выходным характеристикам

 

 

 

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

Классификация транзисторов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологиским признакам, роду исходного материала находит своё отражение в системе условных обозначений их типов. В соответствии с возникновением новых классификационных групп транзисторов совершенствуется и система их условных обозначений, которая на протяжении последних 15 лет трижды претерпевала изменения. Система обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11Ю336.919-81 и базируется на ряде классификационных признаков. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код, первый элемент которого обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор. Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

   Г или 1 — для германия и его соединений;

   К или 2 — для кремния и его соединений;

   А или 3 — для соединений галлия (практически для арсенида галлия)

Второй элемент обозначения – буква, определяющая подкласс транзистора.

    Т – для биполярных транзисторов;

    П – для полевых транзисторов.

Третий—цифра от 1 до 9, определяющая его основные функциональные возможности табл.1          (допустимое значение рассеиваемой мощности и граничную либо максимальную рабочую частоту)

                                                   Таблица 2

		3	Транзисторы маломощные                    (Рмакс< 0,3 Вт)
		6	Транзисторы средней мощности     (0,3Вт < Рмакс < 1,5Вт)
		9	Транзисторы большой мощности                     (Рмакс > 1,5 Вт)
Транзисторы низкочастотные f < 3 МГц	Транзисторы средней частоты 3МГц<f<30МГц	Транзисторы высокочастотные – 30МГц<f300МГц<f и СВЧ – 300МГц<f

 

Четвёртый элемент это число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов (каждый технологический тип может включать в себя один или несколько типов, различающихся по своим параметрам).

Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Таким образом современная система обозначений позволяет по наименованию типа получить значительный объём информации о свойствах транзистора.

Примеры обозначений:

ГТ101А—германиевый биполярный маломощный низкочастотный транзистор, номер разработки 1, группа А.

2Т399А—кремниевый биполярный маломощный СВЧ, номер разработки 99, группа А.

2П904 Б –кремниевый полевой мощный высокочастотный, номер разработки 4, группа Б. Цифро – буквенное обозначение не указывает, какую проводимость имеет транзистор. Проводимость указывается в условных графических обозначениях (УГО):

 

                     Биполярный транзистор типа p-n-p проводимости

                                 

 

                      Биполярный транзистор типа n-p-n проводимости

                          

ОСНОВНЫЕ СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ 

h_21э, (b) -- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

f_гр – граничная частота передачи тока в схеме с общим эмиттером; На некоторые транзисторы        в справочнике не даются значения f_гр , а приводятся значения модуля | b | на измеренной частоте f _{измерения}, или постоянная времени цепи коллектора t_b  (r_кС_к). В этих случаях f_гр  определяется по формулам:

1) f_гр = | b | x f_{иземерения}; 2) f_гр  = 1/ t_b.

U_б0 – напряжение отпирания. Это напряжение при котором появляется управляемый коллекторный ток.

U_б.нас – напряжение насыщения база – эмиттер. Напряжение между базой и эмиттером, при котором протекает максимальный коллекторный ток  

             I_КНАС = Е_К / R_К. 

I_КБ0 – неуправляемый обратный ток коллектора (эмиттера).

Предельные параметры.

U_Кэмакс – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер.

I_{К макс} – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

P_макс – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора.

В справочниках приводятся значения параметров транзисторов, гарантируемые ТУ для соответствующих оптимальных или предельных режимов эксплуатации. Значения большинства параметров транзисторов зависит от рабочего режима и температуры, причём с увеличением температуры зависимость параметров от режима сказывается более сильно. В справочнике, как правило, приводятся типовые (усреднённые) параметры и зависимости.

Разброс параметров транзисторов и их изменения во времени и от внешних условий при конструировании схем могут быть учтены расчётными методами или экспериментально – методом граничных испытаний.

В справочнике для большинства биполярных транзисторов не приводятся вольтамперные характеристики (ВАХ) ввиду их однотипности и возможности построения по приводимым данным. Для проведения расчётной работы приводятся типовые входные и выходные характеристики для транзисторов p-n-p и n-p-n проводимости с указанием масштаба по осям токов и напряжений для каждого варианта.

 

В таблице 2 приводятся основные параметры транзисторов, которые используются для проведения расчётной работы. № п ¤ п указывает на номер варианта.

                                                  

 

                                                                                                                                  Таблица 2

№ п/п	Транзи-стор	Проводи- мость	h21э, (b)	Uб0,В (Uб.нас)	IКБ0, мкА	fгр МГц	UКэмакс, В	IК макс мА (А)	Pмакс, мВт (Вт)
	КТ611В	n-p-n	10-40	1,2		>60			(3)
	ГТ705В	n-p-n	30-70	(2)	1,5mA	10кГц		(3,5)	(15)
	ГТ322А	p-n-p	30-100	0,6		80			50
	1Т101А	p-n-p	30-60	(0,7)		2			50
	КТ207Б	p-n-p	30-200	0,8	0,5	5			15
	ГТ701А	p-n-p	10	(0,5)	30mA	50кГц		(12)	(50)
	ГТ404В	n-p-n	30-80	0,3		1
	ГТ311А	n-p-n	15-180	(0,6)	5		12
	КТ203Б	p-n-p	30-90	1,1		5	30	10
	КТ903А	n-p-n	15-75	(2)	30мА		80	(3)	(30)
	1Т403В	p-n-p	30	(0,8)	50	8 кГц	30	(1,25)	(5)
	КТ350А	p-n-p	70	(1,25)	5		15
	ГТ309Е	p-n-p	60-180	(0,4)	15	40	10	10	50
	1Т308Б	p-n-p	50-120	(0,45)	5		12	50
	КТ503Е	n-p-n	40-120	(0,8)	1	5	100	150
	КТ361Д	p-n-p	20-90	1,2	1		40
	ГТ402Г	p-n-p	30-80	0,3	20	1	40
	КТ608А	n-p-n	25-80	(2)	15		60
	ГТ115В	p-n-p	60-150	0,25	40	1	30	30
	ГТ703А	n-p-n	30--70	(1)	500	10кГц	20	(3,5)	(15)
	КТ932Б	p-n-p	30-120	(1,5)	1,5мА	50	60	(2)	(20)
	КТ342А	p-n-p	25-250	(0,9)	30	250	30	50	250
	ГТ122А	n-p-n	15-45	0,3	15	1	35	20	150
	КТ206А	n-p-n	30-90	0,8	1	10	20	20	15
	ГТ630А	n-p-n	40-120	7	1	50	120	(1)	800
	КТ819В	n-p-n	20	(1,5)	1мА	12	60	(10)	(60)
	2Т301Е	n-p-n	40-120	(2,5)	10	60	30	10	150
	ГТ810	p-n-p	15	(0,5)	20мА	15	200	(10)	(15)
	КТ818А	p-n-p	20	(1,5)	1мА	3		(10)	(60)
	1Т330А	n-p-n	30-300	(0,7)	20		13		50
	КТ3102	n-p-n	100-250	(1,5)	10	150	50
	КТ801Б	n-p-n	30-150	(3,5)	2мА	10		(2)	(5)
	КТ326Б	p-n-p	45-160	(1,2)	0,5		15		200
	КТ201Б	n-p-n	30-90	1.5	5	10	20	20	150

 

В таблице 3 приведены значения масштабов по осям токов и напряжений. При выполнении расчётной работы необходимо в характеристиках поставить конкретные значения токов и напряжений в соответствии со значениями масштабов табл. 3. На выходных характеристиках для токов базы i_Б поставить значения токов базы, соответствующих значениям масштабных делений на входной характеристики. 

                                                                                                    Таблица 3.

№ п/п	Транзи-стор	Проводимость	Масштаб IБ, мкА ¤ дел (мА ¤ дел)	Масштаб UБЭ, В ¤ дел (мВ ¤ дел)	Масштаб iК, мА ¤ дел (А ¤ дел)	Масштаб UКЭ, В ¤ дел	Напряжение питания ЕК, В	Сопротивление нагрузки RК, Ом (кОм)
	КТ611В	n-p-n		0,2
	ГТ705В	n-p-n	(20)	(100)
	ГТ322А	p-n-p		(100)		1,5		(1,2)
	1Т101А	p-n-p		(100)				(2)
	КТ207Б	p-n-p		0,15		1,5		(2)
	ГТ701А	p-n-p	(40)	(70)	(0,5)
	ГТ404В	n-p-n	(1)	(40)
	ГТ311А	n-p-n		(80)
	КТ203Б	p-n-p		0,2	1,5			(3,3)
	КТ903А	n-p-n	(15)	0,2	(0,4)
	1Т403В	p-n-p	(6)	0,15	(0,15)
	КТ350А	p-n-p	(0,8)	0,15
	ГТ309Е	p-n-p		(100)	1,5
	1Т308Б	p-n-p		(50)		1,5		(1)
	КТ503Е	n-p-n		0,15				(1,5)
	КТ361Д	p-n-p		0,2				(1,2)
	ГТ402Г	p-n-p	(1)	(100)
	КТ608А	n-p-n	(1)	0,2
	ГТ115В	p-n-p		(40)
	ГТ703А	n-p-n	(8)	(100)				6,8
	КТ932Б	p-n-p	(15)	0,3	(0,5)
	КТ342А	p-n-p		0,2	1,5			(1,5)
	ГТ122А	n-p-n		(40)				(1,6)
	КТ206А	n-p-n		0,15				(1,1)
	ГТ630А	n-p-n	(3)	0,15
	КТ819В	n-p-n	(30)	0,3	(1)			6,2
	2Т301Е	n-p-n		0,2	1,5			(3)
	ГТ810	p-n-p	(30)	(100)	(1)
	КТ818А	p-n-p	(80)	0,3	(1)
	1Т330А	n-p-n		(80)
	КТ3102	n-p-n		0,2				(1)
	КТ801Б	n-p-n	(4)	0,2	(0,15)
	КТ326Б	p-n-p		0,2
	КТ201Б	n-p-n		0,15	1,5			(1,6)