Усилитель напряжения низкой частоты на транзисторе с общим эмиттером

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

 

ГОУ ВПО «Уральский государственный  технический университет - УПИ»

Факультет ускоренного обучения

Кафедра микропроцессорной техники

 

Оценка проекта

 

Члены комиссии

 

 

УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРЕ С  ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Пояснительная записка

                                           ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2011

Задание на курсовой проект

 

Исходные данные для расчета  усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе с общим эмиттером.

Максимальное напряжение на входе  усилителя Е_с = 0,05 В

Сопротивление источника сигнала  R_c = 1 кОм

Коэффициент усиления по напряжению K_u = 80

Сопротивление нагрузки R_н = 6 Ом

Нижняя граничная частота  f_н = 50 Гц

Верхняя граничная частота  f_в = 25 кГц

Коэффициент нестабильности S = 3

t_max = 50°C

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………...4

Расчеты………………………………………………………………………….. 5

Выбор транзистора…………………………………………………………5

Анализ работы усилительного  каскада на

переменном токе………………………………………………………  …...8

 Коэффициент усиления  по напряжению К……………………...………  9

Расчет АЧХ и ФЧХ…………………………………………….………………..12

Вывод.....................................................................................................................14Библиографический список.................................................................................15

Приложение 1. Схема Э3

Приложение 2. Схема СБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Усилитель напряжения низкой частоты  предназначен для усиления малого напряжения переменного тока в различных диапазонах частот. Входное напряжение усилителя может иметь величину от единиц микровольт до десятков милливольт, выходное - не превышает нескольких вольт. Коэффициент усиления таких усилителей обычно не более ста. На рисунке 1 приведена типовая схема усилителя.

Рисунок 1 – Типовая  схема усилителя

 

Делитель, образованный резисторами R1 и R2 задает напряжение базы транзистора U_б. Если ток делителя значительно больше тока базы, то напряжение базы U_б будет слабо изменяться при малых изменениях тока базы (будет почти постоянным).

 В этой схеме резистор R_э обеспечивает отрицательную обратную связь по току, необходимую для стабилизации режима работы усилителя по постоянному току. Емкость C_э шунтирует резистор R_э и исключает обратную связь на частоте усиливаемого сигнала.

Источники входного сигнала могут  иметь внутреннее сопротивление  R_c от десятков до сотен и тысяч Ом. Так как усилитель в схеме с общим эмиттером имеет сравнительно небольшое входное сопротивление, то при значительном сопротивлении источника сигнала на входе усилителя следует включать эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель, как известно, имеет высокое входное и малое выходное сопротивления.

Нагрузка такого усилителя  является, как правило, активной и может иметь значение от десятков до сотен и более Ом. Так как усилитель в схеме с общим эмиттером имеет большое выходное сопротивление, а сопротивление нагрузки мало, то рекомендуется использовать на выходе усилителя эмиттерный повторитель.

 

2. Расчеты

Выбор транзистора

Предварительно выбираем транзистор 2N59G, Имеющий статический коэффициент усиления по току B=64. [1, стр. 27].

Прибор	Предельные  параметры									Параметры при T = 50°C
			при T = 50°C															RТ п-с (RТ п-к), °C/Вт
	IК, max мА	IК н. max мА	UКЭR max (UКЭ0 max), В	UКБ0 max, В	UЭБ0 max, В	PК max, (Pmax), мВт	T, °C	Tп max, °C	Tmax, °C	h21Э (h21э)	UКБ (UКЭ), В	IЭ (IК), мА	UКЭ нас, В	IКБ0, (IКЭR), мкА	fгр (fh21), МГц	Кш, дБ	CК, пФ
2N59A	100	0,5	25		6	150	25	120	100	20...90	(10)	1	0,4	1	250		7	670
2N59G	100	1	20		6	150	25	120	100	50...350	(10)	1	0,4	1	250		7	670

 

Таблица 1 – Параметры биполярных транзисторов серии 2N59G.

Требуемый статический  коэффициент усиления по току β вычислим по формуле:

β≥(0,8÷1,5)K_u ; β=0,8 *80=64,

где K_u – требуемый коэффициент усиления.

Расчет режима работы транзистора по постоянному  току

Определим рабочую точку.

U⁰_к > U_mК , где U_mК – амплитуда напряжения на коллекторе.

U_mК = E_c * K_u *

= 0,05 * 64 * 1,414 = 5,656 В,

где E_c – напряжение входного сигнала, В

Выберем U⁰_к = 6В

Усилительный каскад должен работать в режиме класса А. При малом входном  сигнале РТ выбирают из соображений  экономичности, а также получения  от каскада требуемого усиления. В этом случае значение тока I⁰_к выбирают от 0,1 до нескольких миллиампер[2, стр. 9].

Выберем I⁰_к = 0.5 мА.

Определяем величину коэффициента γ_б исходя из заданного для расчета коэффициента температурной нестабильности S=3 по формуле:

γ_б =

Сопротивление R_б выбирают значительно больше (5-10 раз), чем входное сопротивление транзистора для уменьшения потерь при ответвлении части тока входного сигнала[2, стр. 12].

Определим сопротивление  делителя R_б по формуле:

R_б = 5*(r_б + r_э(1+ β)),

где r_б – внутреннее сопротивление базы транзистора, выбирается порядка 100 Ом,

r_э – внутреннее сопротивление эмиттера  транзистора, определяется по формуле  r_э =  = 50 Ом.

Подставив полученные данные в формулу , получим:

R_б = 5*(100 + 50(1+ 64))= 16750 Ом.

Находим сопротивление R_э по формуле:

R_э =

7799 Ом

Выберем напряжение питания  исходя из неравенства:

Eк ≥ 2* U⁰_к + I⁰_к * R_э

E_к ≥2*6+0,5*7799=3,911 В

Ближайшее напряжение питания  из рекомендованного ряда [2, стр. 9] составляет 5 вольт, но полученный в расчетах коэффициент усиления не соответствует заданному, напряжение питания 6,3 вольт также не дает приемлемый результат, поэтому выберем напряжение питания 24 вольта.

Находим сумму сопротивлений R_к + R_э :

R_к + R_э =

36 кОм

R_к = 36-7799=28,200 кОм

Округлим полученные значения до номинальных для удобства практической реализации проекта:

R_б=17 кОм

R_э=8 кОм

R_к=28 кОм

 

Найдем сопротивление R₂ делителя. Напряжение на базе в рабочей точке U⁰_б отличается от U⁰_э на величину порядка 0,5 вольта:

R₂ =

U⁰_э = I⁰_э *R_э

I⁰_э = α* I⁰_к

Iα=

=0,9850 мА

I⁰_б=

0,00781 мкА

Подставим значения в формулу

R₂ =

111,099 кОм

R₁ =

19,723 кОм

Округлим полученные значения до номинальных для удобства практической реализации проекта:

R1=20 кОм

R2=111 кОм

Проверим, выполняется ли соотношение

0,18 мкА ≥ 0,03 мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ работы усилительного каскада на переменном токе

Рисунок 3 – Эквивалентная схема каскада по переменному току для области средних частот.

 

Входное сопротивление  усилителя равно параллельному  соединению R_б и входного сопротивления транзистора R_вхт

R_вхт=r_б+r_э(1+β)= 100+50(1+64)=3350 Ом

R_вх= 2994 Ом

Для расчетов нам понадобится  внутреннее сопротивление коллетор-эмиттер r_кэ

r_кэ= 15 384 кОм, r_к выбираем порядка 1МОм

R_вых находится как параллельное соединение R_к и r_э

R_вых= 9954 Ом

 

Коэффициент усиления по напряжению К

Для расчета коэффициента усиления по напряжению нам понадобится коэффициент γ_к, учитывающий ответвления части тока в сопротивление r_кэ.

γ_к= =0,647

Определим коэффициент  усиления в режиме холостого хода

К_хх=

К_хх= 292,35

 

Определим коэффициент  усиления с нагрузкой

К=

К= 0,062

Полученный коэффициент  не соответствует требуемому K_u=60, поэтому для подключения нагрузки используем эмиттерный повторитель.

 

Для эмиттерного  повторителя также выберем транзистор КТ827А

Найдем эквивалентное  сопротивление при подключении  эмиттерного повторителя

Прибор	Предельные  параметры									Параметры при T = 25°C											RТ п-к, °C/Вт
			при T = 25°C
	IК, max, А	IК и, max, А	UКЭ0 гр, В	UКБ0 max, В	UЭБ0 max, В	PК max, Вт	TК, °C	Tп max, °C	TК max, °C	h21Э	UКЭ, В	IК, А	UКЭ нас, В	IКЭR, мА	fгр, МГц	Кш, дБ	CК, пФ	CЭ, пФ	tвкл, мкс	tвыкл, мкс
КТ827 А	20	40	100	100	5	125	25	200	100	750...18000	3	10	2	3	4		400	350	1	6	1,4...10,9

 

Таблица 2 – Параметры  транзистора КТ827А

 

 

 

R_экв= =3 Ом

Определим рабочий ток

I_раб = 4А

Исходя из рабочего тока можно найти ток базы эмиттерного  повторителя

0,001 А

Далее найдем сопротивление R_б2 эмиттерного повторителя

R_б2 = 12000 Ом

Найдем входное сопротивление  эмиттерного повторителя

R_вхэп = r_б+(r_э+R_экв)(1+β) = 100+(50+3)(1+4000)=212153 Ом

 

R_вхэкв = 11357 Ом

Пересчитаем коэффициент  усиления К после подключения  эмиттерного повторителя.

К=К_хх 83,9

После подключения эмиттерного  повторителя получен требуемый  коэффициент усиления.

В области НЧ следует  учесть влияние емкостей С₁,С₂,С_э т.к. при уменьшении частоты увеличиваются их сопротивления, уменьшаются входной ток, ток нагрузки и выходное напряжение. При этом основные параметры каскада зависят от частоты.

Для упрощения расчетных соотношений влияние каждой из емкостей рассматривают отдельно, принимая остальные равными бесконечности.

Для расчета емкостей понадобится нормированный коэффициент  усиления G_н , который равен произведению частных G₁, G₂, G_нэ и не должен превышать значения 0,707.

Выберем значения коэффициентов G₁=0,999 , G₂=0,999 , G_нэ=0,708 для удобства дальнейшей практической реализации.

С₁= = 17,81 мкФ

С₂= = 2,52 мкФ

С_э= = 51,82 мкФ

Где f_н – нижняя рабочая частота (50 Гц по заданию)

Для построения АЧХ и  ФЧХ во всем диапазоне частот воспользуемся  выражениями для модуля и фазы коэффициента усиления.

G(jω)=

φ(jω)=

τ_н1=С₁*(R_c+R_вх) = 0,07 с

τ_н2=С₂*(R_к+R_н) = 0,07 с

τ_нэ= = 0,004 с

τ_н= = 0,0042 с

где τ_β = 1/2πf_гр , f_гр – верхняя граничная частота транзистора по схеме с ОЭ

 

 

f, Гц	10	20			40			80				160			320		640
ω=2πf	62,8	125,6			251,2			502,4				1004,8			2009,6		4019,2
1/ωtн	3,70999901	1,855			-64			0,463749876				0,231875			0,115937469		0,057969
ωtв	0,00077529	0,001551			0,003101			0,006202289				0,012405			0,024809158		0,049618
(1/ωtн)-ωtв	3,70922372	1,853449			-64,0031			0,457547587				0,21947			0,091128311		0,00835
G(ω)	0,26030424	0,474832			0,015622			0,909335262				0,976753			0,995873499		0,999965
φ	181,307459	181,076			178,4448			180,4291127				180,216			180,0908773		180,0084
f, Гц	1280			2560			5120			10240				20480
ω=2πf	8038,4			16076,8			32153,6			64307,2				128614,4
1/ωtн	0,02898437			0,014492			0,007246			0,003623046				0,001811523
ωtв	0,09923663			0,198473			0,396947			0,793893053				1,587786106
(1/ωtн)-ωtв	-0,07025226			-0,18398			-0,3897			-0,790270007				-1,585974583
G(ω)	0,99754141			0,983493			0,931749			0,784578811				0,53335682
φ	179,929863			179,8181			179,6284			179,3312202				178,9917677
f, Гц	40960		81920			163840			327680		656360		1310720
ω=2πf	257228,8		514457,6			1028915,2			2057830		4121941		8231322
1/ωtн	0,000905761		0,000453			0,0002264			0,000113		5,65E-05		2,83E-05
ωtв	3,175572212		6,351144			12,702289			25,40458		50,88668		101,6183
(1/ωtн)-ωtв	-3,174666451		-6,35069			-12,70206			-25,4045		-50,8866		-101,618
G(ω)	0,300441126		0,155547			0,0784845			0,039333		0,019648		0,00984
φ	178,7343588		178,5854			178,50777			178,4685		178,4489		178,439