Усилитель на биполярном транзисторе

1. Общие сведения об усилителях

 

1.1. Основные определения

Усиление представляет собой процесс повышения энергии сигнала, в результате воздействия на него источника энергии. От источника энергии, называемого источником питания, потребляется мощность Р₀, часть которой Р₂, называемая выходной мощностью, в преобразованном виде передаётся нагрузке. Для преобразования мощности Р₀, чаще всего в виде мощности постоянного тока, в мощность Р₂, как правило, переменного тока затрачивается мощность Р₁, получаемая от источника сигнала и называемая входной. Отсюда следует, что усиление представляет собой процесс увеличения мощности сигнала. Устройство, обладающее способностью усиливать мощность источника сигнала, называется усилителем (рис 1).

Источник  сигнала Р₁

   Нагрузка

Р₂

Источник питания Р₀

Рис 1

УК

 

 

Свойство  усиливать мощность не является определяющим при усилении напряжения или тока, при котором в общем случае U₂<>U₁ и I₂<>I₁, где U₂, I₂ – выходные ток и напряжение, а U₁, I₁ – входные ток и напряжение.

Элементы, обладающие способностью усиливать, называются усилительными  элементами. К их числу относятся  электронные лампы, транзисторы, интегральные микросхемы и другие.

 

 

 

 

 

1.2. Классификация  усилителей.

 

Тип усилителя, используемого в том или ином устройстве, зависит от назначения последнего и свойств усиливаемого сигнала.

В зависимости  от вида усиливаемых сигналов усилители  подразделяют на усилители гармонических  сигналов и усилители импульсных сигналов.

Всякий усилитель  характеризуется полосой пропускания, равной разности граничных частот f_в – f_н, которая в принципе должна соответствовать разности граничных частот сигнала f_max – f _min.

Усилители, у которых f_н=0, называют усилителями постоянного тока (УПТ), в отличие от усилителей переменного тока, для которых f_н>0.

Широкополосными принято называть усилители, полоса которых превышает 20…50 кГц, т.е достаточной для неискажённого усиления акустических сигналов (f_в-f_н≤20 кГц). Усилители, предназначенные для усиления коротких импульсов, также относят к широкополосным.

В зависимости  от типа усилительного элемента различают  ламповые, полупроводниковые, магнитные, диэлектрические. Полупроводниковые делят на транзисторные и выполняемые на микросхемах.

1.3. Параметры усилителей

1.3.1. Коэффициенты усиления.

Всякий усилитель  для проходящего через него сигнала  представляет собой активный четырёхполюсник, одной  из особенностей которого является то, что он эквивалентен электрической  цепи, содержащий зависимый источник сигнала на входе и какую –  либо нагрузку на его выходе, чаще всего, представляемая в виде активного сопротивления.

 

Усилитель

Rг

R

Е

U_вх1

U_вых

I_вых

I_вх

 

 К числу важнейших параметров усилителя относятся коэффициенты, непосредственно выражающие усиление сигнала по мощности, напряжению и току.

 

 

Коэффициент усиления по мощности:

 

Наиболее  полно усиление напряжения сигнала  характеризуется сквозным коэффициентом  усиления:

Коэффициент усиления по току:

 

Если усилительное устройство состоит из нескольких каскадов, то все коэффициенты усиления (одного какого – либо параметра) просто перемножаются.

Если коэффициенты выражены в децибелах, то общий коэффициент  получается путём суммирования этих коэффициентов.

1.3.2. Полоса пропускания.

Полоса пропускания  усилителя – полоса частот от высокой  частоты до нижней, внутри которой  коэффициент усиления изменяется по определённому закону с заданной точностью. Например, для усилителя  звуковой частоты должен быть К=const в диапазоне частот сигнала от 16 Гц до 20 кГц.

Полоса пропускания  усилителей, используемых для записи, передачи их воспроизведения звука, зависит от класса качества аппаратуры. Существует четыре класса качества звукового  вещания: III, II , I и высший класс, соответствующий международным нормам для Hi – Fi аппаратуры. Наиболее широкая полоса воспроизводимых частот достигается от 0 Гц до 200 кГц. Выбор максимальной высокой частоты основывается на том, чтобы не только пропускать колебания самой высокой слышимой частоты, но и сохранять быстрее перепады громкости.

Полоса пропускания  характеризуется граничными частотами, на которых коэффициент усиления снижается в   от максимального возможного значения, который определяется на СЧ. Данная характеристика называется амплитудно – частотной характеристикой (АЧХ), которая показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Так как коэффициент усиления зачастую носит комплексный характер, поэтому применяется ещё одна характеристика: фазо – частотная характеристика (ФЧХ), которая показывает аргумент коэффициента усиления.

 

 

 

1.3.3. Частотные искажения.

Эти искажения  обусловлены влиянием линейных компонентов  усилителя: катушки индуктивности и конденсаторов. Чаще всего применяются конденсаторы в УЗЧ, а катушки, дроссели, трансформаторы -в усилителях радиочастоты. Из – за таких компонентов наблюдаются завалы на АЧХ в области низких и высоких частот, т.к на низких частотах сопротивление конденсатора возрастает, что приводит к снижению усиления на этих частотах, а на высоких старается проявить себя паразитная ёмкость, обусловленная наличием ёмкости в компонентах схемы и ёмкостью монтажа устройства; на ВЧ сопротивление ёмкости падает, что приближает к закоротке конденсаторов схемы.

Эти реактивные компоненты приводят к фазовым искажениям, т.к. параметры усилителя уже носят  комплексный характер.

1.3.4.Нелинейные  искажения.

Нелинейные  искажения обусловлены в усилителе  нелинейностью его сквозной динамической характеристики и нелинейностью ВАХ усилительных элементов, входящих в усилитель. Если рабочая точка задана неправильно, например на изгибе входной ВАХ транзистора, то на выходе появится достаточно искажённый сигнал, т.к. амплитуды токов базы неравномерные, поэтому нужно задавать точку на достаточно линейном участке входной ВАХ. Также нельзя допускать режим отсечки транзистора и режим насыщения на его выходной ВАХ.

Уровень нелинейных искажений усилителей гармонических  сигналов оценивается коэффициентом  гармоник либо коэффициентом нелинейных искажений:

 

 

Кг- коэффициент гармоник.

КНИ- коэффициент нелинейных искажений. 
                              Программа работы:

 

1. Предварительные расчеты. Анализ  технического задания.

2. Выбор и обоснование структурной  схемы усилителя.

3. Выбор и обоснование принципиальной  схемы устройства.

4. Расчет принципиальной схемы.

5. Графическая часть работы: а)  чертежи, используемые при выполнении

графоаналитического расчета каскадов; б) сфазированные диаграммы токов и напряжений в характерных точках схемы; в) чертеж принципиальной схемы; г) спецификация элементов.

6. Выводы.

7. Список используемой литературы.

 

 

                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные к курсовой работе:

 

 

Eг, В	Rг, Ом	Uвых, В	Rн, Ом	Cн, пФ	fн, Гц	fв, кГц	Mн, Дб	Mв, Дб	Tос, °C
0.2	500	5	800	50	30	5	1.5	1.2	40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Предварительные расчеты. Анализ технического задания:

Предварительные расчеты:

 

Амплитуда выходного напряжения в Вольтах [В], Uvix=Uвых:

    

    

 

 

 

Коэффициенты  частотных искажений в относительных  единицах,

Mnij=Мн и Mverx=Мв:

   

   

 

 

 

 

Сквозной  коэффициент передачи напряжения, Egen=Ег :

    

 

 

 

Сравнение сопротивлений  источника сигнала и нагрузки, Rgen=Rг и Rnagr=Rн в Омах [Ом]:

    

 

 

Анализ технического задания:

 

По результатам  предварительного расчета можно  сделать вывод:

Достаточно  одного каскада, т.к. сопротивление  нагрузки больше, чем сопротивление  источника сигнала. Как усилительный элемент, подходит биполярный транзистор, т.к. сквозной коэффициент передачи напряжения небольшой и маленький диапазон частот . Схема подключения подойдет с ОЭ, т.к. она дает усиление и по напряжению и по току.

Рабочая температура  больше, чем температура нормальных условий. Поэтому нужна схема  термостабилизации положения рабочей точки транзистора.

Необходимо  добавить в эмиттерную цепь шунтирующий  конденсатор, для исключения действия отрицательной обратной связи по переменной составляющей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2.Выбор и обоснование структурной схемы усилителя:

     

В моем случае усилитель имеет один каскад.

Для задания  положения рабочей точки используются специальный источник смещения, в  качестве которого используются  источник питания в комбинации со специальными делителями напряжения.

Источник  сигнала подаёт на вход усилителя  сигнал, который необходимо усилить. В качестве источника сигнала  может выступать любой преобразователь  какого-либо вида энергии в электрический  сигнал.

Источники питания  предназначены для обеспечения  электроэнергией усилителя, той, которая  и будет преобразовываться в  выходную мощность.

Цепи связи  служат для передачи сигнала от источника  сигнала в нагрузку. В моем случае в качестве цепей связи будем  использовать ёмкости, т.е. в качестве элементов связи используются разделительные конденсаторы. Они предотвращают  прохождение постоянного тока от источника смещения через генератор  и нагрузку. К цепям связи предъявляются определённые требования: минимальные потери и искажения передаваемого сигнала.

 

 

3.Выбор и обоснование принципиальной схемы устройства:

Схема с ОЭ характеризуется относительно большим входным сопротивлением. Также схема с ОЭ дает максимальный коэффициент усиления по мощности. Недостатками схемы являются большие нелинейные искажения и малый КПД. Также следует учитывать, что усилительный каскад с ОЭ инвертирует выходной сигнал относительно входного.

Поэтому, для того чтобы получить необходимый коэффициент усиления по напряжению, следует использовать каскад с ОЭ.

Режим усиления класса A на практике применяется в каскадах предварительного усиления, а также в выходных каскадах при небольшой мощности нагрузки, где требуются минимальные искажения. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка сквозной или проходной характеристики. Достоинством этого класса усиления являются минимальные нелинейные искажения, т.е. форма выходного сигнала идентична форме входного.

Поэтому, учитывая то, что нужно  усиливать обе полуволны входного сигнала с минимальными нелинейными  искажениями, выбираем режим усиления класса А.

 

Другие способы задания рабочей  точки:

 

Существуют три способа задания  рабочей точки: от отдельного источника  смещения, фиксированным током и  фиксированным потенциалом базы.

Схема с отдельным  источником используется когда имеется большое количество идентичных каскадов, т.к. использование отдельного источника для задания рабочего состояния для одного или двух каскадов нецелесообразно. При задании рабочей точки фиксированным током базы в качестве источника смещения используется источник питания. Недостатком является нестабильность положения рабочей точки и необходимость дополнительной подстройки при замене усилительного элемента. Однако данный способ в схеме ОК широко применяется на практике, т.к. из-за действия стопроцентной ООС по напряжению стабильность рабочей точки достаточно велика.

В схеме ОЭ рабочая точка задается методом  фиксированного потенциала, для чего используется резистивный делитель. Потенциал базы будет фиксированным, если ток делителя будет в несколько  раз (2¸10) превышать ток покоя базы. Данный способ характеризуется высокой стабильностью рабочей точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Расчёт  принципиальной схемы усилителя:

 

Расчет усилителя  начинается с выбора сопротивления  коллектора. В зависимости от отношения  коллекторного сопротивления и  сопротивления нагрузки получаем различные  значения  Екmin- минимальное напряжение источника питания в [В], Рк- мощность выделяющаяся на коллекторном переходе в [Вт] ,Ikmax- максимальный ток коллектора в [А] и ή- КПД усилительного каскада в [%].