Учебное пособие: Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника» Волгоград, 2007 г

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)

Кафедра «Электротехника»

Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника»

Волгоград, 2007 г.

УДК 621.317

Аналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе : Задания и методические указания к выполнению семестровой работы по курсу «Общая электротехника» /Сост. канд. тех. наук, доцент С.И. Николаева, Волгоград. гос. ун-т. –Волгоград, 2007. -13с.

В работе приведены задания на семестровую работу по разделу «Электроника» курса «Общая электротехника». Включает в себя задания на выполнение семестровой работы и пример расчета.

Работа предназначена для специальности 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительного производства», но отдельные ее части могут быть использованы и для других специальностей, изучающих курс «Электротехника и электроника».

Рис. 1. Табл. 3. Библиогр.: 3 наименования.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ)

Рецензент: к.т.н., доц. А.В. Емельянов

технический университет

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Семестровая работа выполняется по исходным данным в соответствии с вариантом.

Семестровая работа содержит 1 задание. В данном задании приведен текст задания и исходные данные для его решения. Исходные данные согласно варианту приведены в таблице 2.1.

Номер варианта соответствует номеру студента в журнале учебной группы.

Правила оформления семестровой работы

Семестровая работа оформляется на листах формата А4. Титульный лист работы имеет стандартный вид и должен содержать наименование предмета, по которому сделана работа, вариант по номеру в журнале, фамилию и инициалы студента, номер группы учебной группы (см. Приложение 1). После записи «Проверил» указывается фамилия и инициалы преподавателя.

Текст работы может быть набран на компьютере и написан «вручную». В любом случае обязательно приводится полный текст задания. Затем выписываются исходные данные своего варианта, а затем приводятся ответы на вопросы или решение задачи.

Текст решения должен содержать пояснения, какой параметр и по какой исходной формуле определяется. Если требуется, чертятся схемы (непосредственно по тексту) и графики (на миллиметровке). Схемы должны быть выполнены карандашом с использованием чертежных инструментов и в соответствии с требованиями ЕСКД.

Семестровая работа, выполненная не для своего варианта, а также оформленная небрежно и не по правилам, не проверяется и не оценивается.

Задание: Требуется провести расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером и с температурной стабилизацией за счет отрицательной обратной связи.

В соответствии с вариантом считаются заданными:

· Тип транзистора;

· Рабочая точка транзистора в состоянии покоя;

· Сопротивление резистора в цепи коллектора Rк ;

· Наименьшая граничная частота fн ;

· Падение напряжения на резисторе Rэ, которое выбирают в соответствии с требованиями к температурной стабилизации усилителя.

Общими для всех вариантов величинами являются:

· Коллекторный ток транзистора Iк0 = 1мА;

· Напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ0 = 5 В в состоянии покоя;

· Сопротивление нагрузки усилителя берут равным рассчитанному ранее входному сопротивлению усилителя Rвх, т.е. считают, что данный усилитель имеет в качестве нагрузки такой же каскад усиления.

Рассчитать:

1. Параметры остальных элементов схемы;

2. Напряжение на этих элементах и протекающие через них токи;

3. Коэффициент усиления по напряжению в области средних частот.

4. Нарисовать схему усилительного каскада и объяснить ее работу. На схеме должны быть представлены все элементы, рассчитанные в семестровой работе, токи и напряжения на всех элементах схемы.

Исходные данные согласно варианту задания приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Исходные данные к заданию

Вари-ант	Тип транзис-тора	h11Э	h12Э	h21Э	h22Э	Rк	UЭ0	fн	Рк мах
Ом	-	-	Ом-1	кОм	В	Гц	Вт
1	ГТ108А	540	9*10-3	35	120*10-6	1,8	1,1	65	0,075
2	МП39	850	7*10-3	35	55*10-6	2,4	2,5	50	0,15
3	МП40	900	8*10-3	30	60*10-6	3,0	2,2	30	0,15
4	П416	650	32*10-3	40	150*10-6	5,6	2,2	20	0,15
5	МП41	950	7,5*10-3	45	50*10-6	3,6	2,8	25	0,15
6	МП14	930	7*10-3	30	100*10-6	4,7	2,3	15	0,15
7	МП15	1300	8*10-3	45	150*10-6	1,5	0,8	70	0,15
8	ГТ322	330	16*10-3	56	62,5*10-6	2,7	1,8	65	0,075
9	МП39Б	1100	6*10-3	40	45*10-6	3,3	1,8	40	0,15
10	МП41А	750	5*10-3	75	75*10-6	4,7	3,1	10	0,15
11	ГТ309Б	4500	9*10-3	120	250*10-6	1,8	1,3	20	0,05
12	ГТ322Б	2500	4*10-3	85	85*10-6	3,3	2,0	35	0,2
13	МП40	900	8*10-3	30	60*10-6	4,3	1,5	80	0,15
14	МП14	930	7*10-3	30	100*10-6	4,7	1,6	90	0,15
15	МП40А	1100	7*10-3	30	56*10-6	5,1	2,0	85	0,15
16	ГТ108А	540	9*10-3	35	120*10-6	6,2	2,5	95	0,075
17	МП39	850	7*10-3	28	55*10-6	4,3	1,7	85	0,15
18	ГТ309Б	4500	9*10-3	120	120*10-6	5,1	2,6	75	0,05
19	МП15	1300	8*10-3	45	150*10-6	4,3	1,7	60	0,15
20	МП39Б	1100	6*10-3	40	46*10-6	6,8	2,3	55	0,15
21	ГТ322Б	2500	4*10-3	85	85*10-6	7,5	2,5	70	0,2
22	ГТ108А	540	9*10-3	35	120*10-6	4,7	2,2	80	0,075
23	ГТ309Б	4500	9*10-3	120	120*10-6	3,6	2,2	60	0,05
24	МП39	850	7*10-3	28	55*10-6	3,6	1,5	95	0,15
25	МП39Б	1100	6*10-3	40	46*10-6	5,6	2,2	45	0,15
26	МП15	1300	8*10-3	45	150*10-6	1,8	1,8	50	0,15
27	МП39Б	540	9*10-3	35	120*10-6	3,0	1,8	65	0,075
28	МП39	850	7*10-3	28	55*10-6	2,7	2,0	80	0,15
29	МП39Б	1100	6*10-3	40	46*10-6	4,7	2,1	40	0,15
30	ГТ309Б	4500	9*10-3	120	120*10-6	4,3	1,9	65	0,05
31	МП15	1300	8*10-3	45	150*10-6	2,0	1,6	70	0,15
32	ГТ108А	540	9*10-3	35	120*10-6	1,8	1,6	75	0,075
33	МП41А	750	5*10-3	75	75*10-6	6,2	1,8	50	0,15
34	МП39	850	7*10-3	28	55*10-6	2,2	2,8	75	0,15
35	МП39Б	1100	6*10-3	40	46*10-6	4,3	2,0	65	0,15
36	ГТ309Б	4500	9*10-3	120	120*10-6	2,7	2,0	70	0,05
37	МП39Б	1100	6*10-3	40	46*10-6	3,9	1,9	70	0,15
38	МП15	1300	8*10-3	45	150*10-6	2,4	2,3	80	0,15
39	ГТ322Б	2500	4*10-3	85	85*10-6	6,2	2,5	80	0,2
40	ГТ108А	540	9*10-3	35	120*10-6	2,0	2,5	60	0,075

Рис. 2.1 – Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Пример расчета

Задан транзистор ГТ-109Б.

Для этого транзистора

h11Э = 300 Ом;

h12Э = 12*10-3 ;

h21Э = 50;

h22Э = 75*10-6 См ;

RК = 3,0 кОм;

UЭ0 = 2,2 В;

fН = 40 Гц;

PКmax = 0,030 Вт.

Общие данные: IК0 = 1 мА; UКЭ0 = 5 В; RН = Rвх .

Решение

1. Падение напряжения на резисторе в состоянии покоя

UК0 = IК0 RК = 1*10-3 *3,0*103 = 3 В.

2. Ток базы в состоянии покоя

IБ0 = IК0 / h21Э = 10-3 /50 = 0,02*10-3 А = 0,02 мА.

3. Ток делителя напряжения

IД = 7*0,02 = 0,14 мА.

Ток делителя принимается равным (5…10) IБ0 .

4. Напряжение питания усилителя

ЕК = UКЭ0 + UК0 + UЭ0 ( по второму закону Кирхгофа).

ЕК = 5 + 3 + 2,2 + 10,8 В.

5. Падение напряжения на резисторе R2

U2 = UЭ0 + UБЭ0 .

UБЭ0 для германиевых транзисторов принимают равным (0,2…0,3) В.

U2 = 2,2 + 0,2 = 2,4 В.

6. Падение напряжения на резисторе R1

U1 = ЕК — U2 = 10,8 – 2,4 = 8,4 В.

7. Сопротивление R2

R2 = U2 /IД = 2,4/0,14*10-3 = 17,14*103 Ом = 17,14 кОм.

Принимаем номинальное сопротивление резистора 18 кОм.

8. Сопротивление R1

R1 = U1 /(IД + IБ0 ) = 8,4/(0,14 + 0,02)*10-3 = 52,5*103 Ом = 52,5 кОм.

Принимаем номинальное сопротивление резистора 56 кОм.

9. Входное сопротивление Rвх усилителя определяется параллельным включением сопротивлений R1, R2 и входным сопротивлением транзистора h11Э

Тогда 1/Rвх = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ h11Э.

1/Rвх = 1/56000 + 1/18000 + 1/300 = 3,4*10-3 См;

Rвх = 293 Ом.

10. Сопротивление нагрузки усилителя Rн по условию задачи принимаем равным входному сопротивлению, поскольку нагрузкой усилительного каскада служит другой такой же каскад

Rн = Rвх = 293 Ом.

11. Сопротивление RЭ

RЭ = UЭ0 /( IК0 + IБ0 ) = 2,2/(1 + 0,02)*10-3 = 2,16*103 Ом = 2,16 кОм.

Принимаем номинальное сопротивление резистора 2,2 кОм.

12. Емкость шунтирующего конденсатора в эмиттерной цепи СЭ выбирается по нижней границе частоты с учетом эмиттерного дифференциального сопротивления транзистора rЭ

СЭ > 1/2πfн rЭ, где rЭ = 2h12Э /h22Э .

rЭ = 2*12*10-3 /75*10-6 = 0,32*103 Ом = 320 Ом;

СЭ = 1/2π*40*320 = 0,0000124 Ф = 12,4 мкФ.

Принимаем емкость конденсатора СЭ = 13 мкФ.

13. Емкость разделительного конденсатора Ср1 на входе усилителя

С1 > 1/2πfн Rвх = 1/2π*40*293 = 0,0000136 Ф = 13,6 мкФ.

Принимаем емкость конденсатора С1 = 15 мкФ.

14. Емкость разделительного конденсатора на выходе усилителя С2

С2 = С1 = 15 мкФ.

15. Коэффициент усиления по напряжению

КU = h21Э Rкн /h11Э .

Rкн – сопротивление нагрузки усилителя, которое принимается равным сопротивлению параллельного соединения Rк, Rн и Rвых .

1/ Rкн = 1/ Rк + 1/ Rн +1/ Rвых, где Rвых = 1/h22Э ;

1/ Rкн = 1/3400 + 1/293 + 75*10-6 = 3,78*10-3 См;

Rкн = 264,8 Ом.

Коэффициент усиления

КU = 50*264,8/300 = 44.

16. Мощность, рассеиваемая на коллекторе

РК = UКЭ0 IК0 = 5*10-3 = 0,005 Вт.

По условию РКmax = 0.03 Вт.

Таким образом, РК < РКmax .

Ответы:

R1 = 56 кОм; R2 = 18 кОм; RЭ = 2,2 кОм; Rн = 293 Ом;

С2 = С1 = 15 мкФ; СЭ = 13 мкФ; КU = 44.

Примечания.

1. Номинальные сопротивления резисторов стандартизированы. Для постоянных резисторов согласно ГОСТ 2825 – 67 установлено 6 рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале.

Таблица 2.2 — Номинальные сопротивления по рядам

Ряд	Числовые коэффициенты
Е6	1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8
Е12	1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2
Е24	1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1

Номинальные сопротивления в каждой декаде соответствуют указанным в таблице 2.2 числам или числам, полученным умножением или делением их на 10n, где n – целое положительное или отрицательное число.

2. Номинальные значения емкости конденсаторов стандартизированы и выбираются из определенных рядов чисел путем умножения или деления их на 10n, где n – целое положительное или отрицательное число. Наиболее употребляемые ряды номинальных емкостей приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Номинальные емкости по рядам

Е3	Е6	Е12	Е24	Е3	Е6	Е12	Е24
1	1	1	1	4,7	3,3	3,3	3,3
1,1	3,6
1,2	1,2	3,9	3,9
1,3	4,3
1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7
1,6	5,1
1,8	1,8	5,6	5,6
2,0	6,2
2,2	2,2	2,2	2,2	6,8	6,8	6,8
2,4	7,5
2,7	2,7	8,2	8,2
3	9,1